Improve the Efficiency of Scintillation Detectors Using Reflectors Based on Photonic Crystals Arrays

In the present work, we designed the new type of photonic crystals (PCs) as reflectors. Reflections from single layer of Al2O3/MgO PC help us in recapturing the light that does escape from the scintillation surface. Photonic crystals in one dimension array of Al2O3 and MgO with silver at periodicities N = 1, 2 and 3 were used as a reflector around the surface of the scintillation volume. Scintillation detectors are widely used in nuclear medicine. The efficiency is an important parameter for characterizing the capability of the detectors. The counting efficiency of the detectors depends on the light emission induced by radiation. The light then was converted by the photomultiplier tube into electrical pulses. The efficiency may increase by an amount of 1.64% if MgO-Ag photonic crystals are used at periodicity N = 1 as a reflector.

基于透镜阵列多元聚焦的连续晶体三维位置灵敏探测器设计和仿真

连续晶体闪烁体探测器可以实现γ射线作用点的三维位置定位。本文提出一种新的探测器结构,引入透镜阵列实现作用点定位。探测器采集多元聚焦图像,从而改变对连续晶体闪烁光分布探测的需求。文中建立连续晶体、透镜阵列和光子计数器阵列的模型进行模拟研究,建立多元聚焦的光路反演重建算法定位γ射线作用点的三维位置。通过重建结果分析评估基于透镜阵列的连续晶体探测器性能,这种结构具有较好的定位能力和位置分辨。对于尺寸为48 mm×48 mm×45 mm的硅酸钇镥(LYSO)闪烁晶体,实现了xy平面位置分辨优于1.54 mm,z方向位置分辨优于3.13 mm。基于连续晶体和透镜阵列结构的探测器还可对多作用点的情形进行重建,分析三组选定位置的重建结果,该结构对双作用点定位具有可行性。

GECAM卫星溴化镧晶体性能研究

GECAM卫星伽马射线探测器(GRD)设计使用3 in(1 in=25.4 mm)直径的溴化镧晶体(LaBr3晶体)作为伽马射线探测灵敏材料,后端耦合硅光电倍增管(SiPM)进行读出。对引力波最高能电磁对应体全天监测器(GECAM)卫星所用的LaBr_(3)晶体进行了本底测试,并根据晶体的掺杂类型进行了分类,使用放射源对所有晶体的性能进行了测试。为了研究LaBr_(3)晶体的辐照损伤情况,使用^(60)Co放射源对晶体进行了辐照损伤性能测试。测试结果表明,LaBr_(3)晶体的本底可分为单掺杂和双掺杂两个类型。GECAM卫星的LaBr_(3)晶体的能量分辨<18%@59.5 keV,满足设计使用要求。在1.65 kGy剂量的累积辐照后,经过较长时间的退激发,LaBr_(3)晶体试验前后662 keV的峰值变化小于15%,满足空间环境条件下(GECAM卫星在轨3年)的使用要求。

闪烁晶体几何形状、表面处理和单双面读出对伽马射线探测器光收集的影响

能量分辨率是闪烁体探测器的一个重要性能指标,特别是对于伽马能谱仪等伽马射线探测和识别领域。光收集是影响闪烁体探测器能量分辨率的一个重要因素,本工作利用Geant4工具包对闪烁体探测器中的光子传输进行了模拟,模拟了CsI(Na)晶体形状、表面处理和探测器的读出方式等对伽马射线探测器的光收集效率和光收集均匀性的影响。模拟结果表明,通过对圆柱、圆台、长方体和正方体等晶体形状的结果进行对比,圆台具有较高光收集效率和光收集均匀性;晶体表面研磨后具有更好的光收集特性;双面读出方式比单面读出方式的光收集性更高,能够提高10%~20%。为验证该模型的可靠性,搭建了实验平台进行实验验证工作,实验结果与蒙特卡罗模拟结果在2%范围内一致,该研究工作为优化伽马射线探测器以提高能量分辨率提供了关键设计依据。

13N超高纯锗单晶的制备与性能研究

13N超高纯锗单晶是制作超高纯锗探测器的核心材料。本文通过还原法获得还原锗锭,再由水平区熔法提纯获得12N高纯锗多晶,最后由直拉法生长得到13N超高纯锗单晶。通过低温霍尔测试、位错密度检测、深能级瞬态谱(DLTS)测试对13N超高纯锗单晶性能进行分析。低温霍尔测试结果显示,晶体头部截面平均迁移率为4.515×10^(4)cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),载流子浓度为1.176×10^(10)cm^(-3),导电类型为p型,位错密度为2256 cm^(-2);尾部截面平均迁移率为4.620×10^(4)cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),载流子浓度为1.007×10^(10)cm^(-3),导电类型为p型,位错密度为2589 cm^(-2)。晶体深能级杂质浓度为1.843×10^(9)cm^(-3)。以上结果表明该晶体是13N超高纯锗单晶。

非机械指向空间激光通信接收系统设计与分析

采用非机械指向结构能够极大缩小空间激光通信系统尺寸与重量,由于现有器件性能局限,目前尚未见到成熟的非机械指向空间激光通信接收系统。提出基于正交液晶级联偏振光栅与四象限探测器的空间激光通信接收光学系统,利用了正交液晶级联偏振光栅体积小、口径大、偏转范围大,及四象限探测器接收角度范围大的优势,根据正交液晶级联偏振光栅与四象限探测器的理论与器件性能,设计了光学系统,分析了探测器噪声、背景噪声、系统噪声对于通信与入射角度测量的影响,计算了可实现的通信速率,给出了系统的最大响应角速度。

基于溶液法制备卤化铅钙钛矿的直接型辐射探测器研究进展

X射线和γ射线探测在医学成像、安防检查、国土安全、无损检测等各个领域得到广泛应用,钙钛矿材料具有高辐射吸收系数、高载流子迁移率-寿命乘积、特殊的缺陷容忍特性而成为辐射探测器件优异的候选材料。溶液法在制备钙钛矿材料方面具有显著的优势,溶液法的成本较低,能在低温或环境条件下制备,更易推行工业化生产,是未来优化材料体系,制备高质量、大尺寸晶体材料的关键技术。本文从溶液法制备卤化铅钙钛矿材料的角度出发,分析晶体生长及材料组成对辐射探测性能的影响,重点介绍从优化晶体生长质量和器件结构设计等方面提升辐射探测性能,最后总结钙钛矿材料在辐射探测领域面临的挑战,并展望了未来研究的发展方向,期望为钙钛矿材料在辐射探测领域走向工业化提供参考。

锑化铟晶体空位缺陷的正电子湮灭研究

锑化铟晶体材料的电学性能是影响最终制备的红外探测器件性能的关键因素。材料内部的杂质以及点缺陷特别是空位缺陷会极大的影响材料的电学性能,有时甚至会导致材料反型。本文利用正电子湮灭谱对锑化铟晶体材料的空位缺陷类型进行了研究,同时还对不同晶体生长拉速、导电类型晶体材料的正电子湮灭寿命进行分析。结果表明其内部主要为V In型空位缺陷,且在一定拉速范围内,正电子湮灭寿命基本无变化,此外空位缺陷也不是导致N型锑化铟晶体材料导电类型反型的主要原因。

硅油辅助法制备用于X射线探测的高质量MAPbX(I、Cl)_(3)单晶

高质量大尺寸的块体单晶对研究钙钛矿材料的基本特性和高能射线探测成像有重要价值。使用硅油辅助法制备MAPbI3单晶和MAPbCl_(3)单晶,并对其光电性能和X射线探测性能进行表征。结果表明:硅油辅助法生长的单晶质量和性能比逆温生长法获得的单晶更好,MAPbI3单晶的(110)晶面摇摆曲线半峰宽达到0.011 2°,荧光寿命为1 022 ns,缺陷态密度最低达到5.61×10^(9)cm^(-3);MAPbCl_(3)单晶的(100)晶面摇摆曲线半峰宽达到0.014 3°,荧光寿命为957 ns,缺陷态密度最低达到3.57×10^(9)cm^(-3)。基于MAPbI3单晶的X射线探测器获得7 300μC/(Gy·cm^(2))的高灵敏度。上述结果表明:硅油辅助法适合于大批量生产辐射探测用的高质量钙钛矿单晶。

单体和低聚物的含量对聚酰胺6切片性能的影响

采用溶解/沉淀法对聚酰胺6(PA6)中的单体及低聚物进行提取,利用液相色谱/飞行时间质谱/二极管阵列检测器(LC-TOF-MS-PDA)和聚合物色谱/多角度激光散射/示差折光检测器(APC-MALLS-RID)联用方法测定PA6中单体和低聚物含量、低聚物组成及PA6的分子量和分布;通过热重分析仪、差示扫描量热仪和二维广角X射线衍射仪分析PA6切片中单体低聚物含量对切片热性能和结晶性能的影响。结果表明:物理再生PA6(pr-PA6)和化学再生PA6(cr-PA6)中单体及环状低聚物含量分别为2.079%和1.578%,比原生PA6(PA6)分别高0.683%和0.182%,其中再生PA6切片中单体、环状二聚体和环状三聚体含量高于原生PA6切片。PA6、pr-PA6和cr-PA6的分子量分别为19620、20840 g/mol和22210 g/mol,分子量分布系数分别为1.47、1.56和1.49;三种PA6切片的最大分解温度无明显变化。与原生PA6切片相比,再生PA6切片的结晶峰温度向高温区偏移,结晶温度从PA6的176℃增加至pr-PA6的185℃,且pr-PA6和cr-PA6切片中α晶型的相对含量增加。该研究可为提高PA6材料的热性能及结晶性能提供理论基础。

Room temperature HgI_2 nuclear radiation detector

Ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＨｇＩ＿２ ｎｕｃｌｅａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒＬｉＷｅｉ－Ｔａｎｇ（李伟堂），ＬｉＺｈｅｎｇ－Ｈｕｉ（李正辉），ＺｈｕＳｈｉ－Ｆｕ（朱世富），ＹｉｎＳｈｕ－Ｊｕｎ（银淑君），ＺｈａｏＢｅｉ－Ｊｕｎ（...

液晶太赫兹光子学研究进展

液晶作为液态和固态之间的中间态,具有液体的流动性和晶体的各向异性,其指向矢灵活可调,从微波到紫外都有广泛应用。近年来液晶光子学在太赫兹波段展现出巨大应用前景,本文综述了基于液晶的太赫兹源、可调太赫兹器件和太赫兹探测器的研究进展,探讨了未来液晶太赫兹光子学的发展趋势,如新型铁电向列相、液晶拓扑在太赫兹领域的应用,多模式、多参量的太赫兹波按需产生、调制与探测等。

碲锌镉心脏专用SPECT的特性及其临床应用进展

随着半导体探测器碲锌镉(Cadmium-Zinc-Telluride,CZT)心脏专用单光子发射计算机断层成像(Singlephoton EmissionComputed Tomography,SPECT),即CZT-SPECT的出现,核医学在仪器设备上的发展有了新的突破,以性质稳定的CZT半导体材料直接取代传统的NaI晶体和光电倍增管。CZT半导体组织密度大、原子序数高,因此对SPECT能量探测范围内的光子具有极高的捕获能力,且具有优异的光电性能,是目前γ射线探测器最为理想的半导体材料。技术上的优势有望为CZT-SPECT的临床应用带来更大的研究意义和更高的诊断效能,现对CZT-SPECT在心脏相关疾病方面的应用情况进行综述,以期为其临床应用提供一定的参考价值。

钙钛矿单晶X射线探测器:未来可穿戴电子器件的B位工程

卤化铅基钙钛矿单晶(SC)X射线探测器由于其强大的阻挡能力和高载流子传输效率而受到广泛关注。然而,铅基钙钛矿在可穿戴电子产品中的应用受到其毒性的限制。ABX_(3)杂化钙钛矿具有多种结构,通过B位点工程将光电子特性和环境友好处理相结合。在这篇展望中,我们总结了钙钛矿SC X射线探测器的最新进展,提供了从铅基到无铅再到无金属的B位工程概述。随后,提出了未来钙钛矿可穿戴电子器件的前景。我们希望这篇展望将为结构设计提供有益的指导,以实现高效、环保的钙钛矿可穿戴电子器件。

CLYC晶体探测器在密度测井中的响应特性研究

Cs_(2)LiYCl_(6):Ce(CLYC)作为一类新型闪烁晶体探测器,在辐射安全和放射性测井等方面具有良好的应用前景。为考察CLYC晶体探测器在伽马粒子探测时的响应特性及在密度测井中的应用效果,利用蒙特卡罗数值模拟,对其能量分辨率、不同探测器源距下的探测效率、地层探测深度进行对比分析。根据不同晶体探测器获取的多种密度、岩性与流体情况下的密度测井响应,评价CLYC晶体探测器的应用效果。研究表明:CLYC晶体探测器能量分辨率较高,介于LaBr_(3)、NaI晶体探测器之间;粒子探测效率较低于NaI晶体探测器,但其地层探测深度基本与NaI晶体探测器保持一致。应用CLYC晶体探测器获取的密度响应结果与NaI晶体探测器近似,能够有效应用于地层密度获取。该研究可为测井密度测量时探测器选取提供理论基础。

结晶器液面检测技术改造与应用

连铸结晶器液面检测系统通常采用放射源测量的方式,测量稳定性高,是连铸结晶器自动浇注的重要测量设备。但是放射源在使用一段时间后,会产生衰减,造成探测器接收放射粒子减少,液面检测精度下降,造成在结晶器液面自动控制时产生液面波动,形成夹渣、振痕不均匀,严重时有漏钢、溢钢的风险。为减少放射源衰减对结晶器液面自动控制的影响,对结晶器放射源安装位置、探测器进行改造,增加探测器的接收粒子数,提升测量精度。通过制定探测器维修标准的方法,降低钢水液面设备的故障率,保证了连铸浇铸过程中结晶器内钢水液面自动控制的稳定性。

中子探测用LiInSe_(2)晶体生长及表征

LiInSe_(2)晶体是一种可在室温下探测热中子的新型半导体中子探测材料。本文采用低温合成法,获得大量高纯多晶LiInSe_(2)原料,通过改进生长工艺得到了高质量的红色LiInSe_(2)晶体。通过研究晶体的透过率、夹杂相等,表征了晶体的生长质量,测试晶体对α粒子的响应来研究晶体进行中子探测的可能性。结果表明,晶体的红外透过率为75%,禁带宽度为2.3 eV,夹杂相密度达到2 900个/cm^(2),夹杂相的尺寸在1~10μm左右。测得电阻率在5×10^(11)Ω·cm左右,对α粒子的能量分辨率为55%。

Ⅱ-Ⅵ族多元化合物半导体晶体生长及器件研究进展

Ⅱ-Ⅵ族多元(三元及三元以上)化合物半导体晶体是一类非常重要的光电子材料,多为闪锌矿结构,具有直接跃迁型能带结构。可以通过掺入不同的杂质获得n型或者p型半导体晶体材料。这些晶体具有原子序数大、电阻率高、载流子迁移率寿命积大、光吸收系数好等特点,可用于室温辐射探测器、太阳能电池、法拉第磁性器件等领域。本文介绍了Ⅱ-Ⅵ族多元化合物半导体晶体的结构和物理性质,结合生长方法综述了晶体生长的研究进展,分析讨论了器件的主要应用,并展望了该类晶体材料未来的发展方向。

基于SiPM侧面读出双层半连续晶体的深度测量PET探测器

全身PET成像仪器的发展趋势之一是提高轴向视野,但探测器深度不确定效应对PET仪器空间分辨率的影响随着轴向视野的提高而增加。因此,需研发具有深度测量能力的PET探测器。本文提出了一种采用SiPM阵列侧面读出衰减时间不同的双层半连续晶体的深度测量PET探测器方法,探测器上层是1×4的LYSO晶体阵列,下层是1×4的YSO晶体阵列,每层每根晶体尺寸均为3 mm×6 mm×18 mm。每层单根晶体采用ESR反射膜粘贴,上、下两层晶体通过光学胶耦合。对该探测器性能的实验测量结果表明,探测器可有效区分双层晶体,清晰分辨所有晶体单元。对于上、下两层晶体阵列,平均能量分辨率分别是11.9%和11.7%。探测器对晶体的最佳位置分辨是0.27 mm(FWHM),相比传统端面读出晶体的探测器,此探测器能提供连续深度信息。实验结果表明,本文提出的新型PET探测器可用于实现高性能全身和全景PET扫描仪。

光子晶体负折射效应在糖溶液浓度检测中的应用

探讨了光子晶体负折射效应在糖溶液浓度检测中的应用,在软件中使用时域有限差分法对光在光子晶体中的传播进行了模拟实验。模拟显示:糖溶液的浓度变化与输出功率变化接近线性关系,而线性相关程度受介质柱半径常数的影响。进行了多组参数比对与优化,最终获得了线性度最高的输出功率与糖溶液浓度的对应关系。基于这个对应关系,提出了基于光子晶体负折射效应的糖溶液浓度检测方法并设计了相应的糖溶液浓度检测器。实验结果表明:基于光子晶体的糖溶液浓度检测器具有结构简单、测量精度高、响应速度快、易于与激光器件集成且不受外界电磁环境影响等优点。