针对地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）空间粒子辐射对卫星在轨运行时产生的电离总剂量效应，将高性能铈掺杂硅酸钇镥（LYSO：Ce）晶体与铝层结合，来屏蔽质子辐照影响，实现电子辐射剂量的有效探测。基于Geant4建立探测器模型，比较不同材料的屏蔽效果，分析探测器响应特性，研究影响探测器输出响应的因素。结果表明：使用0.022 mm厚的铝层作为屏蔽层包裹光纤，可排除质子辐照影响；基于LYSO：Ce晶体的探测器具有较好的线性响应，电子穿越屏蔽层时产生的次级电子、光子可以提高探测器响应灵敏度；物质对电子的电离阻止本领与入射电子速度的平方近似成反比，适当增加电子与探测器之间传输距离，可增强探测器的辐射响应；探测器对能量区间在0.04~1 MeV的电子探测效率最高。通过研究LYSO：Ce晶体与铝层结合的电子辐射剂量探测器特性，为新型闪烁体空间辐射探测器设计提供技术参考和理论支撑。

闪烁体表面状态将影响其荧光出射强度和空间分辨等闪烁性能, 进而影响辐射探测系统的测试结果。本文通过理论模拟和实验研究等方式, 系统表征了LYSO∶Ce闪烁体被射线激发时在4种表面状态下(双面抛光、仅出射面抛光、仅入射面抛光和双面均不抛光)的荧光强度空间分布, 以及闪烁体厚度对其空间分辨的影响规律。结果表明, 4种状态在法线方向0°的荧光出射相对强度为0.49∶0.64∶0.89∶1, 荧光强度随出射角度增加而逐渐减小。随着表面抛光度的降低, 闪烁体出射荧光空间分布更均匀。闪烁体厚度为0.3、1.0和5.0 mm时, 双面抛光的空间分辨分别为1.70、1.36和1.12 lp/mm, 单面抛光-出射面抛光的空间分辨为1.5、1.2和1.0 lp/mm, 空间分辨随闪烁体厚度增加而降低, 并且双面抛光时空间分辨比单面抛光提升了约12%。

为了满足具有飞行时间技术特点的正电子发射断层扫描仪(TOF-PET)对光输出高、衰减时间短以及上升时间快的Ce∶LYSO闪烁晶体的需要, 本文采用中频感应提拉法生长100 mm×100 mm级Ca∶Ce∶LYSO闪烁晶体。晶体整体无色透明、无包裹体。经过紫外可见分光光度计测试, 晶体透过率接近理论值, 质量较好。将晶体切割研磨抛光后, 分别进行脉冲高度谱、衰减时间能谱等测试。在137Cs放射源激发下, Ca∶Ce∶LYSO晶体的光输出达到33 962 ph/MeV, 能量分辨率为8.6%, 衰减时间达到36.70 ns, 均优于Ce∶LYSO晶体。通过对晶体轴向及尾部径向取样, 相对光输出和能量分辨率不均匀性分别为±2.4%、±9.4%及±1.18%、±6.8%, 证明晶体具有较好的均匀性。

铈掺杂硅酸钇镥(LYSO∶Ce)晶体显示出优异的闪烁性能, 并在核医学、高能物理及安全检查等领域具有广泛应用。本文综述了LYSO∶Ce闪烁晶体的晶体结构、发光机制、晶体生长存在的主要问题以及LYSO∶Ce晶体可能的发展方向。同时, 梳理了LYSO∶Ce晶体生长过程中常见问题及对应的解决方案, 并进一步讨论了Ce3+占位情况以及Ce4+与闪烁性能之间的关系。此外还展示了本团队在LYSO∶Ce晶体生长的最新研究成果, 使用中频感应提拉炉生长出尺寸为95.42 mm×200 mm的LYSO∶Ce闪烁晶体。

采用单光子技术中的延迟符合法原理，搭建了一套闪烁体衰减时间常数测量系统。选取国产的Ce∶LYSO和Ce∶LuAG两种闪烁体各3条进行衰减时间测量，将测试得到的衰减时间常数曲线进行单指数拟合，计算可得,Ce∶LYSO和Ce∶LuAG发光衰减时间常数平均值分别为43.85 ns及56.02 ns。结果表明，该套装置的测试结果与国内外同行其他测量方法得到的结果基本一致。

为了分析材料在低温下的陷阱能级, 获得更多有关缺陷结构的信息, 研制了一套由STM32微控制器为核心的低温热释光发光谱测量系统。 设计了低温样品室,采用液氮冷却样品; STM32通过控制加热电流, 实现样品以恒定速率升温, 从而获得低温热释光发光曲线或三维热释光谱。温度测量范围为85~400 K, 升温速率范围为0.1~10 K/s。设计了由STM32控制X射线及紫外光源的驱动电路, 用于样品的激发。采用高灵敏度CCD实现对三维热释光谱的测量, 采用单光子计数器获取二维热释光发光曲线。利用该系统测试了(Lu,Y)2SiO5∶Ce3+(LYSO∶Ce3+)单晶闪烁体与SrSO4∶Dy3+粉末样品的热释光谱及辐射发光光谱。观察到LYSO∶Ce3+在108, 200, 380 K左右的热释光峰, 发光波长位于390~450 nm之间, 是明显的宽带峰。在低温下由于基质的自陷激子(STE)发射所形成的发射峰在166 K时发生猝灭。在309 K时, Ce3+发射峰展宽为单一发射峰; SrSO4∶Dy3+发光峰温度为178, 385 K, 发光波长由Dy3+离子的能级跃迁决定, 在480, 575, 660, 750 nm处呈现窄带发光峰。结果表明, 系统人机交互界面友好, 实验数据可靠, 智能化程度高, 操作简单。

By aiming the pump wavelength of the laser diode to the absorption peak at 811 nm of the (Nd0:005Lu0:4975Y0:4975)2SiO5 (Nd:LYSO) crystal, an efficient dual-wavelength operation at 1,075 and 1,079 nm is obtained. The maximum output power is 702 mW when the incident pump power is 2.53 W, corresponding to an optical conversion efficiency of 27.7% and a slope efficiency of 37.0%.

将门控分幅相机与快闪烁晶体结合,构成时间分辨X射线诊断系统,对神龙一号直线感应加速器产生的高能脉冲X射线源焦斑进行了测量,在时间间隔为10 ns的情况下,获得了焦斑尺寸随时间的变化曲线。在此基础上,设计了单像素尺寸为0.78 mm×0.78 mm的LYSO闪烁晶体阵列,并进行了X射线照射晶体阵列发光的初步实验,结果表明该阵列可用于高能X射线源焦斑的时间分辨诊断,并能显著提高成像的空间分辨力。