Gd3(Al,Ga)5O12∶Ce闪烁屏的同步辐射X射线成像研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0176

摘要/Abstract

摘要： Gd₃（Al，Ga）₅O₁₂∶Ce（GAGG）闪烁体综合性能优异，是高空间分辨率闪烁屏的重要候选材料。探究GAGG闪烁屏空间分辨率的影响因素是一项重要且极具挑战的任务。本工作制备了一系列GAGG单晶闪烁屏，测试了其光学与闪烁性能，通过Geant4模拟计算了理论空间分辨率，在上海同步辐射光源（SSRF）BL13HB光束线站开展了成像试验。结果表明，GAGG闪烁屏对生物组织与工业芯片具有优异的成像效果。GAGG闪烁屏的理论空间分辨率为0.4 μm，本实验最高可实现0.9 μm（555 lp/mm）。对比发现，闪烁屏厚度在0.3~1 mm变化不会对空间分辨率产生显著影响，空间分辨率对闪烁屏的表面状态和光学透过率更敏感。因此，在后续制备GAGG闪烁屏的过程中，可不用过分追求超薄厚度，而应将更多注意力放在如何提高单晶光学质量，比如优化生长工艺，减少包裹体；改进抛光工艺，提升闪烁屏表面光洁度。

关键词: GAGG∶Ce; 石榴石; 闪烁体; 闪烁屏; X射线成像; 空间分辨率

Abstract: Gd₃（Al，Ga）₅O₁₂∶Ce （GAGG） scintillators， characterized by high density （6.63 g/cm³）， high light yield （>58 000 ph/MeV）， fast decay time （～90 ns）， and stable physicochemical properties， are promising candidates for high spatial resolution X-ray imaging scintillation screens. Determining the spatial resolution limit of the GAGG scintillation screen and approaching this limit cost-effectively is a significant yet challenging task. In this work， GAGG single crystals without co-doping and with Mg or Yb co-doping were grown by the Czochralski method. A series of GAGG scintillation screens were prepared by cutting and polishing， and their optical and scintillation properties were systematically characterized. The theoretical spatial resolution was calculated via Geant4 simulations， and imaging experiments were conducted at the BL13HB beamline of the Shanghai Synchrotron Radiation Facility （SSRF）. Experimental studies confirm that GAGG scintillation screens exhibit superior imaging performance in X-ray applications， particularly beneficial for medical imaging and industrial nondestructive inspection applications. The theoretical spatial resolution of GAGG scintillation screens is 0.4 μm， whereas our experiment attained 0.9 μm （555 lp/mm）， a performance level that aligns with current state-of-the-art systems in the field. Comparative analysis reveals that spatial resolution exhibits limited variation with screen thickness in the 0.3~1 mm range， but shows greater sensitivity to surface conditions and optical transmittance. Therefore， in fabricating high-resolution GAGG scintillation screens， excessive reduction in thickness below practical thresholds is unnecessary. Efforts should prioritize improving crystalline optical quality through growth process optimization （inclusion suppression） and polishing technique refinement （surface roughness control）.

Key words: GAGG∶Ce; garnet; scintillator; scintillation screen; X-ray imaging; spatial resolution

中图分类号:

O734

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图/表 9

图1 GAGG闪烁屏照片

Fig.1 Photograph of GAGG scintillation screens

表1 样品编号、成分、厚度及加工信息

Table 1 Sample ID with composition， thickness and processing details

Sample ID	Composition	Thickness/mm	Processing
GAGG-0.3D	GAGG∶1%Ce	0.3	Double-sided polishing
GAGG-1D	GAGG∶1%Ce	1.0	Double-sided polishing
GAGG-1DMg	GAGG∶1%Ce， 0.3%Mg	1.0	Double-sided polishing
GAGG-1DYb	GAGG∶1%Ce， 0.2%Yb	1.0	Double-sided polishing
GAGG-0.3S	GAGG∶1%Ce	0.3	Single-sided polishing
GAGG-0.3N	GAGG∶1%Ce	0.3	No polishing

图2 光学与闪烁性能测试结果。（a）X射线激发发射谱；（b）透射谱；（c）脉冲高度谱；（d）闪烁衰减曲线

Fig.2 Optical and scintillation performance test results. （a） X-ray excited luminescence spectra；（b） transmission spectra；（c） pulse height spectra；（d） scintillation decay curves

表2 部分闪烁屏的性能参数

Table 2 Performance parameters of scintillation screens

Sample ID	XEL peak/nm	Transmission@ 530 nm/%	Full energy peak	FWHM	Energy resolution/%	Scintillation decay/ns
GAGG-1D	532	87	461	35.1	7.6	113
GAGG-1DMg	537	83	372	36.0	9.7	63
GAGG-1DYb	532	82	345	29.1	8.4	65

图3 Geant4模拟结果

Fig.3 Geant4 simulation results

图4 闪烁屏的X射线成像结果。（a）、（c） GAGG-0.3D；（e）、（g） GAGG-1D；（b）、（d）、（f）、（h）局部放大图及灰度曲线

Fig.4 X-ray imaging photographs of scintillation screens. （a），（c） GAGG-0.3D；（e），（g） GAGG-1D；（b），（d），（f），（h） the local magnifications and grayscale values of the corresponding photographs

图5 闪烁屏的X射线成像结果。（a）GAGG-0.3S；（b）GAGG-0.3N，单位：lp/mm

Fig.5 X-ray imaging photographs of scintillation screens. （a） GAGG-0.3S；（b） GAGG-0.3N， the unit is lp/mm

图6 闪烁屏的X射线成像结果。（a）、（c）GAGG-1DMg；（d）、（f）GAGG-1DYb；（b）、（e）局部放大图及灰度曲线

Fig.6 X-ray imaging photographs of scrntillation screens. （a），（c） GAGG-1DMg；（d），（f） GAGG-1DYb；（b），（e） the local magnifications and grayscale values of the corresponding photographs

图7 实物的X射线成像照片。（a）实物照片；（b）、（c）芯片X射线成像；（d）~（f）鱼X射线成像

Fig.7 Object X-ray imaging photographs. （a） Photograph of object；（b），（c） X-ray imaging photographs of chip；（d）~（f） X-ray imaging photographs of fish

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Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂∶Ce闪烁屏的同步辐射X射线成像研究

X-Ray Imaging Performance of Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂∶Ce Scintillation Screens under Synchrotron Radiation

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