基于该滤光器的快响应γ射线探测器的研制

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  γ-n混合辐射场中的强流脉冲γ射线测量是脉冲辐射探测技术研究的重要内容之一.测量中使用的闪烁探测器工作在电流模式,一般使用无机闪烁晶体,以便获得较高的γ射线探测效率和γ-n分辨能力。但目前常用的无机闪烁晶体的时间响应一般在几十到几百ns,不能满足具有更快时间特征的γ射线测量需要.

  20世纪80年代,研究发现BaF2晶体具有0.6ns的快响应成分,该晶体很快在相关研究领域引起高度重视。但BaF2晶体中存在630ns的慢发光成分,大大限制了应用该晶体的探测器性能的提高。为了解决这一问题,国内外陆续发展了几种BaF2晶体荧光慢成分抑制技术,主要有掺镧抑制慢成分产额、加载透射滤光膜、使用盲管光电探测器等。这些方法可在一定程度上抑制慢成分的影响,但效果并不理想.

  本文基于BaF2晶体两种荧光成分光谱中心波长和衰减时间的差异,提出一种采用反射滤光方法的滤光器设计,研制了基于该滤光器的快响应γ射线探测器,并通过实验测量了探测器的响应时间和灵敏度,考核了探测器的综合性能。

  1 BaF2晶体荧光光谱测量与分析
  
  BaF2是一种重要的无机闪烁晶体,具有较高的γ-n分辨本领和很快的发光成分,且抗辐照能力强,因此在混合辐射场快信号测量中具有极高的应用价值。

  BaF2晶体的部分特性参数如表1所列。【表1】
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  本文以2 000Ci的60Co放射源为γ射线激励源,建立如图1所示的光谱测量系统,对BaF2晶体荧光光 谱 特 性 进 行 了 测 量。

  γ射 线 平 均 能 量 为1.25MeV,源强稳定。对相对发光光谱测量而言,无需掌握源强度的准确数据。测量时对人员、单色仪电路及光电倍增管进行辐射屏蔽。【图1】
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  在光谱扫描过程中,放射源及晶体发光都具有很高的稳定性,综合考虑单色仪狭缝、分光光栅和光电倍增管光谱响应等因素,得到BaF2晶体激发光谱如图2所示。【图2】
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  一般认为,闪烁晶体发光中心所发射的荧光能量以发光中心激发态能级与基态能级之差为中心呈高斯分布形式。因此对BaF2晶体的激发光谱可按多个高斯分布之和的形式进行解谱,从而得到其光谱构成,如图3所示,图中实线为经过数据处理后的BaF2晶体光谱,虚线为BaF2晶体发光谱的三个主发光峰拟合谱。【图3】
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  为了便于反映晶体的光谱特征,选取对BaF2晶体光谱进行拟合的函数为高斯函数的变形,即:【1】
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  式中,λ为波长,nm;λc为峰值波长,nm;w为半高宽,nm;A为谱峰高度相对值;f0为本底基线相对值。对处理后数据有,f0=0.

  经以上处理所得BaF2晶体光谱的三个主发光峰波长分别为(198±4)nm,(224±4)nm,(298±4)nm.为了便于研究BaF2晶体各发光成分的相互关系,定义其快慢发光成分的发光强度之比为“快慢比”

  R.对光谱进行波长积分可得到相对发光强度,利用单峰分解谱的相对发光强度,可以得到在任意波长范围λ1~λ2内的晶体发光快慢比R为:【2】
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  式中,f1、f2为两个快成分发光光谱;f3为慢成分发光光谱。计算得图3光谱之快慢比约为0.127.

  特别地,对理想的“短波通”型滤光片(其透过率曲线如图4所示),可以利用式(3)计算其滤光后的晶体发光快慢比:【3】
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  此函数即表征光谱波长小于λ0部分的快慢比,计算结果如图5所示。从图中可以看出,在220nm左右,快慢比达到100左右,而对于实际的波形来说,波长小于220nm的部分慢成分比例已经很小,发光强度和系统噪声相当,考察更短波长光谱的快慢比已失去意义。【图4.图5】
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  一般地,对透射率函数为g(λ)的滤光片,BaF2晶体发光快慢比可用下式表示:【4】
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  利用数值积分方法可以很方便地求出R值,并据此设计滤光系统的通光特性。

  2 反射式滤光器的设计及研制
  
  传统的BaF2晶体光谱调制技术一般采用短波长的紫外滤光膜,该方法的效果并不理想。基于反射滤光方法,即,在对紫外光具有高反射特性的基底表面镀制滤光膜系,使光在通过滤光膜系被基底表面反射的过程中其光谱得到调制,我们设计了具有多次反射和多个光学通道的滤光器。该技术的主要优点是滤光器对远紫外光具有较大的反射率,同时可通过多次反射减小截止波长,提高通光快慢比,从而通过相应的反射光路设计,获得更好的光谱调制性能。

  利用氘灯光源和光谱仪对单片反射膜的光谱响应曲线进行了测量,理论计算了经过反射膜2次、3次、4次反射得到的光谱响应曲线,结果如图6(a)所示。经过4次反射的滤光器样品光谱反射率曲线如图6(b)所示。比较图6(a)与图6(b)可以看出,二者通光范围基本一致,但滤光器样品的实测反射率低于理论值,这是由于光波长越接近真空紫外界限(195nm),空气对光的吸收越强;同时,加工工艺过程中的不确定因素也对其光学性能产生了一定影响。【图6】
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  综合考虑实际应用中对光学效率和晶体发光快慢比的要求以及工程可行性,我们设计了4次反射多通道滤光器,如图7所示。多次反射可以提高快慢比,采用多通道并联的结构可以减小每一个光学通道的光程,从而提高光的传递效率。【图7】
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  对该多通道滤光器实测表明,单片滤光膜的反射率不低于0.8,反射光谱区中心波长在225nm附近,光谱截止区>250nm,在截止区的反射率低于0.02.滤光器的光谱透过率在中心波长附近接近40%,在波长>250nm的光谱区内相对光传递效率已经小于1%.参见图8.图9为经滤光器调制后的BaF2晶体γ射线激发光谱和BaF2晶体本征光谱的比较,可以看到晶体的慢成分基本被滤掉,而快成分保留了约40%.【图8.9】
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  3 基于滤光器和BaF2晶体的γ射线探测器性能测试及研究
  
  3.1探测器研制
  为应用BaF2晶体的荧光快成分,发展快响应无机闪烁探测器技术,基于上述滤光器的设计技术,进行了器件系统集成。通过综合分析滤光器和现有光电器件的性能,采用GD40-ZP型光电管或光电倍增管作为光电转换器件,与滤光器紧凑集成,配合相应的支撑屏蔽结构,研制了γ射线探测器系统,并对其探测性能进行了研究。探测器结构如图10所示。【图10】
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  3.2 时间响应
  考核探测器系统的时间响应特性是评价滤光器性能与实用性的最直接和最重要的手段。利用宇宙射线对探测系统进行了时间响应实验,宇宙射线与闪烁体作用可视为近似的δ信号源,合理调整探测系统灵敏度,可利用捕捉的宇宙射线信号评价探测系统的时间响应和滤光器的作用效果。

  实验采用符合法,布局如图11所示,实验结果如图12所示。【图11.12】
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  与图12(b)相比,图12(a)中可以在波形后沿看到明显的慢成分。

  利用西北核技术研究所提供的四用辐射仪ps通道和脉冲X光机对带滤光器的探测系统时间响应特性进行了测试,测试结果如图13所示。使用PMT的探测系统测量得到的时间响应上升沿约为2ns,半高宽约为4ns;使用光电管的探测系统得到的时间响应上升沿约为0.9ns,半高宽约1.6ns,未见明显的慢成分影响。【图13】
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  3.3 综合性能考核实验
  在西北核技术研究所“晨光号”加速器上进行了探测器系统的综合性能考核实验,实验布局如图14所示。两只同型号光电管相对放置,BaF2晶体置于中间,其中一支光电管与晶体之间放置滤光器,同时利用ST401闪烁体探测器和光电管组成监测探测器,监测源信号。实验获得的结果如图15所示。【图14.15】
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  图15(a)为监测探测器的测量波形,该探测器响应时间约为4.5ns,源脉冲时间宽度大于24ns,可以忽略探测器响应对脉冲形状的影响。图15(b)为带滤光器的BaF2探测器测量波形,与图15(a)中测量波形形状基本一致,而图15(c)为不带滤光器的BaF2探测器测量波形,后沿可见明显的慢成分波形,说明滤光器有效滤除了BaF2晶体的慢响应荧光成分。以图15(a)波形为输入信号,模拟计算了BaF2晶体的时间特性及滤光器的性能。计算模型中,晶体快 慢 成 分 的 衰 减 时 间 常 数 分 别 取0.6ns和630ns,快慢比分别取0.05和40.得到结果如图16所示,其中,图16(a)为BaF2晶体快慢两种成分对输入信号的响应波形及其合成结果,与图15(c)符合良好;图16(b)为带滤光器系统对输入信号的响应结果,与图15(a)、图15(b)相近,充分说明了滤光器的作用效果。【图16】
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  综合考核实验的结果表明,滤光器很好地抑制了BaF2晶体的发光慢成分,探测器系统可以在较复杂的环境下正常工作。

  4 结语
  
  提出了一种反射式紫外带通滤光器的设计思想,研制了应用于BaF2晶体光谱调制的滤光器,将BaF2晶体的荧光快慢成分之比由约0.05提高到40,有效抑制了BaF2晶体荧光慢成分的影响。研制了基于该滤光器的探测器。实验表明, 探测器系统具有ns级的时间响应性能,能够满足快脉冲γ射线探测的需要,为脉冲辐射探测领域提供了一种新的探测器设计方法。

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