CN106772539B - 一种测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在强伽马脉冲背景下测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统及方法，该系统包括、闪烁体、光限幅器、滤光片、光电倍增管、激光光源和数据采集系统。其中，闪烁体、光限幅器、滤光片、光电倍增管依次排列在射线入射的方向上，光电倍增管的信号输出端分出两路信号，一路与数据采集系统的输入端通过信号电缆连接，另一路接入激光光源作为其触发信号。本发明可以实现对强伽马脉冲背景下的弱伽马脉冲的测量，也可以推广应用于脉冲波形后沿的分段测量。

Description

一种测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统及方法

技术领域

本发明属于辐射测量技术领域，尤其涉及一种用于强伽马脉冲背景下准确测量弱伽马脉冲特征的闪烁探测系统及方法。

背景技术

由光电倍增管(PMT)配合闪烁体构成的闪烁探测系统是脉冲辐射场波形测量中应用最广的一类探测系统。其主要组成结构为闪烁体、光收集部分及光电转换器件，它的工作过程是当辐射脉冲进入闪烁体，其中的原子受激产生荧光，利用光收集部件将荧光收集照射到PMT光阴极表面，光子在光阴极上打出光电子，光电子在各倍增极上倍增，被阳极收集输出电流信号，通过测量分析这些电信号的特征对脉冲辐射波形的类别、强度、能量等参数做出诊断。

在空间辐射探测中，伽马暴的探测是一个难点问题。通常的探测方法是：采用塑料闪烁体将伽马射线转换成光信号，再通过光电倍增管将其转化为电信号，电信号被高速ADC采集记录并存储下来。但是，伽马暴往往不是一个时间、数目稳定的单脉冲事件，通常由一连串的伽马脉冲组成，而且每个伽马脉冲之间的强度变化较大，时间间隔较短，甚至达到ns量级。当强伽马脉冲到达时，闪烁体与之相互作用发出的光会使光电倍增管饱和，而饱和后的光电倍增管有μs量级的死时间，无法对之后到达的弱伽马脉冲与闪烁相互作用发出的光进行光电转化，从而无法对弱伽马脉冲进行准确的探测。

脉冲伽马暴辐射场测量实施过程中，要实现对强伽马脉冲背景下的弱伽马脉冲的测量，解决办法可以从两个方面考虑：一方面，在强伽马脉冲到达的时间采用射线屏蔽的手段，使闪烁体不与伽马射线相互作用而发光，然后在弱伽马脉冲到达时移除屏蔽；另一方面，采用一定的光屏蔽手段使强伽马脉冲与闪烁体相互作用而发出的光不能到达光电倍增管，然后在弱伽马脉冲到达时移除屏蔽。考虑到伽马暴的伽马脉冲之间的时间间隔为ns量级，射线屏蔽的方案需要一定厚度的铅砖等伽马射线屏蔽材料，但目前的技术手段很难在ns时间内移除屏蔽，第二种思路中采用的光屏蔽的技术手段需要一种材料在ns量级内控制光的通过与截止，从而使闪烁探测系统能在弱伽马脉冲达到闪烁体时使光能到达光电倍增管，这种能在ns量级内控制光开关的材料是本技术方案中解决强伽马脉冲背景下弱伽马脉冲测量问题的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于在强伽马脉冲背景下准确测量弱伽马脉冲特征的闪烁探测系统及方法，用于解决在强伽马脉冲背景下，光电倍增管因为饱和无法测量之后到达的弱伽马脉冲的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案：提供一种测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统，其特殊之处在于：包括依次排列在射线入射方向上的闪烁体，光限幅器，滤光片，光电倍增管，数据采集系统和激光光源，所述光电倍增管的信号输出端分出两路信号，一路与数据采集系统的输入端通过信号电缆连接，另一路接入激光光源。

上述射线是两个脉冲时间间隔为50ns-200ns的伽马脉冲，每个伽马脉冲的时间宽度为几十纳秒到几百纳秒，强度由强到弱，峰值强度最大相差3个量级。

上述闪烁体的衰减时间在ns量级。

上述激光光源的功率能达到光限幅器所采用的非线性光学材料的限幅阈值，激光光源选用的光的波长与闪烁体峰值波长之差大于50nm。

上述光限幅器为损伤阈值与限幅阈值之比大于4个量级的非线性光学材料，上述光限幅器在光限幅状态时对闪烁体发光波长范围的光的透过率为1％到0.1％。

上述滤光片是一种带通滤光片，能透过闪烁体闪烁光波长范围的光，对闪烁体峰值波长的透过率50％以上，而对激光光源对应波长的光的透过率小于0.001％。

上述数据采集系统由示波器记录信道或高速数据采集电路构成。

本发明还提供一种测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统的方法，包括以下步骤：

1)设计光电探测器：根据将要测量的脉冲辐射波形信号特征，对构成探测器的器件进行设计选型，对预标定灵敏度范围进行计算，并按照预标定范围在相关辐射模拟装置和放射源上对探测器的伽马灵敏度进行刻度；

2)搭建探测系统：闪烁体，光限幅器，滤光片，光电倍增管依次排列在射线入射的方向上，光电倍增管的信号输出端分出两路信号，一路与数据采集系统的输入端通过信号电缆连接，另一路接入激光光源；

3)信号测量过程：

3.1)伽马脉冲信号到达前，激光光源发射激光照射光限幅器，使之达到限幅状态，由于滤光片的存在，激光照射在限幅器上散射的光不能到达光电倍增管的光电面，此时探测器不输出信号；

3.2)当两个的由强到弱的伽马脉冲到达闪烁体时，首先是强伽马脉冲到达，由于光限幅器的限幅作用，强伽马脉冲与闪烁体相互作用发出的光穿过光限幅器时被削弱2-3个量级，只有百分之一到千分之一的光能进入到光电倍增管的光电面，此时光电倍增管探测到信号，同时此信号作为外部触发信号传输到激光光源控制其关闭，激光器关闭，光限幅器的光限幅作用消失；

3.3)当弱伽马脉冲到达闪烁体时，此时光限幅器处于透明状态，探测器探测到的信号是强伽马脉冲之后的弱伽马脉冲产生的信号。

上述触发信号传到激光器的时间与激光器关闭的时间不超过50ns。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、测量技术方面，实现了在强伽马脉冲背景下测量弱伽马脉冲的目的；

2、测量方法方面，采用了光限幅器以达到在ns量级控制光开关的作用，同时具有较高的消光比；

3、测量方法方面，采用了强伽马脉冲信号触发的方式控制激光光源的开关，减小了激光光源开闭的时间误差。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为富勒烯功率光限幅曲线；

图3为富勒烯能量光限幅曲线；

图4为未限幅前的输出波形；

图5为限幅后的输出波形。

图中，1-脉冲伽马射线源，2-闪烁体，3-光限幅器，4-滤光片，5-光电倍增管，6-激光光源，7-数据采集系统。

具体实施方式

下图结合附图说明和具体实施例对本发明进一步说明。

如图1所述，闪烁体为ST401塑料闪烁体，直径φ50mm，厚度3mm，距射线源2m。光电倍增管为ET公司生产的9815系列光电倍增管，数据采集系统为示波器。

当伽马脉冲到达之前，外部激发激光一直对准光限幅器，此时几乎没有光进入到光电倍增管，当强伽马脉冲到达时，探测器探测到信号的同时给控制激光一个关闭触发信号，激光器关闭，光限幅器的光限幅作用消失，此过程在50ns以内的时间完成，完成后探测系统处于正常工作状态，此时弱伽马脉冲到达光电倍增管，弱伽马脉冲的时间-强度关系转化为电流信号传输到示波器被完整地记录下来。图4为未限幅前的输出波形，未采用限幅器前，强伽马脉冲的输出波形峰值是弱伽马峰的100倍以上，采集系统的量程不能兼顾强伽马脉冲波形和弱伽马脉冲波形的测量，图5为限幅后的输出波形，限幅后，强伽马脉冲的输出波形峰值和弱伽马峰的峰值强度在10倍以内，能被一个采集系统同时采集。

光限幅技术是近年来发展起来的一种用于激光防护的新型技术，其技术核心是发明并应用了一些非线性光学材料(包括半导体材料，有机金属化合物、液晶、富勒烯及其衍生物、纳米材料、无机金属团簇化合物等)，这些材料的显著特性是，在外来激光的作用下，随着激发光强的增加，材料的吸收系数随之增大，使光的透过率降低(一般对可见光和近红外光有较强的限幅作用)。以富勒烯为例，文献中研究的限幅方式可分为功率光限幅以及能量光限幅两种，富勒烯功率光限幅曲线见附图2，能量光限幅曲线见附图3，两种方式区别是激光光源提供激光的方式不同，功率光限幅为持续辐照，提供恒定的光功率，能量光限幅测试条件是在532nm波长下的激光，辐照时间8ns条件下的限幅曲线。两种限幅方式下，富勒烯非线性光学材料的限幅原理相同：在可见光和近红外这一宽广的波段范围内，富勒烯分子的激发态吸收截面大于其基态吸收截面，在这一波段范围内的激光激发下，其吸收系数随激光光强的增加而增大，光的透过率显著降低，从而达到了限幅的作用。

Claims (9)

1.一种测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统，其特征在于：包括依次排列在射线入射方向上的闪烁体、光限幅器、滤光片、光电倍增管、数据采集系统和激光光源，所述光电倍增管的信号输出端分出两路信号，一路与数据采集系统的输入端通过信号电缆连接，另一路接入激光光源；

伽马脉冲信号到达前，激光光源发射激光照射光限幅器，使之达到限幅状态，探测器不输出信号；当两个由强到弱的伽马脉冲到达闪烁体时，首先是强伽马脉冲到达，强伽马脉冲与闪烁体相互作用发出的光穿过光限幅器，光电倍增管探测到信号，此信号作为外部触发信号传输到激光光源控制其关闭，激光器关闭，光限幅器的光限幅作用消失；当弱伽马脉冲到达闪烁体时，光限幅器处于透明状态，探测器探测到强伽马脉冲之后的弱伽马脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统，其特征在于：所述射线是两个脉冲时间间隔为50ns-200ns的伽马脉冲，每个伽马脉冲的时间宽度为几十纳秒到几百纳秒，强度由强到弱，峰值强度最大相差3个量级。

3.根据权利要求2所述的测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统，其特征在于：所述闪烁体的衰减时间在ns量级。

4.根据权利要求3所述的测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统，其特征在于：所述激光光源的功率能达到光限幅器所采用的非线性光学材料的限幅阈值，激光光源选用的光的波长与闪烁体峰值波长之差大于50nm。

5.根据权利要求4所述的测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统，其特征在于：所述光限幅器为损伤阈值与限幅阈值之比大于4个量级的非线性光学材料，所述光限幅器在光限幅状态时对闪烁体发光波长范围的光的透过率为1％到0.1％。

6.根据权利要求5所述的测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统，其特征在于：所述滤光片是一种带通滤光片，能透过闪烁体闪烁光波长范围的光，对闪烁体峰值波长的透过率50％以上，而对激光光源对应波长的光的透过率小于0.001％。

7.根据权利要求6所述的测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统，其特征在于：所述数据采集系统由示波器记录信道或高速数据采集电路构成。

8.基于权利要求1～7中任意一项所述测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统的探测方法，包括以下步骤：

1)设计光电探测器：根据将要测量的脉冲辐射波形信号特征，对构成探测器的器件进行设计选型，对预标定灵敏度范围进行计算，并按照预标定范围在相关辐射模拟装置和放射源上对探测器的伽马灵敏度进行刻度；

2)搭建探测系统：闪烁体，光限幅器，滤光片，光电倍增管依次排列在射线入射的方向上，光电倍增管的信号输出端分出两路信号，一路与数据采集系统的输入端通过信号电缆连接，另一路接入激光光源；

3)信号测量过程：

3.1)伽马脉冲信号到达前，激光光源发射激光照射光限幅器，使之达到限幅状态，探测器不输出信号；

3.2)当两个由强到弱的伽马脉冲到达闪烁体时，首先是强伽马脉冲到达，强伽马脉冲与闪烁体相互作用发出的光穿过光限幅器，光电倍增管探测到信号，此信号作为外部触发信号传输到激光光源控制其关闭，激光器关闭，光限幅器的光限幅作用消失；

3.3)当弱伽马脉冲到达闪烁体时，光限幅器处于透明状态，探测器探测到强伽马脉冲之后的弱伽马脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的测量弱伽马脉冲的闪烁探测系统的方法，其特征在于：所述触发信号传到激光器的时间与激光器关闭的时间不超过50ns。