CN108051842A - 闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及一种测量闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统以及测量方法。包括暗箱、光谱仪、位于光谱仪进光口端的第一光电倍增管与放射源及位于光谱仪出光口端的第二光电倍增管，光谱仪、第一光电倍增管、放射源及第二光电倍增管均位于暗箱内；还包括位于暗箱外的高压电源、第一前置放大器与恒比定时器、第二前置放大器与恒比定时器、延时器、时幅转换器、多道分析器及计算机；解决了通过加速器获得的时间分辨激发光谱时，其时间分辨率受加速器脉冲宽度限制，且在测试过程中，引起材料闪烁性能的变化导致测试结果不准确的问题。

Description

闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及一种测量闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统以及测量方法。
背景技术
光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列，根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。因此，物质的光谱特征是表征物质材料特性的一个非常重要的参数。
物质的光谱特征可以分为发射光谱、吸收光谱以及散射光谱，对于闪烁体辐射探测器来说，其发射光谱极为重要。其发射光谱是否和后端光电器件匹配，决定了该探测器灵敏度的高低；发射光谱的强度体现了闪烁体的发光强度，而发射光谱的不同成分体现闪烁体内部的缺陷能级的信息。
如果将时间信息和光谱信息耦合进来的话，我们获得的就是时间分辨的发射光谱。相对于静态光谱而言，时间分辨光谱能够体现很多静态光谱体现不了的光谱动力学信息。通过时间分辨的发射光谱，我们可以诊断闪烁体被激发的一系列动力学过程(比如能级寿命等)，并基于时间分辨的发射光谱所体现出来的信息，对其发光行为进行一系列调控。
目前在时间分辨光谱方面，绝大部分报道所用的激发源是激光，而用X射线、电子或者重离子激发的研究较少。因为可以使用激光器轻松获得激光以及调控激光的强弱、波长以及脉冲宽度。但是晶体对不同的激发源的激发机理不同，所以采用X射线、电子或者重离子激发的闪烁特性依然具有很高的研究价值，但是上述射线一般是使用加速器来产生的。文献“Time resolved spectroscopy of Luminescence Induced by a Pulse IonBeam”及“Ion-induced Luminescence of Alumina with Time-resolved Spectroscopy”报道了加速器上测量重离子激发的时间分辨光谱(如图1)，在上述报道中，加速器产生的脉冲束流半宽度为1.5ns(如图2)，难以满足时间分辨率的要求。同时，加速器上面产生的脉冲束流的强度较强，在测试过程中，可能会由于离子注量的积累而改变材料闪烁特性(如图3)，影响测得光谱的准确性。目前而言，尚未见闪烁晶体被单粒子激发时间分辨光谱的报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种测量闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，同时提供一种基于该系统的测量方法，解决了通过加速器获得的时间分辨激发光谱时，其时间分辨率受加速器脉冲宽度限制，且在测试过程中，引起材料闪烁性能的变化导致测试结果不准确的问题。
本发明的技术解决方案是提供一种闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，其特殊之处在于：包括暗箱、光谱仪、位于光谱仪进光口端的第一光电倍增管与放射源及位于光谱仪出光口端的第二光电倍增管，上述光谱仪、第一光电倍增管、放射源及第二光电倍增管均位于暗箱内；
还包括位于暗箱外的高压电源、第一前置放大器与恒比定时器、第二前置放大器与恒比定时器、延时器、时幅转换器、多道分析器及计算机；
待测晶体位于光谱仪进光口的几何中心；
上述高压电源用于给第一光电倍增管以及第二光电倍增管提供电压；
上述放射源用于激发待测晶体，待测晶体发出的部分光进入第一光电倍增管；部分光通过进光口进入光谱仪；
上述第一光电倍增管用于检测待测晶体发出的光信号，并在测到待测晶体发出的光信号的时刻输出一个脉冲信号；
上述光谱仪用于根据计算机设定的波长将待测晶体发出的光过滤；
上述第二光电倍增管用于检测经光谱仪过滤的光信号，并在接收到光谱仪过滤后的光的时刻输出一个脉冲信号；
上述第二前置放大器与恒比定时器用于将第二光电倍增管的脉冲信号放大，并在信号幅度达到设定阈值时，输出一路定时信号；
上述延时器用于将第二前置放大器与恒比定时器输出的定时信号进行延时，并输入至时幅转换器；
上述第一前置放大器与恒比定时器用于将第一光电倍增管的脉冲信号放大，并在信号幅度达到设定阈值的时候，输出另一路定时信号；
上述时幅转换器用于将两路定时信号的时间差转换为幅度并输出到多道分析器；
上述计算机用于接收并处理多道分析器的信号。
优选地，上述放射源为同位素源，活度大于等于103bq小于等于107bq。
优选地，上述第一光电倍增管为高量子效率的光电倍增管，在300-400nm内的量子效率高于10％，放大倍数大于1×105。
优选地，第二光电倍增管为快响应的光电倍增管，渡越时间弥散小于1ns，且越小越好。
优选地，暗箱内部涂有黑色涂料或者衬有黑色绒布。
优选地，上述暗箱上设有开孔或转接口。
本发明还提供一种闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量方法，包括以下步骤：
步骤一：同位素放射源放射粒子激发待测晶体；
步骤二：待测晶体被激发发光，其中部分光进入光谱仪，部分光进入第一光电倍增管；
步骤三：设定光谱仪过滤波长，光谱仪将非设定波长的光过滤，得到设定波长的光进入第二光电倍增管，第二光电倍增管将光信号转换为电信号，并在接收到光谱仪过滤后的光的时刻t2输出一个脉冲信号；
第一光电倍增管检测待测晶体发出的部分光信号，并在测到待测晶体发出的光信号的时刻t1输出一个脉冲信号至第一前置放大器与恒比定时器；
步骤四：第二前置放大器与恒比定时器接收第二光电倍增管输出的脉冲信号，并将该脉冲信号放大，并在信号幅度达到设定阈值时，输出一路定时信号至延时器；
第一前置放大器与恒比定时器将第一光电倍增管的脉冲信号放大，并在信号幅度达到设定阈值时，输出另一路定时信号至时幅转换器；
步骤五：延时器将第二前置放大器与恒比定时器输出的定时信号根据设定的延时时间进行延时，并输入至时幅转换器；
步骤六：时幅转换器将两路定时信号的时间差转换为幅度并输出到多道分析器；
步骤七：多道分析器采集数据，当采集到的波形达到要求后，保存数据，并记录采集时间T，并将T作为其它波长时多道分析器的数据采集时间；
步骤八：改变光谱仪的过滤波长，重复步骤三至步骤七；
步骤九：当需要的波长数据采集完成后，将采集的数据根据第二光电倍增管的光谱灵敏度曲线进行修正，得到单粒子激发下的晶体时间分辨光谱。
优选地，第二前置放大器与恒比定时器放大信号幅度的阈值根据第二光电倍增管的信号幅度进行设置，保留信号信息，去除噪声信息；
第一前置放大器与恒比定时器放大信号幅度的阈值根据第一光电倍增管的信号幅度进行设置，保留信号信息，去除噪声信息。
优选地，延时器的延时时间根据时幅转换器的信号幅度进行设定，S＝a*[(t1-t2)+t3+t4]，其中S为时幅转换器的输出幅度，a为时幅转换系数，t1为第一光电倍增管输出信号时刻，t2为第二光电倍增管输出信号时刻，t3为探测系统中的其他因素带来的时间差，t4是延时器的延时；通过调整延时器的延时时间t4，使得多道分析器有效记录数据。
优选地，光谱仪的过滤波长为待测晶体的光谱中峰值所在波长的附近。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种测量闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，并首次获得了单粒子激发的时间分辨光谱；
2、本发明提供的一种测量闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，相对于加速器获得的时间分辨激发光谱而言，其时间分辨率不受加速器脉冲宽度限制，系统时间分辨率高；
3、本发明提供的一种测量闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，相对于加速器获得的时间分辨激发光谱而言，由于入射束流为单粒子，相对于加速器束流弱很多，不会引起材料闪烁性能的变化，能够获得更真实的数据。
附图说明
图1为加速器上测试时间分辨的激发光谱的示意图；
图2为加速器上脉冲波形，脉宽为1.5ns；
图3为材料的离子激发发光光谱随入射离子注量积累而变化的过程；
图4为本发明一个实施例测量闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统示意图；
图5为ZnO:Ga被241Am放出的α粒子激发的时间分辨光谱。
图中，1-第一光电倍增管，2-第二光电倍增管，3-高压电源，4-暗箱，5-光谱仪，6-放射源，7-进光口，8-待测晶体，9-出光口，10-第一前置放大器与恒比定时器，11-时幅转换器，12-延时器，13-多道分析器，14-计算机，15-第二前置放大器与恒比定时器；
21-前置放大器、22-前置放大器、23-光电倍增管、24-光谱仪、25-光窗、26-高压源、27-电脑、28-多道、29-时幅转换器、30-样品、31-准直、32-粒子束流、33-电流表、34-收集环、35-腔室。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
以下实施例参照图4，可以看出测量闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统主要包括第一光电倍增管1，第二光电倍增管2，高压电源3，暗箱4，光谱仪5，放射源6，进光口7，出光口9，第一前置放大器与恒比定时器10、第二前置放大器与恒比定时器15，时幅转换器11，延时器12，多道分析器13，计算机14。
实验简单而言是将光谱仪耦合入传统单光子测量系统中，充当过滤不同光成分的效果，具体实现在以下阐述中体现。
第一光电倍增管1为高量子效率的光电倍增管，在整个系统中作为提供稳定起始信号的作用，因此要保证高量子效率，同时放大倍数不能太低。第二光电倍增管2为快响应的光电倍增管，在检测到光信号后要在某特定时间段(该时间段越短越好)输出一个脉冲信号(该脉冲前沿越快越好)，因此需要快响应的光电倍增管，同时渡越时间弥散越小越好，实验过程中暗箱4紧闭以尽量减少外界光源干扰。
两个高压电源3，分别为第一光电倍增管1以及第二光电倍增管2提供电压。暗箱4内部涂有黑色涂料或者衬有黑色绒布，目的为吸收杂散光。暗箱4内外信号传输可以通过在暗箱4上安装转接口或者在暗箱4上开信号电缆大小的孔来实现。光谱仪5将待测晶体8发的光经过过滤，只允许设定波长的光通过被第二光电倍增管2收集到。放射源6，一般为轻便易于操作的同位素源，材料取决于其产生的粒子种类以及半衰期，由于本发明测试的是单粒子光谱，因此同位素源的活度不能太高，一般来说不能高于107bq，当然也不能太低，太低的话将导致整个实验周期变长，一般来说不能低于103bq。待测晶体8位于进光口7几何中心，待测晶体8被放射性同位素源放出的粒子激发后，发光的一部分经进光口7进入光谱仪5，经光谱仪5选择后的特定波长的光经过出光口9被第二光电倍增管2接收；发光的另一部分进入第一光电倍增管1。
第一前置放大器与恒比定时器10及第二前置放大器与恒比定时器15在系统中的作用分别是将第一光电倍增管1以及第二光电倍增管2的信号进行放大，并在信号幅度达到某特定阈值的时候，输出一个定时信号；延时器12的作用是将与第二前置放大器与恒比定时器15输出的信号进行延时，并输入到时幅转换器11，这样的话可以防止两路定时信号之间的时间间隔过短而导致时幅转换器11输出信号幅度过低的情况；延时器12的具体延时多少要根据实际情况而定。时幅转换器11的作用为将两路定时信号的时间差转换为幅度并输出到多道分析器13，两路定时信号的时间差越长，输出信号幅度越大。计算机14用于接收多道分析器13的信号，同时可以通过软件控制光谱仪5过滤出需要的波长的光。
本发明的具体工作过程如下(以图4为例进行说明)：
1、将第一光电倍增管1、第二光电倍增管2、高压电源3、光谱仪5、放射源6和待测晶体8按照图4所示摆放好，相关电缆连接好，并置于暗箱4中。
2、第一前置放大器与恒比定时器10、第二前置放大器与恒比定时器15、时幅转换器11、延时器12、多道分析器13以及计算机14按照图4的样子连接好。
3、操作两个高压电源3，给第一光电倍增管1以及第二光电倍增管2施加高压，使之处于工作状态。
4、根据第一光电倍增管1以及第二光电倍增管2的信号幅度，设置好两个前置放大器与恒比定时器的阈值，设置好延时器12的延迟时间，通过计算机14将光谱仪5的过滤波长设置为待测晶体8的光谱中峰值所在波长附近(这里的光谱数据可以查找相关文献。一般而言，不同激发源激发的发光光谱峰值位置不会有大的不同)。
5、同位素放射源6放射粒子激发待测晶体8；
6、待测晶体8被激发发光，其中部分光进入光谱仪5，部分光进入第一光电倍增管1；
7、设定光谱仪5过滤波长，光谱仪5将非设定波长的光过滤，得到设定波长的光进入第二光电倍增管2，第二光电倍增管2将光信号转换为电信号，并在设定时间段输出一个脉冲信号；
第一光电倍增管1检测待测晶体8发出的部分光信号，并在设定时间段输出一个脉冲信号至第一前置放大器与恒比定时器10；
8、第二前置放大器与恒比定时器15接收第二光电倍增管2输出的脉冲信号，并将该脉冲信号放大，并在信号幅度达到设定阈值时，输出一路定时信号至延时器12；
第一前置放大器与恒比定时器10将第一光电倍增管1的脉冲信号放大，并在信号幅度达到设定阈值时，输出另一路定时信号至时幅转换器11；
9、延时器12将第二前置放大器与恒比定时器15输出的定时信号根据设定的延时时间进行延时，并输入至时幅转换器11；
10、时幅转换器11将两路定时信号的时间差转换为幅度并输出到多道分析器13；
11、通过计算机14控制多道分析器13，采集数据，在采集到的波形达到要求后，保存数据，并记下采集时间T，并将T作为其它波长时多道分析器13的数据采集时间。
12、通过计算机14控制光谱仪5，改变光谱仪5的过滤波长，并控制多道分析器13采集下一个波长的数据。
13、采集了我们所需要的波长的数据，将其汇总，并根据光电倍增管2说明书中的光谱灵敏度曲线进行修正后，将会得到波长、时间以及强度耦合分布的数据，也就是单粒子激发下的晶体时间分辨光谱(如图5，为ZnO:Ga被241Am放出的α粒子激发的时间分辨光谱)，我们可以在里面分析出不同成分光的时间行为。
本发明的原理是：
光谱仪5具有过滤光的作用，能够将我们需要的光成分提取出来，将它与传统单光子计数测量晶体衰减时间的系统耦合到一起，便能获得特定波长光的时间行为，将不同波长光的时间行为进行整理，便能够获得晶体的时间分辨光谱。
采用低活度(<107bq)同位素源，可以认为粒子是被单个粒子激发，而粒子与晶体作用过程通常很快，在皮秒量级(ps)i。因此在单粒子激发的情况下，可以将激发源近似视为δ脉冲，系统的时间分辨率相对于用加速器产生脉冲束流的情况下大大提升。

Claims (10)

1.一种闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，其特征在于：包括暗箱(4)、光谱仪(5)、位于光谱仪(5)进光口(7)端的第一光电倍增管(1)与放射源(6)及位于光谱仪(5)出光口(9)端的第二光电倍增管(2)，所述光谱仪(5)、第一光电倍增管(1)、放射源(6)及第二光电倍增管(2)均位于暗箱(4)内；
还包括位于暗箱(4)外的高压电源(3)、第一前置放大器与恒比定时器(10)、第二前置放大器与恒比定时器(15)、延时器(12)、时幅转换器(11)、多道分析器(13)及计算机(14)；
待测晶体(8)位于光谱仪(5)进光口(7)的几何中心；
所述高压电源(3)用于给第一光电倍增管(1)以及第二光电倍增管(2)提供电压；
所述放射源(6)用于激发待测晶体(8)，待测晶体(8)发出的部分光进入第一光电倍增管(1)；部分光通过进光口(7)进入光谱仪(5)；
所述第一光电倍增管(1)用于检测待测晶体(8)发出的光信号，并在测到待测晶体(8)发出的光信号的时刻输出一个脉冲信号；
所述光谱仪(5)用于根据计算机(14)设定的波长将待测晶体(8)发出的光过滤；
所述第二光电倍增管(2)用于检测经光谱仪(5)过滤的光信号，并在接收到光谱仪(5)过滤后的光的时刻输出一个脉冲信号；
所述第二前置放大器与恒比定时器(15)用于将第二光电倍增管(2)的脉冲信号放大，并在信号幅度达到设定阈值时，输出一路定时信号；
所述延时器(12)用于将第二前置放大器与恒比定时器(15)输出的定时信号进行延时，并输入至时幅转换器(11)；
所述第一前置放大器与恒比定时器(10)用于将第一光电倍增管(1)的脉冲信号放大，并在信号幅度达到设定阈值的时候，输出另一路定时信号；
所述时幅转换器(11)用于将两路定时信号的时间差转换为幅度并输出到多道分析器(13)；
所述计算机(14)用于接收并处理多道分析器(13)的信号。
2.根据权利要求1所述的闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，其特征在于：所述放射源(6)为同位素源，所述同位素源的活度大于等于103bq小于等于107bq。
3.根据权利要求2所述的闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，其特征在于：所述第一光电倍增管(1)为高量子效率的光电倍增管，放大倍数大于1×105。
4.根据权利要求3所述的闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，其特征在于：第二光电倍增管(2)为快响应的光电倍增管，渡越时间弥散小于1ns。
5.根据权利要求4所述的闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，其特征在于：暗箱(4)内部涂有黑色涂料或者衬有黑色绒布。
6.根据权利要求5所述的闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量系统，其特征在于：所述暗箱(4)上设有开孔或转接口。
7.一种闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：同位素放射源(6)放射粒子激发待测晶体(8)；
步骤二：待测晶体(8)被激发发光，其中部分光进入光谱仪(5)，部分光进入第一光电倍增管(1)；
步骤三：设定光谱仪(5)过滤波长，光谱仪(5)将非设定波长的光过滤，得到设定波长的光进入第二光电倍增管(2)，第二光电倍增管(2)将光信号转换为电信号，并在接收到光谱仪(5)过滤后的光的时刻T2输出一个脉冲信号；
第一光电倍增管(1)检测待测晶体(8)发出的部分光信号，并在测到待测晶体(8)发出的光信号的时刻T1输出一个脉冲信号至第一前置放大器与恒比定时器(10)；
步骤四：第二前置放大器与恒比定时器(15)接收第二光电倍增管(2)输出的脉冲信号，并将该脉冲信号放大，并在信号幅度达到设定阈值时，输出一路定时信号至延时器(12)；
第一前置放大器与恒比定时器(10)将第一光电倍增管(1)的脉冲信号放大，并在信号幅度达到设定阈值时，输出另一路定时信号至时幅转换器(11)；
步骤五：延时器(12)将第二前置放大器与恒比定时器(15)输出的定时信号根据设定的延时时间进行延时，并输入至时幅转换器(11)；
步骤六：时幅转换器(11)将两路定时信号的时间差转换为幅度并输出到多道分析器(13)；
步骤七：多道分析器(13)采集数据，当采集到的波形达到要求后，保存数据，并记录采集时间T，并将T作为其它波长时多道分析器(13)的数据采集时间；
步骤八：改变光谱仪(5)的过滤波长，重复步骤三至步骤七；
步骤九：当需要的波长数据采集完成后，将采集的数据根据第二光电倍增管(2)的光谱灵敏度曲线进行修正，得到单粒子激发下的晶体时间分辨光谱。
8.根据权利要求7所述的闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量方法，其特征在于：
第二前置放大器与恒比定时器(15)放大信号幅度的阈值根据第二光电倍增管(2)的信号幅度进行设置，保留信号信息，去除噪声信息；
第一前置放大器与恒比定时器(10)放大信号幅度的阈值根据第一光电倍增管(1)的信号幅度进行设置，保留信号信息，去除噪声信息。
9.根据权利要求8所述的闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量方法，其特征在于：延时器(12)的延时时间根据时幅转换器的信号幅度进行设定，S＝a*[(t1-t2)+t3+t4]，其中S为时幅转换器的输出幅度，a为时幅转换系数，t1为第一光电倍增管输出信号时刻，t2为第二光电倍增管输出信号时刻，t3为探测系统中的其他因素带来的时间差，t4是延时器的延时；通过调整延时器(12)的延时时间t4，使得多道分析器(13)有效记录数据。
10.根据权利要求9所述的闪烁晶体单粒子激发时间分辨光谱的测量方法，其特征在于：光谱仪(5)的过滤波长为待测晶体(8)的光谱中峰值所在波长的附近。
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