CN110095806A - 一种基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统及方法。其原理是基于电子直线加速器产生的电子束流，通过调节电子束团电荷量，测量不同电荷量下闪烁体光产额，通过闪烁体光产额与电子束团电荷量的线性关系，来确定闪烁体应用于脉冲测量的线性范围和响应上限。本发明为测量闪烁体的响应上限提供了一种新的思路，弥补相关测量方法的空缺，同时该系统运行稳定，电子束流电荷量等参数精确可调，且能量为单能，不需要考虑对不同能量电子的响应问题，测量精度高。

Description

一种基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统及方法。
背景技术
闪烁体被广泛用来测量诸如γ、X射线以及带电粒子等。研究表明闪烁体被γ、X射线以及其他带电粒子激发发出的光并不完全正比于所吸收的能量，发光强度与吸收能量间线性关系的偏差被称为非线性。
闪烁体应用于脉冲辐射测量时，通常认为的光产额与脉冲辐射的强度成正比，从而通过闪烁体的光产额得到脉冲辐射的强度信息。但是，随着脉冲强度的增加，闪烁体的光产额会偏离线性，甚至出现辐照损伤。测量得知不同晶体不同条件下的发光线性范围，对于我们测量不同类型的脉冲辐射强度信息，以及闪烁探测器件的测量范围和灵敏度的标定，具有重要作用。
近年来，随着诸如脉冲强流X射线源装置、自由电子激光(FEL)、激光康普顿散射源(LCS)、超高功率激光等高峰值亮度新型光源的发展和应用，闪烁体在强脉冲条件下的非线性响应问题受到了更大范围的关注：一方面是其对诊断工具提出了新的挑战，特别是闪烁体的非线性效应对诊断形成不利影响，对这一过程的研究有利于精确诊断相关源参数，并为相关应用提供基础；另一方面是这些高亮度短脉冲源也为研究闪烁体的非线性响应特性提供了新的平台和手段，使得定量化精细化研究成为可能。
目前许多研究闪烁体非线性和响应上限的实验主要是基于FEL和高功率激光进行，或者基于脉冲强流X射线源装置进行的。前者主要用于深紫外和软X射线波段，但是该方案无法在MeV电子和γ射线中进行应用；后者受限于脉冲强流X射线源装置运行的稳定性差，测量结果不确定度较高，可重复性较差等问题，也无法满足实际的使用需求。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统及方法，该系统以直线电子加速器产生的脉冲电子束来激发闪烁体，从而建立了闪烁体光产额与电子束流电荷量间的线性关系，实现了闪烁体响应上限的测量，并且该系统运行稳定，电子束流电荷量等参数精确可调，且能量为单能，不需要考虑对不同能量电子的响应问题。
本发明的基本原理是：
本发明中基于电子直线加速器产生的电子束流，通过调节电子直线加速器光阴极驱动激光器功率，实现电子束流电荷量的精确调节，同时利用电子直线加速器上的条形束流位置监测器SBPM作为电荷量的测量设备，实现在线实时电荷量的测量。调节电子束团电荷量从低到高，依次记录下不同电荷量下的波形，利用波形幅值大小与电子束团电荷量间的线性关系和偏离程度，判断闪烁体的响应上限。改变电荷量就相当于改变在闪烁体中的沉积能量，当沉积能量超过一定的阈值，闪烁体就会出现非线性效应。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统，包括电子直线加速器、闪烁体腔室、光电管以及示波器；
待测闪烁体安装在闪烁体腔室内，电子直线加速器出射的电子束流辐照在待测闪烁体上从而激发出光信号，光电管上接收光信号并其转化为电信号，示波器接收光电管发送的电信号。
优选地，为了避免电子束流对光电管的影响，所述光电管在电子束流之外位置设置。
优选地，上述闪烁体腔室是一个铁质腔室，形状为飞机形，包括主腔室以及与主腔室连通的至少一个侧部腔室。需要说明的是：主腔室内安装待测闪烁体。侧部腔室内或出口位置安装光电管。
优选地，上述侧部腔室为两个且以主腔室轴线对称设置，至少一个侧部腔室上安装光电管。
优选地，上述电子直线加速器为光阴极直线电子加速器。
基于上述测量系统，现对采用该测量系统进行闪烁体响应上限测量方法进行描述：
【1】调节电子直线加速器，从而获得待测闪烁体在不同电荷量电子束流辐照下的幅值响应曲线；
【2】利用二阶多项式对步骤【1】的响应曲线进行拟合，从而获得非线性系数；
【3】通过非线性系数计算得到特定非线性程度对应的电荷量阈值；
【4】利用蒙特卡罗模拟的方式计算单粒子沉积能量；
【5】将特定非线性程度对应的电荷量阈值转为电子数，并将电子数和单粒子沉积能量相乘并除以闪烁体体积，获得单位体积总沉积能量，从而实现被测闪烁体响应上限的测量。
相对现有技术，本发明的有益效果有：
1、本发明通过电子直线加速器产生的电子束流作为激发源，由于电子束团的电荷量可以精确调节，意味着激发源强的精确调节，解决了脉冲强流射线源装置使用时测量结果不确定度高，稳定性差的问题，并且也解决了FEL和高功率激光技术无法在MeV电子和γ射线中进行应用的问题。
2、本发明系统设置简单，方法计算过程简单，可以满足众多应用需求下不同类型晶体响应上限的测量。
附图说明
图1是本发明系统的布局示意图；
图2是五种闪烁体在不同电荷量电子束流辐照下的响应曲线；
图3是三种闪烁体进行二阶多项式拟合后的曲线图。
附图标记如下：
1-电子直线加速器、2-闪烁体腔室、21-主腔室、22-侧部腔室、3-待测闪烁体、4-光电管、5示波器。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进行更为详尽的阐述。
如图1所示，一种基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统，包括电子直线加速器、闪烁体腔室、光电管以及示波器；
闪烁体腔室为铁质材料制成，其包括主腔室以及与主腔室连通的至少一个侧部腔室。主腔室内安装待测闪烁体，侧部腔室内或出口位置安装光电管，当侧部腔室为两个时，可以采用两个光电管(本例中采用一个光电管)。
电子直线加速器出射的电子束流辐照在待测闪烁体上从而激发出光信号，光电管上接收光信号并其转化为电信号，示波器接收光电管发送的电信号。本例中电子直线加速器为光阴极直线电子加速器。
基于上述系统，本实施例对于五种不同的闪烁体的响应上限进行了测量：所测量的闪烁体为两种氧化物闪烁体LSO、PbWO4、两种氟化物闪烁体BaF2、CeF3以及一种塑料闪烁体EJ232，所选晶体为直径5cm，厚1cm的圆柱形晶体。
实验中光阴极直线电子加速器的电子束流直径约2mm，脉宽10ps，能量为70MeV。实验中光阴极直线电子加速器的电荷量调节范围从20pC到850pC；测量时标定：100pC以内每20pC测量一个点，100pC以上每50pC测量一个点；本例中采用Tek示波器DPO5054记录波形。
具体测量方法如下：
步骤【1】调节光阴极直线电子加速器，从而获得五种闪烁体在不同电荷量电子束流辐照下的幅值响应曲线，如图2所示，其中EJ232晶体在600pC电荷量时出现辐照损伤，其余闪烁体未出现辐照损伤，但均出现不同程度的非线性响应情形。
【2】利用二阶多项式对步骤【1】的响应曲线进行拟合，从而获得非线性系数；如图3所示，利用二阶多项式对实验数据进行拟合(以三种晶体为例)，即y＝Ax(1-Bx)+C，从图中可以清楚得看到响应曲线偏离直线，二阶项即为非线性项，二阶项系数B即为非线性系数，即随着电子束流电荷量的增加，光产额偏离线性的程度不断增加。五种闪烁体的非线性系数如表1的第一列数值所示。
【3】通过非线性系数计算得到特定非线性程度(即就是拟合后的响应曲线偏离直线的程度)对应的电荷量阈值(本例中采用非线性程度为5％，其具体计算方式是：非线性程度/非线性系数＝电荷量)；五种闪烁体的电荷量阈值如表1的第二列数值所示。
【4】利用蒙特卡罗模拟的方式计算一个70MeV的电子在不同闪烁体中所沉积的能量，表中单粒子沉积能量为蒙特卡罗模拟计算结果；五种闪烁体的单粒子沉积能量如表1的第三列数值所示。
【5】将非线性程度对应的电荷量阈值转为电子数，并将电子数和单粒子沉积能量相乘并除以闪烁体体积，获得单位体积总沉积能量，五种闪烁体的单位体积总沉积能量如表1第四列数值所示。从而实现被测闪烁体响应上限的测量。
表1
从表中可以看到，PbWO4和LSO晶体对应的能量阈值较高，而CeF3与BaF2晶体对应能量阈值较低，EJ232塑料闪烁体对应能量阈值最低，最易产生非线性效应，且该实验条件下会出现辐照损伤效应。

Claims (6)

1.一种基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统，其特征在于：
包括电子直线加速器、闪烁体腔室、光电管以及示波器；
待测闪烁体安装在闪烁体腔室内，电子直线加速器出射的电子束流辐照在待测闪烁体上从而激发出光信号，光电管上接收光信号并其转化为电信号，示波器接收光电管发送的电信号。
2.根据权利要求1所述的基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统，其特征在于：光电管在电子束流之外位置设置。
3.根据权利要求2所述的基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统，其特征在于：所述闪烁体腔室包括主腔室以及与主腔室连通的至少一个侧部腔室，主腔室内安装待测闪烁体，侧部腔室用于安装光电管。
4.根据权利要求3所述的基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统，其特征在于：所述侧部腔室为两个且以主腔室轴线对称设置，至少一个侧部腔室上安装光电管。
5.根据权利要求4所述的基于电子束流的闪烁体响应上限测量系统，其特征在于：所述电子直线加速器为光阴极直线电子加速器。
6.一种基于电子束流的闪烁体响应上限测量方法，其特征在于，采用如权利要求5所述测量系统，通过以下步骤实现测量：
【1】调节电子直线加速器，从而获得待测闪烁体在不同电荷量电子束流辐照下的幅值响应曲线；
【2】利用二阶多项式对步骤【1】的响应曲线进行拟合，从而获得非线性系数；
【3】通过非线性系数计算得到特定非线性程度对应的电荷量阈值；
【4】利用蒙特卡罗模拟的方式计算单粒子沉积能量；
【5】将非线性程度对应的电荷量阈值转为电子数，并将电子数和单粒子沉积能量相乘并除以闪烁体体积，获得单位体积总沉积能量，从而实现被测闪烁体响应上限的测量。
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