CN112051248A - 基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法及系统。其原理是通过激光激发闪烁材料发光，通过调节激光脉冲能量以及激发光斑的大小实现表面激发密度的变化，进而得到不同激发密度下闪烁材料光产额的非线性响应特性。本发明为测量闪烁材料的非线性响应提供了一种新的思路，弥补相关测量方法的空缺，同时由于激光光源较易得到，且激光参数可实现精确调节，从而使得该系统及方法应用广泛且测量精确度高。

Description

基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法及系统
技术领域
本发明涉及一种闪烁材料荧光效率测量技术，具体涉及一种基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法及系统。
背景技术
闪烁材料被广泛用来测量诸如γ、X射线以及带电粒子等。研究表明闪烁材料被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。测量得知不同闪烁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。
目前许多研究闪烁体光产额非线性响应特性的实验和方法主要是基于脉冲强流X射线源装置或者自由电子激光FEL装置，其可提供足够强的激发源用于闪烁材料非线性响应特性的研究，但是上述相关实验方法和实验系统受限于激发源装置的限制(主要是激发源体积庞大、操作复杂，使用成本较高)，无法满足广泛的使用需求，且测量结果不确定度较高，可重复性较差。
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激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法及系统，该系统以激光激发闪烁材料，通过建立闪烁体光产额与激光激发密度间的关系，实现了闪烁材料非线性响应特性的测量，并且该系统运行稳定，测量精度较高。
本发明的基本原理是：
本发明中利用激光器产生的激光，通过调节激光强度以及闪烁体上激光光斑的大小，实现激发密度的精确调节，利用光电管及示波器依次记录下不同激发密度下闪烁材料的荧光产额，通过闪烁材料归一化荧光产额与激发密度间的线性关系和偏离程度，得到闪烁材料的非线性响应特性。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法,包括以下步骤：
步骤1：利用激光能量计测量激光器出射的激光在不同衰减情况下的激光能量；
步骤2：利用M2光束质量分析仪测量激光光束的质量因子M2，并据此计算出距离激光焦点不同位置处的激光光斑的大小；
步骤3：测量不同激光能量下待测闪烁体的荧光产额；
激光器的出射激光依次通过衰减器、透镜后照射在待测闪烁体上，确保闪烁体上激光光斑大小不变，利用衰减器改变激光的能量，利用光电管和示波器接收记录不同能量激光脉冲激发下待测闪烁体的荧光脉冲波形，将荧光脉冲波形进行时间积分，其归一化数值作为荧光产额，得到待测闪烁体的荧光产额与激光脉冲能量的关系曲线；
步骤4：测量待测闪烁体距激光焦点不同距离下待测闪烁体的荧光产额；
使激光器出射激光的能量不变，通过调节透镜位置改变待测闪烁体距离激光焦点的距离，使得待测闪烁体上激光光斑大小变化，利用光电管和示波器接收记录不同激光光斑大小时，激光脉冲激发下待测闪烁体的荧光脉冲波形，得出荧光产额与待测闪烁体距激光焦点不同距离时的关系曲线；
步骤5：获取待测闪烁体表面激发能量密度与归一化光产额的关系曲线；
步骤5.1：计算步骤3中光斑大小不变，激光能量变化的情况下，待测闪烁体表面激发能量密度，并做出待测闪烁体表面激发能量密度与待测闪烁体归一化光产额的关系曲线A1；
步骤5.2：计算步骤4中光斑大小变化，激光能量不变的情况下，待测闪烁体表面激发能量密度，并做出待测闪烁体表面激发能量密度与待测闪烁体归一化光产额的关系曲线A2。
进一步地，上述步骤5.1和步骤5.2中采用计算公式为：
Figure BDA0002651358490000031
其中，D代表待测闪烁体表面激发能量密度
E代表激光能量；
ω代表光斑的半径。
进一步地，上述衰减器为阶跃式中性密度滤光片。
进一步地，上述光电管的输入端与待测闪烁体之间放置滤光片，用于滤掉由待测闪烁体的激光入射面反射出的激光。
进一步地，上述激光器应选用波长可以激发待测闪烁体的激光器，优选为紫外激光器。
同时，本发明还提供了一种基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量系统，包括激光器、衰减器、透镜、光电管以及示波器；
激光器的出射激光光路上依次设置衰减器、透镜以及待测闪烁体；光电管设置在激光光路的一侧，且光电管的输入端朝向待测闪烁体的激光入射面，光电管的输出端与示波器连接；
所述透镜可沿着激光光路的方向往复移动。
进一步地，上述系统还包括平移台，所述透镜安装在平移台上，在平移台的驱动下使得透镜可沿激光光路的方向往复移动。
进一步地，上述衰减器为阶跃式中性密度滤光片。
进一步地，上述光电管的输入端与待测闪烁体之间放置滤光片，用于滤掉由待测闪烁体的激光入射面反射出的激光。
进一步地，上述激光器应选用波长可以激发待测闪烁体的激光器，优选为紫外激光器。
相对现有技术，本发明的有益效果有：
1、本发明利用激光器作为激发源，并通过激光能量及光斑大小的调节实现激发源强度的精确调节，解决了脉冲强流射线源装置或者自由电子激光FEL装置使用时遇到的激发源体积庞大、使用成本较高，同时测量结果不确定度高，稳定性差的问题，从而满足广泛的使用需求。
2、本发明通过调节激光能量以及光斑大小这两种改变激发能量密度的方式，得到的两组激发能量密度与归一化光产额的结果，两个结果可以相互验证，确保了测量精度和可靠性，并且本发明的方法实现简单、计算量小。
3、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闪烁体材料光产额非线性的测量。
附图说明
图1是本发明系统的布局示意图；
图2是LYSO闪烁晶体光产额与激光能量的响应曲线图；
图3是LYSO闪烁晶体光产额与距离激光焦点距离的关系曲线图。
图4是两种测量方式下LYSO闪烁晶体光产额与激发能量密度的关系曲线图。
附图标记如下：
1-紫外激光、2-衰减器、3-聚焦透镜、4-平移台、5-待测闪烁体材料、6-光电管、7-示波器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
图1提供了一种基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量系统，该系统包括激光器1、衰减器2、透镜3、平移台4、光电管6以及示波器7；
激光器1的出射激光光路上依次设置衰减器2、透镜3以及待测闪烁体5；光电管6设置在激光光路的一侧，且光电管6的输入端朝向待测闪烁体5的激光入射面(如图1所示，光电管倾斜放置，且与激光光路呈45°夹角)，光电管6的输出端与示波器7连接；
透镜3安装在平移台4上，在平移台4的驱动下使得透镜3可沿激光光路的方向往复移动，从而改变光斑的大小。
本实施例中选择LYSO闪烁晶体作为待测闪烁体，所选晶体为直径5cm，厚1cm的圆柱形晶体。实验中选用激光器为固体激光器，输出激光为紫外光(紫外光能够满足大多数闪烁材料的使用要求)，紫外激光波长为266nm，脉宽约10ps。
本实施例中衰减器采用阶跃式中性密度滤光片，并且光电管的输入端与待测闪烁体之间放置滤光片，用于滤掉由待测闪烁体的激光入射面反射出的激光。
基于上述系统结构描述，本实施例具体测量方法及结果如下：
步骤1：利用激光能量计测量激光器出射的激光在不同衰减情况下的激光能量E；
固定平移台不动，使透镜位置固定，在待测闪烁体的放置位置放置激光能量计，开启激光器，调节衰减器角度，测量不同衰减情形下的激光脉冲能量；
步骤2：利用M2光束质量分析仪测量光束M2因子，从而计算出距离激光焦点不同位置处的激光光斑的光斑大小；
撤掉激光能量计，固定衰减器角度和透镜位置，在透镜后放置M2光束质量分析仪，通过M2光束质量分析仪测量激光光束M2因子，进而计算出距离激光焦点不同位置处的激光光斑的光斑大小；
激光光斑半径与M2因子满足关系如下：
Figure BDA0002651358490000071
其中ω0为焦点处激光光斑半径，λ为激光波长，z为待测激光光斑与激光光路焦点之间的距离；ω(z)为不同z下的激光光斑的半径，M即为激光光束质量因子；
需要说明的是：实现步骤1和步骤2时，光电管和示波器均不工作。
步骤3：测量不同激光能量下待测闪烁体的荧光产额；
撤掉M2光束质量分析仪，在系统中放置待测闪烁体，开启激光器，出射激光依次通过衰减器、透镜后照射在待测闪烁体上，确保闪烁体上激光光斑大小不变，利用衰减器改变激光的能量(调节衰减器的过程与步骤1保持一致)，利用光电管和示波器接收记录不同能量激光脉冲激发下待测闪烁体的荧光脉冲波形，将荧光脉冲波形进行时间积分，其归一化数值作为荧光产额，得出待测闪烁体的荧光产额与激光脉冲能量的关系曲线，如图2所示，
步骤4：测量待测闪烁体距激光焦点不同距离下待测闪烁体的荧光产额；
使激光器出射激光的能量不变，通过平移台调节透镜位置改变待测闪烁体距离激光焦点的距离，使得待测闪烁体上激光光斑大小变化，利用光电管和示波器接收记录不同激光光斑大小时，激光脉冲激发下待测闪烁体的荧光脉冲波形，得出荧光产额与待测闪烁体距激光焦点不同距离时的关系曲线，如图3所示；
步骤5：获取待测闪烁体表面激发能量密度与归一化光产额的关系曲线；
步骤5.1：计算步骤3中光斑大小不变，激光能量变化的情况下，待测闪烁体表面激发能量密度，并做出待测闪烁体表面激发能量密度与待测闪烁体归一化光产额的关系曲线A1；
步骤5.2：计算步骤4中光斑大小变化，激光能量不变的情况下，待测闪烁体表面激发能量密度，并做出待测闪烁体表面激发能量密度与待测闪烁体归一化光产额的关系曲线A2；
需要说明的是：步骤5.1和步骤5.2中采用计算公式均为：
Figure BDA0002651358490000081
其中，D代表待测闪烁体表面激发能量密度
E代表激光能量；
ω代表光斑的半径。
步骤5.3：将步骤5.1和步骤5.2曲线A1和A2绘制在一个曲线图4中，得到闪烁体非线性响应及阈值特性(该实施例中，得到LYSO闪烁材料非线性响应程度达到10％时对应的激发能量密度约为0.3J/cm2)，并且通过比较曲线A1和A2的一致性，可知该测量结果是精确可靠的。

Claims (10)

1.一种基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用激光能量计测量激光器出射的激光在不同衰减情况下的激光能量；
步骤2：利用M2光束质量分析仪测量激光光束的质量因子M2，并据此计算出距离激光焦点不同位置处的激光光斑的大小；
步骤3：测量不同激光能量下待测闪烁体的荧光产额；
激光器的出射激光依次通过衰减器、透镜后照射在待测闪烁体上，确保闪烁体上激光光斑大小不变，利用衰减器改变激光的能量，利用光电管和示波器接收记录不同能量激光脉冲激发下待测闪烁体的荧光脉冲波形，将荧光脉冲波形进行时间积分，其归一化数值作为荧光产额，得到待测闪烁体的荧光产额与激光脉冲能量的关系曲线；
步骤4：测量待测闪烁体距激光焦点不同距离下待测闪烁体的荧光产额；
使激光器出射激光的能量不变，通过调节透镜位置改变待测闪烁体距离激光焦点的距离，使得待测闪烁体上激光光斑大小变化，利用光电管和示波器接收记录不同激光光斑大小时，激光脉冲激发下待测闪烁体的荧光脉冲波形，得出荧光产额与待测闪烁体距激光焦点不同距离时的关系曲线；
步骤5：获取待测闪烁体表面激发能量密度与归一化光产额的关系曲线；
步骤5.1：计算步骤3中光斑大小不变，激光能量变化的情况下，待测闪烁体表面激发能量密度，并做出待测闪烁体表面激发能量密度与待测闪烁体归一化光产额的关系曲线A1；
步骤5.2：计算步骤4中光斑大小变化，激光能量不变的情况下，待测闪烁体表面激发能量密度，并做出待测闪烁体表面激发能量密度与待测闪烁体归一化光产额的关系曲线A2。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法,其特征在于：所述步骤5.1和步骤5.2中采用计算公式为：
Figure FDA0002651358480000021
其中，D代表待测闪烁体表面激发能量密度
E代表激光能量；
ω代表光斑的半径。
3.根据权利要求3所述的基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法,其特征在于：所述衰减器为阶跃式中性密度滤光片。
4.根据权利要求3所述的基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法,其特征在于：光电管的输入端与待测闪烁体之间放置滤光片，用于滤掉由待测闪烁体的激光入射面反射出的激光。
5.根据权利要求3所述的基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量方法,其特征在于：激光器为紫外激光器。
6.一种基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量系统,其特征在于，包括激光器、衰减器、透镜、光电管以及示波器；
激光器的出射激光光路上依次设置衰减器、透镜以及待测闪烁体；光电管设置在激光光路的一侧，且光电管的输入端朝向待测闪烁体的激光入射面，光电管的输出端与示波器连接；
所述透镜可沿着激光光路的方向往复移动。
7.根据权利要求6所述的基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量系统,其特征在于：还包括平移台，所述透镜安装在平移台上，在平移台的驱动下使得透镜可沿激光光路的方向往复移动。
8.根据权利要求6所述的基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量系统,其特征在于：所述衰减器为阶跃式中性密度滤光片。
9.根据权利要求6所述的基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量系统,其特征在于：光电管前放置滤光片，用于滤掉由待测闪烁体的激光入射面反射出的激光。
10.根据权利要求6所述的基于激光激发的闪烁材料光产额非线性测量系统,其特征在于：激光器为紫外激光器。
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