CN112799118B - 可提升探测效率的闪烁探测器及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可提升探测效率的闪烁探测器及其探测方法，旨在解决现有技术中存在闪烁探测器不利于低强度辐射脉冲的测量、灵敏度不高、光的收集效率低的技术问题，本发明包括闪烁体器件、光收集器件与光电转换器件，闪烁体器件包括至少一层激光晶体或类激光晶体；激光晶体或类激光晶体在辐射粒子束激发下发射荧光，其一侧为光接收端面，另一侧为光出射端面；光接收端面镀全反射膜，光出射端面镀部分反射膜或部分反射镜，使得光接收端面和光出射端面间构成F‑P谐振腔。本发明在保证闪烁探测器时空分辨的情况下，可以显著提高闪烁体光产额，有利于低强度辐射脉冲的测量，提高探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及可提升探测效率的闪烁探测器及其探测方法。
背景技术
闪烁探测器技术是目前辐射粒子探测领域的重要技术，提高闪烁探测器粒子电流灵敏度对于低强度脉冲辐射粒子探测尤其重要。闪烁探测器主要由闪烁体、光收集器件与光电转换器件三大部分组成，其中对于特定材料的闪烁体，提高闪烁探测器灵敏度的常用方式为增大闪烁体体积(如厚度)或者选用高电子放大倍数的光电转换器件，同时带来的负面效应是探测器时间响应能力下降、粒子甄别能力丧失以及探测器暗电流的提升。因此，对于特定尺寸规格的闪烁体与既定的光电转换器件组成的闪烁探测器，如何提高闪烁体发光效率以及提高光收集效率一直是技术革新的两大方向。另一方面，目前闪烁探测系统如光电倍增管和光电管都属于辐射灵敏的器件，实际使用中经常需要考虑直照本底，因此如何把闪烁体发出的光通过光纤或光路传输到远离辐射源的位置，对于强脉冲辐射场的测量非常重要。
采用激光晶体作为闪烁体进行辐射探测的研究由来已久，激光晶体也可作为闪烁体用于X射线成像的转换屏，晶体厚度与所得图像空间分辨率相互制约，厚度越小分辨率越高，但晶体的光产额也随之下降，导致成像质量下降。因此，如何在晶体厚度较小的情况下，仍然保证足够的光产额，对于激光晶体应用于高时空分辨的辐射探测领域具有非常重要的意义。
对于材料一定且体积一定的闪烁体，提高发光效率的方法有两种，一种是掺杂使材料改性，另一种是通过在光出射表面做结构处理，进而影响闪烁体内部光传输模式，使闪烁体光输出效率提高。然而，掺杂在提升发光效率的同时也会改变原有闪烁体的发光光谱和发光衰减时间等特征参数，且该方法仅对个别闪烁体有效，不具备普适性。闪烁体表面引入光子晶体结构的方式实际上是提升闪烁体的光耦合输出效率，且由于光子晶体周期只能按照某一波长进行设计，因此仅对很窄的光谱成分有作用。因此以上两种方法对于闪烁体发光效率的提升效果有限，且工艺重复性问题导致发光效率提升水平不稳定，需要频繁刻度。此外，现有闪烁探测系统都是4π发射的荧光信号，因此现有的闪烁探测器不利于低强度辐射脉冲的测量、灵敏度不高、光的收集效率低。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在闪烁探测器不利于低强度辐射脉冲的测量、灵敏度不高、光的收集效率低的技术问题，而提供一种可提升探测效率的闪烁探测器及其探测方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种可提升探测效率的闪烁探测器，包括闪烁体器件、光收集器件与光电转换器件，其特殊之处在于：
所述闪烁体器件包括至少一层激光晶体或类激光晶体；
所述激光晶体或类激光晶体在辐射粒子束激发下发射荧光，其一侧为光接收端面，另一侧为光出射端面；
所述光接收端面镀全反射膜，所述光出射端面镀部分反射膜或部分反射镜，使得光接收端面和光出射端面间构成F-P谐振腔。
进一步地，所述激光晶体或类激光晶体的层数为一层；
所述闪烁体器件还包括与激光晶体或类激光晶体平行贴合的一层普通闪烁体；
所述普通闪烁体需满足：
1)普通闪烁体发光光谱可覆盖激光晶体或类激光晶体部分或者全部的增益发光谱；
2)普通闪烁体在辐射粒子束激发下发光衰减时间短于激光晶体或类激光晶体的发光衰减时间；
3)普通闪烁体的厚度小于激光晶体或类激光晶体的厚度；
所述普通闪烁体远离激光晶体或类激光晶体的一侧为光接收端面，所述激光晶体或类激光晶体远离普通闪烁体的一侧为光出射端面；
所述光接收端面镀全反射膜，所述光出射端面镀部分反射膜或部分反射镜。
进一步地，所述激光晶体或类激光晶体与普通闪烁体之间设置有二向色介质膜。
进一步地，所述激光晶体或类激光晶体的层数为二层；
所述闪烁体器件还包括设置在两层激光晶体或类激光晶体之间的一层普通闪烁体；
其中一层激光晶体或类激光晶体远离普通闪烁体的一侧为光接收端面，另一层激光晶体或类激光晶体远离普通闪烁体的一侧为光出射端面；
所述光接收端面镀全反射膜，所述光出射端面镀部分反射膜或部分反射镜。
进一步地，所述普通闪烁体与两侧相邻的激光晶体或类激光晶体之间均设置二向色介质膜。
进一步地，所述普通闪烁体发光中心波长或发光光谱在所述激光晶体或类激光晶体吸收光谱范围内。
进一步地，所述激光晶体或类激光晶体采用四能级系统。
进一步地，所述激光晶体或类激光晶体采用Yb:YAG或Cr:LiSAF或Nd:YAG或Ce:YAP。
本发明还提供了一种基于上述可提升探测效率的闪烁探测器的探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)辐射粒子束经闪烁体器件光接收端面的全反射膜后进入激光晶体或类激光晶体，激光晶体或类激光晶体在辐射粒子束激发下发射荧光；
步骤2)所激发的荧光在激光晶体或类激光晶体的光接收端面的全反射膜和光出射端面的部分反射膜或部分反射镜之间进行F-P谐振；
步骤3)F-P谐振后的荧光从光出射端面的部分反射膜或部分反射镜出射；
步骤4)对出射的荧光进行收集及光电转换。
进一步地，所述步骤1)为，辐射粒子束经闪烁体器件光接收端面的全反射膜后首先进入普通闪烁体，进入普通闪烁体内的光作为泵浦光再进入激光晶体或类激光晶体，激光晶体或类激光晶体在泵浦光的激发下发射荧光。
本发明利用成熟晶体镀膜工艺，将激光晶体与现有的普通闪烁体相结合，把进入普通闪烁体的光作为激光晶体的泵浦光，使得激光晶体的发光强度增强，再利用F-P谐振腔光放大的技术思路实现闪烁探测器探测效率的提升目标，若普通闪烁体发光强度足够高，还可能实现“辐射→激光”的信号转换，并将信号通过光纤传输到远离辐射源的位置进行记录。
本发明的有益效果是：
1、本发明在保证闪烁探测器时空分辨的情况下，可以显著提高闪烁体光产额，有利于低强度辐射脉冲的测量，提高探测效率。
2、镀膜工艺成熟可控，可以通过更改部分反射膜的反射率来获得不同的谐振腔放大倍数，进而可以方便地改变系统灵敏度。
3、本发明的F-P谐振腔除了光放大作用还具有模式选择的作用，因此，输出的闪烁光方向性更好(没有镀膜的普通闪烁体是4π方向发射)，一方面提高了光的收集效率，另一方面可以采取比较复杂的光路进行光的传输与控制。
4、对于光产额较大的探测场景，可以通过4f传输系统将光信号传输到易于屏蔽的地方进行测量记录，而且，如果将该闪烁探测器用于测量脉冲中子时间谱时，可以将闪烁体器件与光电转换器件分离，将闪烁体器件尽可能地靠近源区，即可以有效避免中子飞行时间弥散问题。
附图说明
图1是本发明可提升探测效率的闪烁探测器的实施例一结构示意图(包含一层激光晶体)；
图2是本发明可提升探测效率的闪烁探测器的实施例二结构示意图(包含一层激光晶体和一层普通闪烁体)；
图3是本发明可提升探测效率的闪烁探测器的实施例三结构示意图(包含两层激光晶体和一层普通闪烁体)；
图4是实施例中四能级激光系统能级结构图；
图5是实施例中三能级激光器的能级结构图；
图6是实验结果图，图中1通道波形是基于ST401的闪烁探测器获得的脉冲X射线监测波形，即脉冲X射线源的原始波形，3通道波形为实验系统获得的响应波形，波形与脉冲X射线源相比要慢的多，主要是由于实验采用的Nd:YAG晶体闪烁发光时间长的缘故；
图7为实验结果图，图中波形为光开关打开下获得的实验系统响应波形(为图6中的3通道波形的完整记录波形结果)，相比图6中3通道记录的波形横坐标更宽，是在所用示波器最长的记录长度下获得的；
图8是实验结果图，为关闭光开关后的实验结果，图中1通道波形为基于ST401的闪烁探测器获得的脉冲X射线监测波形，而3通道波形为光电倍增管对脉冲X射线的直照本底。
附图说明：
1-激光晶体，2-辐射粒子束，3-全反射膜，4-部分反射膜，5-普通闪烁体，6-二向色介质膜。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的可提升探测效率的闪烁探测器及其探测方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
本发明的一种可提升探测效率的闪烁探测器，包括闪烁体器件、光收集器件与光电转换器件，光电转换器件为光电倍增管、光电管和微通道板倍增管等常用器件，如图1所示，闪烁体器件包括一层激光晶体1，该激光晶体1也可由类激光晶体替换；该激光晶体1或类激光晶体属于四能级系统，在辐射粒子束2的激发下均可发射荧光，所发荧光具有比较尖锐的发光峰，增益阈值较低，荧光衰减时间较短，如Yb:YAG、Cr:LiSAF、Nd:YAG或Ce:YAP等，当该闪烁体器件作为辐射成像应用时，激光晶体的厚度可根据空间分辨率要求来确定；该激光晶体1做镀膜工艺处理，远离光电转换器件的一侧为光接收端面，光接收端面镀全反射膜3(根据激光晶体所发荧光中心波长设计)，靠近光电转换器件的一侧为光出射端面；光出射端面镀部分反射膜4，部分反射膜反射率根据荧光产额与需要放大的倍数来确定，最终使得光接收端面和光出射端面间构成F-P谐振腔，激光晶体1作为光放大增益介质，形成一个光放大部件，其中部分反射膜也可以用一个部分反射镜代替，而只在闪烁体上镀全反射膜即可。
电离辐射粒子脉冲(如X射线)从镀有全反射膜的一端入射，激发激光晶体发射荧光，荧光经谐振腔放大后经由部分反射镜输出进入光电转换器件。电离辐射也可以是直流束线，对某一特定器件，输出光强决定于入射辐射粒子通量。激光晶体输出的荧光/激光可以通过设计合适的光路传输到远离辐射源或者易于屏蔽的位置进行收集转换，光传输采用像传递光路实现，以控制传输过程中的荧光的时间弥散，可以对传输光路进行封装，进而实现探测器的封装。
具体的，上述闪烁探测器的探测方法包括以下步骤：
步骤1)辐射粒子束经闪烁体器件光接收端面的全反射膜后进入激光晶体或类激光晶体；
步骤2)激光晶体或类激光晶体在辐射粒子束激发下发射荧光；
步骤3)所激发的荧光在激光晶体或类激光晶体的光接收端面的全反射膜和光出射端面的部分反射膜或部分反射镜之间进行F-P谐振；
步骤4)F-P谐振后的荧光从光出射端面的部分反射膜或部分反射镜出射；
步骤5)对出射的荧光进行收集及光电转换。
本发明的闪烁探测器可作为一个标准探测器单元进行性能拓展，如在需要更高的光产额时，如图2所示，可以在前端面集成一层普通闪烁体5，即现有的普通闪烁体(该普通闪烁体的选型需满足：1.所选取的普通闪烁体发光光谱必须要能覆盖激光晶体部分或者全部的增益发光谱，以实现普通闪烁体发射的脉冲荧光二次泵浦激光晶体发光；2.普通闪烁体在待测脉冲辐射激发下发光衰减时间不能长于所选激光晶体的发光衰减时间；3.普通闪烁体横向端面尺寸不能大于激光晶体端面尺寸；该普通闪烁体可以是无机晶体，也可以是有机闪烁体。)；并将原有激光晶体前端面的全反射膜改为二向色介质膜6，即对激光晶体1输出光波长全反，对加入的普通闪烁体5中心波长增透，使普通闪烁体5中产生的光作为“泵浦光”输入到激光晶体1中。
上述的集成了一层普通闪烁体的闪烁探测器的探测方法步骤如下：
步骤1)辐射粒子束经闪烁体器件光接收端面的全反射膜后进入普通闪烁体，进入普通闪烁体内的光作为泵浦光再进入激光晶体或类激光晶体；
步骤2)激光晶体或类激光晶体在泵浦光的激发下发射荧光；
步骤3)所激发的荧光在激光晶体或类激光晶体的光接收端面的全反射膜和光出射端面的部分反射膜或部分反射镜之间进行F-P谐振；
步骤4)F-P谐振后的荧光从光出射端面的部分反射膜或部分反射镜出射；
步骤5)对出射的荧光进行收集及光电转换。
如图3所示，也可以将普通闪烁体5夹在两层激光晶体1之间；其中所选择的普通闪烁体5的发光中心波长或者发光光谱处在激光晶体1吸收光谱范围内，则发光效率比所选激光晶体发光效率高。
本发明实现谐振腔光放大的基本依据是受激发射，电离辐射粒子作为“泵浦源”激发激光晶体时，该辐射粒子在激光晶体中沉积能量，发射的光子作为“一次光子”引起受激发射。发射光强度与跃迁概率ρ(υ)B21成正比，而跃迁概率与待测电离辐射粒子入射通量直接相关，谐振腔发射光进行二次放大，最终输出的光便是由谐振腔放大后的闪烁光。如果瞬态下获得粒子数反转，就会发射脉冲光，本发明重点考虑的是提高探测器灵敏度的问题，通常待测粒子通量较低，因此选择激光晶体或类激光晶体作为闪烁体的基本依据就是要容易发生粒子数反转。
如图4所示，在四能级系统中，激光下能级E1与基态能级E0之间的弛豫时间远小于荧光寿命，即τ10<<τ21，激光下能级E1(或者称之为终端能级)热平衡下粒子数很少：
其中，ΔE为能级E1与基态能级E0的能量差，T为激光晶体的工作温度，κ为玻尔兹曼常量，κT为原子在温度T处于热平衡时的热能，N1为终端能级E1的粒子数，N0为基态能级E0的粒子数。
可以看出，如果E1能级与基态能级的能级差ΔE>>kT，则有N1<<N0。因此，即使输入的泵浦功率接近于0，也会出现2→1的激光跃迁的粒子数反转(能级差较小时可以对激光晶体实施低温冷却)，而三能级系统(如图5所示)中要实现粒子数反转，需要基态的一半以上的粒子须被泵浦到亚稳能级E2上，因此三能级系统存在一个泵浦阈值，而四能级系统原理上对泵浦强度没有阈值要求，更适合用于低强度脉冲辐射的探测。
为了证明本发明的可行性与有效性，我们设计了原理性实验进行初步验证。为了验证光产额显著提高的特征，我们采用小尺寸激光晶体(晶体规格尺寸为Φ3*5mm，四维可调)，且设计的部分反射镜反射率比较低，反射率为92％，所用部分反射镜为凸-平透镜，实验采用Nd:YAG激光晶体作为闪烁体器件，属于常用激光晶体，Nd:YAG属于四能级系统，室温(300K)下，终端能级粒子数密度是基态能级的exp(-ΔE/kT)≈exp(-10)倍，由于理论上终端能级没有热粒子数，显然非常小的泵浦能量就可以实现粒子数反转。X射线激发下可以发射荧光，荧光衰减时间比较长(～230μs)，自身发光效率比较低，靠近辐射源的端面镀全反射膜。进行实验时，便携式脉冲X射线源(XRS-4，脉冲半宽度约10ns，强度约109/发)由全反射膜一端垂直入射，闪烁体器件发光后经谐振腔内放大输出，由分光镜改变光传输方向，再由透镜及光阑将合适光束直径的光传输到光电倍增管中记录，实验采用的光电倍增管光谱响应范围覆盖可见光至近红外波段，型号为H11432-100(HAMAMATSU)，光电倍增管距离辐射源约9米(确保光电倍增管不产生直照本底)，通过多次反射将无方向性的荧光进行有效衰减，且采用5cm厚的铅进行屏蔽，为了保护光电倍增管在光路对准时曝光，在后端光路加入了光快门。其中激光器是用于光路对准的，光功率计辅助监测激光器稳定性，实际应用中可不采用。X射线源的监测探测器为塑料闪烁体(1mm厚的ST401)的探测器，并将监测所得脉冲信号作为Nd:YAG闪烁探测器的触发信号。
利用同波长1064的固体激光器完成闪烁体及谐振腔相关光路对准后，关闭准直激光器开始实验，输出镜为部分反射镜(镀1064nm增透膜的凸-平透镜，焦距等于腔长)，采用一定的避光措施防止漫散射的闪烁光直接进入光电倍增管内，确保只有经过传输光路上的光被光电倍增管进行收集，光路准直后关闭激光器进行没有谐振腔下的实验。所得实验结果如图6至图7所示，其中图7为示波器整个记录长度下的波形数据，可以看出，光电倍增管成功收集到激光晶体的闪烁发光信号，其时间尺度超过示波器记录长度，发光时间＞10μs，这是由于实验所采用的Nd:YAG长的荧光衰减时间长所导致的，信号幅度非常小，仅在mV水平，主要是由于晶体发光效率有限且所用光电倍增管对1064nm的光响应较弱导致的，将光路上的光开关(Shutter)关闭后进行光电倍增管直照本底测量，得到的结果如图8所示，图8中的3通道记录的结果显示，光电倍增光收集的光基本全部由光路传输而来，直照本底基本为0，从而证明将激光晶体置于谐振腔的设计思路是可行的。而对于图2和图3所示的结构，由于普通闪烁体本身在辐射粒子束激发下会发出荧光，而该闪烁光又可进一步作为激光晶体的“泵浦光”使用，所选取的普通闪烁体发光光谱必须要能覆盖激光晶体部分或者全部的增益发光谱，普通闪烁体发射的脉冲荧光二次泵浦激光晶体发光，再综合激光晶体在辐射粒子激发发射的闪烁光，从而提升激光晶体的发光效率。
Claims (4)
1.一种可提升探测效率的闪烁探测器，包括闪烁体器件、光收集器件与光电转换器件，其特征在于：
所述闪烁体器件包括一层激光晶体（1）或类激光晶体，以及与激光晶体（1）或类激光晶体平行贴合的一层普通闪烁体（5）；
所述激光晶体（1）或类激光晶体采用四能级系统；
所述普通闪烁体（5）需满足：
1）普通闪烁体（5）发光光谱可覆盖激光晶体（1）或类激光晶体部分或者全部的增益发光谱；
2）普通闪烁体（5）在辐射粒子束（2）激发下发光衰减时间短于激光晶体（1）或类激光晶体的发光衰减时间；
3）普通闪烁体（5）的厚度小于激光晶体（1）或类激光晶体的厚度；
所述普通闪烁体（5）远离激光晶体（1）或类激光晶体的一侧为光接收端面，所述激光晶体（1）或类激光晶体远离普通闪烁体（5）的一侧为光出射端面；所述光接收端面镀全反射膜（3），所述光出射端面镀部分反射膜（4）或部分反射镜；
所述激光晶体（1）或类激光晶体与普通闪烁体（5）之间设置有二向色介质膜（6）。
2.一种闪烁探测器，包括闪烁体器件、光收集器件与光电转换器件，其特征在于：
所述闪烁体器件包括二层激光晶体（1）或类激光晶体以及一层普通闪烁体（5）；
所述激光晶体（1）或类激光晶体采用四能级系统；
所述普通闪烁体（5）设置在两层激光晶体（1）或类激光晶体之间；
其中一层激光晶体（1）或类激光晶体远离普通闪烁体（5）的一侧为光接收端面，另一层激光晶体（1）或类激光晶体远离普通闪烁体（5）的一侧为光出射端面；
所述光接收端面镀全反射膜（3），所述光出射端面镀部分反射膜（4）或部分反射镜；
所述普通闪烁体（5）与两侧相邻的激光晶体（1）或类激光晶体之间均设置二向色介质膜（6）；
所述普通闪烁体（5）发光中心波长或发光光谱在所述激光晶体（1）或类激光晶体吸收光谱范围内。
3.根据权利要求2所述的闪烁探测器，其特征在于：
所述激光晶体（1）或类激光晶体采用Yb:YAG或Cr:LiSAF或Nd:YAG或Ce:YAP。
4.基于权利要求1所述的闪烁探测器的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）辐射粒子束经闪烁体器件光接收端面的全反射膜后首先进入普通闪烁体，进入普通闪烁体内的光作为泵浦光再进入激光晶体或类激光晶体，激光晶体或类激光晶体在泵浦光的激发下发射荧光；
步骤2）所激发的荧光在光接收端面的全反射膜和光出射端面的部分反射膜或部分反射镜之间进行F-P谐振；
步骤3）F-P谐振后的荧光从光出射端面的部分反射膜或部分反射镜出射；
步骤4）对出射的荧光进行收集及光电转换。
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