CN116299644A - 用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲辐射探测模块及方法，具体涉及一种用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法及系统，解决现有技术中超快脉冲γ/X射线时间谱的探测，不能同时兼有超快时间分辨能力和足够位置分辨功能，难以实现具有空间对准需求的超快脉冲γ/X射线时间谱测量目标的技术问题。该用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，包括以下步骤：1)使待测γ/X射线入射在闪烁体阵列上；2)测量闪烁体阵列上的发光闪烁体的位置；3)对准待测γ/X射线与半导体激光二极管；4)激发半导体激光二极管发射激光脉冲信号至光电转换组件；5)光电转换组件将激光脉冲信号转换为电信号并记录，实现小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲辐射探测模块及方法，具体涉及一种用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法及系统。
背景技术
脉冲伽马射线(γ射线)时间谱测量是脉冲辐射场诊断的重要组成部分，也是分析和研究脉冲辐射源时间特性和动态物理过程的核心数据，同时脉冲伽马射线时间谱测量系统一般也可用于脉冲X射线时间谱的测量。随着核科学与技术学科的快速发展，以ICF聚变装置、自由电子激光装置、同步辐射光源、逆康普顿散射伽马装置、强激光驱动的Betatron辐射源为代表的一系列新型超快脉冲γ/X源装置已经出现并得到了广泛应用，这类超快脉冲γ源及其辐射场，要求时间谱探测模块具备100ps甚至ps量级的时间分辨。但是，目前常见的快响应γ射线探测模块及方法中，以CVD金刚石探测器与基于半导体辐照改性的光电导探测器为代表的半导体探测模块，不考虑传输等因素造成的时间弥散，快响应γ射线探测模块及方法的本征时间响应可达200ps。真空型与介质型康普顿探测器、法拉第筒自身的时间响应均为亚ns量级。由于受制于空间电荷效应与同轴电缆传输带宽，该类常规的“辐射-电”探测方法及其探测模块很难实现100ps以下的时间分辨能力。此外，以自由电子激光装置、逆康普顿散射伽马装置、强激光驱动超快脉冲X射线源(Betatron)、同步辐射光源等为代表的新型超快脉冲γ/X源为例，有一个共同的特点就是具有很高的方向性，测点束斑尺寸均在cm甚至mm水平，当时间谱测量系统灵敏面很小(与束斑尺寸相当)时，束斑与时间谱测量系统的空间高精度对准就成了一个不可回避的问题。因此，这类需求就要求时间谱测量系统不仅具有超快的时间响应特性，还要求具备足够的位置分辨能力。
100ps以下的超快脉冲γ射线与X射线时间谱测量系统方面，目前仅有针对聚变伽马时间谱测量的契伦科夫光探测模块和针对低能X射线的基于激光主动式探针方法的“辐射-光”探测模块。由于契伦科夫光探测模块的时间响应可小于10ps，这也是目前唯一在聚变伽马时间谱测量中获得应用的100ps以下超快伽马时间谱测量技术，但该方法和系统存在的主要问题是高能量阈值、强的辐射本底，同时契伦科夫光信号非常弱，实际的探测效率很低，导致测量不确定度非常大，且只能在高能伽马且高注量率条件下使用。基于激光主动式探针方法中的“辐射-光”探测模块，利用超快半导体等辐射转换介质，将脉冲γ射线加载到激光探针中，将γ射线转换为激光脉冲信号，通过测量激光特征参数的变化情况，实现超快脉冲γ射线时间谱的测量，该系统灵敏度主要取决于辐射转换介质的能量转换效率与激光方法自身的灵敏度，而时间分辨能力一般只取决于辐射转换介质的对γ射线脉冲的响应时间，如γ射线在半导体中产生的非平衡自由载流子与弛豫时间。美国劳伦斯·利弗莫尔实验室的“辐射-光”技术思路是在实验中采用了两类干涉方法开展了超快脉冲X射线的测量技术研究，一类是基于M-Z干涉仪，将射线调制的半导体加入到探测臂中，通过测量干涉信号实现脉冲γ射线时间谱的测量；另一类是基于F-P干涉仪的布局方案，并基于这种结构在实验上获得了100ps以下的时间分辨结果。但这些方法面临的主要问题都是系统灵敏度非常低，且由于外干涉光路稳定性有限，导致系统的可靠性较差，对周围振动、温湿度等环境因素要求较高。
综上所述，现有公开报道的超快脉冲γ/X射线时间谱探测技术，均不具备同时兼有超快时间分辨能力和足够位置分辨功能，难以实现具有空间对准需求的超快脉冲γ/X射线时间谱测量目标。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中超快脉冲γ/X射线时间谱的探测，不能同时兼有超快时间分辨能力和足够位置分辨功能，难以实现具有空间对准需求的超快脉冲γ/X射线时间谱测量目标的技术问题，而提供一种用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法及系统。
本发明的构思是：
首先，利用探测模块实现小束斑、超快脉冲γ/X射线位置的测量，和百微米级高精度空间目标，具体为对于百微米水平直径的γ/X射线准直束流与百微米或者亚毫米级的半导体激光二极管的空间对准；然后利用半导体激光二极管实现γ/X射线向激光脉冲信号的保真转换，最后利用超快光电二极管或者快响应光电倍增管将激光脉冲信号转换为电信号，并进行记录。
为解决上述技术问题，实现上述发明构思，本发明所采用的技术方案为：
一种用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)使待测γ/X射线入射在闪烁体阵列上；
2)测量闪烁体阵列上的发光闪烁体在x轴方向和y轴方向的位置；
3)通过闪烁体阵列上的发光闪烁体，对准待测γ/X射线与半导体激光二极管的空间位置，对准后移走闪烁体阵列；
4)利用待测γ/X射线激发半导体激光二极管，使得半导体激光二极管发射激光脉冲信号至光电转换组件；
5)光电转换组件将激光脉冲信号转换为电信号并记录，实现小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的测量。
进一步地，步骤3)还包括：
对半导体激光二极管施加预注入电流；所述预注入电流小于等于半导体激光二极管的阈值电流Ith，预注入电流为Ith±3mA。
一种用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，用于实现上述的用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，其特殊之处在于：包括探测模块、半导体激光二极管、光电转换组件以及监测设备；
探测模块包括闪烁体阵列、与监测设备连接的空间定位器、第一相机与第二相机；
闪烁体阵列设置于待测γ/X射线的出射路线上；
待测γ/X射线、闪烁体阵列、半导体激光二极管与空间定位器依次排列且位于闪烁体阵列的对称轴线上；
定义待测γ/X射线的出射方向为z轴方向；
闪烁体阵列的第一层未遮蔽端出光沿x轴方向，闪烁体阵列的第二层未遮蔽端出光沿y轴方向；
空间定位器用于对准待测γ/X射线、闪烁体阵列与半导体激光二极管的空间中心位置；
第一相机设置于x轴方向上，用于测量闪烁体阵列上发光闪烁体在x轴方向的发光图像；
第二相机设置于y轴方向上，用于测量闪烁体阵列上发光闪烁体在y轴方向的发光图像；
半导体激光二极管的输入端位于闪烁体阵列上发光闪烁体的出射端，半导体激光二极管的输出端依次设置有非球面透镜和光电转换组件；光电转换组件与监测设备连接。
进一步地，所述光电转换组件包括聚焦透镜和超快光电二极管；
非球面透镜的出光路线上设置有电动光快门和翻转反射镜；
聚焦透镜设置于翻转反射镜的出光光路上；
聚焦透镜的出光聚焦在超快光电二极管的输入端；超快光电二极管的输出端与监测设备连接；
非球面透镜与电动光快门之间的光路上设置有光阑；电动光快门与聚焦透镜之间的光路上设置有光阑；
或者，光电转换组件包括可调光衰减片和光电倍增管；
非球面透镜的出光路线上设置有电动光快门和翻转反射镜；
可调光衰减片设置于翻转反射镜的出光光路上；
可调光衰减片的出光输入在光电倍增管的输入端；光电倍增管输出端与监测设备连接；
可调光衰减片与光电倍增管之间的光路上设置有光阑。
进一步地，所述光电转换组件包括翻转反射镜、聚焦透镜、超快光电二极管、可调光衰减片和光电倍增管；
非球面透镜的出光路线上设置有电动光快门；
翻转反射镜设置于电动光快门的出光光路上；
聚焦透镜、超快光电二极管依次设置于翻转反射镜的出光光路上，翻转反射镜出光经聚焦透镜聚焦在超快光电二极管的输入端；超快光电二极管的输出端与监测设备连接；
可调光衰减片和光电倍增管依次设置于翻转反射镜的翻转出光光路上，翻转反射镜的翻转出光经可调光衰减片衰减后输入光电倍增管的输入端；光电倍增管输出端与监测设备连接；
非球面透镜与电动光快门之间的光路上设置有光阑；电动光快门与聚焦透镜之间的光路上设置有光阑；
可调光衰减片与光电倍增管之间的光路上设置有光阑。
进一步地，所述还包括移动平台与升降平台；
聚焦透镜设置于移动平台上，用于聚焦透镜沿光路移动，实现聚焦位置的对准；
闪烁体阵列设置于升降平台上，用于闪烁体阵列切入和切出光路；
监测设备包括记录设备和采集设备；
记录设备与超快光电二极管的输出端，或者光电倍增管的输出端连接；
采集设备分别与空间定位器、第一相机和第二相机连接。
进一步地，所述半导体激光二极管为边发射结构或垂直腔结构；
半导体激光二极管的激光脉冲信号传输光路可以采用自由空间或者光纤传输；
超快光电二极管和光电倍增管的光谱响应范围大于等于半导体激光二极管的发射波长。
进一步地，所述空间定位器为激光投线仪或He-Ne激光器；
第一相机和闪烁体阵列之间设置有第一镜头；
第二相机和闪烁体阵列之间设置有第二镜头；
第一相机与第二相机均为CCD相机，其感光范围大于等于闪烁体阵列的发光波长。
进一步地，所述超快光电二极管和光电倍增管的外部设置有屏蔽体，且屏蔽体为铅屏蔽体；
超快光电二极管与记录设备之间设置有行波放大器。
进一步地，所述半导体激光二极管为谐振腔有源区采用量子阱材料；
超快光电二极管的灵敏面尺寸≥10μm，暗电流≤0.1nA，峰值波长量子效率≥40％，上升时间≤100ps，光谱响应范围为170nm-1100nm；
闪烁体阵列的材料为LYSO闪烁体或GAGG闪烁体，闪烁体阵列的单根尺寸≤400μm，相邻两根闪烁体距离≤100μm；
聚焦透镜的聚焦光斑≤1mm；
记录设备采用高带宽数字示波器，其带宽≥6GHz，采样率≥25GS/s。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1.具有超快的时间分辨水平
本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，在实验上已经实现了小于100ps的时间分辨水平，实验波形上升沿为70ps以下，同时脉冲时间响应宽度为115ps，非常适用于超快脉冲γ射线(或X射线)时间谱的测量，由于本发明系统采用的半导体激光二极管灵敏度高且灵敏区厚度很薄，使得本发明方法尤其在较低强度的低能伽马射线或X射线探测中具有天然的优势。
2.具备小束γ/X射线位置测量功能
本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，主要针对的是小束斑超快γ/X射线时间谱的测量，目前硬γ/X射线自由电子激光、同步辐射光源、强激光驱动Betatron辐射、逆康普顿散射伽马射线源等第三代及第四代光源的共同特点就是方向性好、小束斑、超快时间特征，而本发明可以实现500μm以下的空间对准水平，具备测量小束斑γ/X射线空间信息和束斑空间分布的功能。
3.具备强辐射本底条件下的弱信号测量优势
本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，由于采用闪烁体阵列的小束斑探测模块，可以获得到待测γ/X射线位置及分布信息，并结合激光投线仪实现半导体激光二极管与待测γ/X射线的空间对准目标。因此，可以随意将待测γ/X射线和监测设备设置在不同位置，从而将强辐射本底信号和待测γ/X射线在时间轴上完全分离，完全排除本底干扰从而实现弱信号的测量。
4.高频信号可实现远距离低损传输
本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，采用的空间定位器，可以实现信号的远距离低损传输目标。
5.本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，基于闪烁体阵列和一种激光主动式“辐射-光”探测模块的组合，专门用于小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱测量的新型脉冲γ射线探测模块，使得空间位置对准精度≤500μm、时间分辨精度≤100ps。
附图说明
图1为本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统结构示意图。
图2为本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统中探测模块的结构示意图。
图3为本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统实施例一中，探测模块根据闪烁体阵列上的发光闪烁体，获得y轴方向的待测γ/X射线位置示意图。
图4为本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统实施例一中，探测模块获得的典型实验波形图。
图5为本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统实施例一中，探测模块获得的典型时间响应波形图。
图中附图标记为：
1-探测模块，2-半导体激光二极管，3-空间定位器，4-非球面透镜，5-电动光快门，6-翻转反射镜，7-聚焦透镜，8-移动平台，9-超快光电二极管，10-监测设备，11-可调光衰减片，12-光电倍增管，13-屏蔽体，14-第一相机，15-第一镜头，16-第二相机，17-第二镜头，18-采集设备，19-闪烁体阵列，20-升降平台。
具体实施方式
实施例一
一种用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，基于闪烁体阵列19两个端面成像和半导体激光二极管2腔内载流子调制原理，主要针对γ/X射线束斑尺寸小且探测模块1灵敏面有空间对准需求的应用场景，可在射线小束斑γ/X射线束流位置监测的同时实现超快脉冲γ/X射线时间谱的测量目标。本发明一种用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，包括以下步骤：
1)使待测γ/X射线入射在闪烁体阵列19上；
2)测量闪烁体阵列19上的发光闪烁体在x轴方向和y轴方向的位置；
3)对半导体激光二极管2施加预注入电流；所述预注入电流小于等于半导体激光二极管2的阈值电流Ith，预注入电流为Ith±3mA；通过闪烁体阵列19上的发光闪烁体，对准待测γ/X射线与半导体激光二极管2的空间位置，对准后移走闪烁体阵列19；
本实施例中采用的半导体激光二极管2须提前施加预注入电流，且该电流小于等于半导体激光二极管2的阈值电流，该阈值电流为工作环境温度条件下对应的实际阈值电流值，工作电压≤5V，斜率效率≥0.5mW/mA。
4)利用待测γ/X射线激发施加预注入电流后的半导体激光二极管2，使得半导体激光二极管2输出激光脉冲信号，激光脉冲信号进入光电转换组件；
5)光电转换组件将激光脉冲信号转换为电信号并记录，实现小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的测量。
本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，可以实现500μm以下的空间对准能力和100ps以下的时间分辨能力。
如图1所示，本发明还提供了一种用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，用于实现上述的用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，包括探测模块1、半导体激光二极管2、空间定位器3、移动平台8、监测设备、升降平台20和光电转换组件；
如图1、图2所示，探测模块1位于待测γ/X射线的出射路线与半导体激光二极管2之间，探测模块1包括闪烁体阵列19、与监测设备连接的空间定位器3、第一相机14、第二相机16；
闪烁体阵列19设置于待测γ/X射线的出射光路上；定义待测γ/X射线的出射方向为z轴方向；待测γ/X射线、闪烁体阵列19、半导体激光二极管2与空间定位器3依次排列且位于闪烁体阵列19的对称轴线上；闪烁体阵列19的第一层未遮蔽端出光沿x轴方向，闪烁体阵列19的第二层未遮蔽端出光沿y轴方向；
空间定位器3用于对准待测γ/X射线、闪烁体阵列19与半导体激光二极管2的空间中心位置，并，并测量准待测γ/X射线、闪烁体阵列19与半导体激光二极管2的z轴方向上的位置；第一相机14设置于x轴方向上，用于测量闪烁体阵列19上发光闪烁体在x轴方向的发光图像；第二相机16设置于y轴方向上，用于测量闪烁体阵列19上发光闪烁体在y轴方向的发光图像；
本实施例中的光电转换组件包括聚焦透镜7和超快光电二极管9；半导体激光二极管2的输入端位于闪烁体阵列19上发光闪烁体的出射端，半导体激光二极管2的输出端依次设置有非球面透镜4和聚焦透镜7，聚焦透镜7的出光聚焦在超快光电二极管9的输入端；超快光电二极管9的输出端与监测设备连接。
其中，监测设备包括记录设备10和采集设备18；聚焦透镜7设置于移动平台8上，用于聚焦透镜7沿光路移动，实现聚焦位置的对准；闪烁体阵列19设置于升降平台20上，，用于闪烁体阵列19切入和切出光路；空间定位器3、第一相机14和第二相机16分别与采集设备18连接；记录设备10与超快光电二极管9的输出端连接；非球面透镜4的出光路线上设置有电动光快门5，非球面透镜4和电动光快门5之间设置有两个翻转反射镜6；非球面透镜4和翻转反射镜6之间、两个翻转反射镜6之间、翻转反射镜6与电动光快门5之间均设置有光阑；第一相机14和闪烁体阵列19之间设置有第一镜头15；第二相机16和闪烁体阵列19之间设置有第二镜头17。
本实施例中，采用的电动光快门5具备远程控制功能，可以长时间保持打开或关闭的状态，同时具备外触发功能。采用的非球面透镜4可以实现半导体激光二极管2发射激光束的整形和准直功能，整形后激光横向分布为圆形类高斯分布，准直后在聚焦透镜7聚焦前为近似平行束，采用的聚焦透镜7须实现≤1mm的聚焦光斑，确保足够的光强入射到超快光电二极管9的灵敏面上。
优选地，半导体激光二极管2为谐振腔有源区采用量子阱材料；不同半导体激光二极管2的阈值电流Ith不同。闪烁体阵列19的材料为LYSO闪烁体，还可以采用GAGG闪烁体，闪烁体阵列19的单根尺寸≤400μm，相邻两根闪烁体距离≤100μm；第一相机14与第二相机16均为CCD相机，其感光范围大于等于闪烁体阵列19的发光波长，本实施例中采用的闪烁体阵列19发光波长通常处在可见光和紫外光波段；空间定位器3为激光投线仪或He-Ne激光器；
本实施例中的采集设备18为计算机；记录设备10采用高带宽数字示波器，其带宽≥6GHz，采样率≥25GS/s，与超快光电二极管9连接的同轴电缆带宽应≥6GHz，同轴电缆长度≤2m，超快光电二极管9与数字示波器之间，根据需要可选择采用或不采用行波放大器。
激光脉冲信号传输光路可以采用自由空间或者光纤两种传输方式，采用自由空间传输时，翻转反射镜6采用介质膜反射镜，其中心波长与半导体激光二极管2发射中心波长一致，且中心波长反射率≥95％。
本发明用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，适用于测量束斑尺寸较小且有空间对准需求情况下的超快脉冲γ/X射线时间谱。其工作原理如下：
小束斑超快脉冲的待测γ/X射线束流垂直入射在探测模块1的闪烁体阵列19上，使待测γ/X射线穿过位置对应的闪烁体发光，利用第一相机14和第二相机16实现x轴方向和y轴方向，两个方向上对闪烁体发光位置进行成像，实现待测γ/X射线位置的测量，之后配合激光投线仪或者He-Ne激光器实现待测γ/X射线空间位置与半导体激光二极管2的高精度空间对准，对准后利用具有复位功能的升降平台20降下闪烁体阵列19，然后待测γ/X射线垂直激发半导体激光二极管2，半导体激光二极管2受待测γ/X射线调制后输出激光脉冲信号，经非球面透镜4聚焦整形后，利用翻转反射镜6在自由空间传输，经过光路中间设置的电动光快门5和翻转反射镜6，再利用聚焦透镜7聚焦到超快光电二极管9的灵敏面上，实现激光脉冲信号的测量，聚焦透镜7固定在移动平台8上，用以实现聚焦位置的对准，超快光电二极管9将测得的激光脉冲信号转换为电信号，经高带宽同轴电缆传输到高带宽数字示波器进行记录，实现待测γ/X射线时间谱波形的测量目标。
根据本发明系统建立了具有位置分辨功能的超快脉冲γ/X射线探测模块1，并采用该探测模块1开展了系统时间响应能力评估考核实验研究。针对探测模块1时间特性考核实验的不同需求，在光信号测量方案中分别采用了快响应的超快光电二极管9。实验采用δ函数脉冲的能量约为34MeV、电子束束斑尺寸约1mm和脉宽宽度约10ps的超短脉冲电子束，实验中采用超快电子束打厚度为2mm的Fe产生ps级的γ射线，同时一部分透射出的电子与韧致辐射(γ/X射线)形成混合束流对半导体激光二极管2实现腔内载流子激发调制，因此该电子束同时具备mm级水平的小束斑空间特征和10ps级的超快时间特征，非常适合开展本发明探测方法和系统的有效性验证。
本实施例中，超快光电二极管9的光谱响应范围大于等于半导体激光二极管2的发射波长，且与半导体激光二极管2的响应中心波长越接近越好；半导体激光二极管2为边发射结构还可以为垂直腔结构；采用的超快光电二极管9为自由空间耦合，其光谱响应范围为170nm-1100nm，峰值响应波长在750nm-790nm，灵敏区最大尺寸为600μm，标称暗电流为0.001nA，峰值波长标称量子效率90％，标称上升时间＜300ps，采用焦距为150mm的聚焦透镜7将待测γ/X射线耦合到超快光电二极管9的灵敏面上。出于光谱匹配的考虑，探测模块1中的半导体激光二极管2选型调整为中心波长为780nm的量子阱激光器，有源区材料为AlGaAs/GaAs，标称阈值电流为14mA@25℃。此外，本发明系统中由于传输光路空间受限，基于激光光路延迟方法，将辐射本底信号与系统待测γ/X射线在时间轴上完全分离，有效地解决了辐射屏蔽的难题。
记录设备10采用高带宽数字示波器，其带宽为12.5GHz，50GS/s的采样率，50Ω直流耦合方式。如图3所示，采用320pC的电子束打Fe@2mm靶产生超快脉冲待测γ/X射线时，基于闪烁体阵列19的小束斑探测模块1得到待测γ/X射线位置及分布信息，并结合激光投线仪实现半导体激光二极管2与待测γ射线(或者待测X射线)的空间对准目标。实现对准后固定闪烁体阵列19的升降平台20落下，插入Fe靶产生待测γ射线(或者待测X射线)的混合辐射束流激发半导体激光二极管2，获得原理型探测模块1的典型波形结果，如图4所示。从图4可以看出，左侧脉冲显示为超快光电二极管9(UPD)的辐射本底信号，右侧脉冲为系统响应信号波形，两个脉冲时间拉开约3.3ns，正好对应系统中约1m的光程差，很好地验证了本发明系统在解决辐射屏蔽问题中应用的有效性。
由于首先采用的超快光电二极管9的上升时间大于100ps，因此，后续实验中更换了时间响应更快的超快光电二极管9，选型的光电二极管仍采用自由空间耦合方式，标称上升沿≤40ps，灵敏面直径≤60μm，标称峰值量子效率为80％，响应波长范围350nm～1700nm，响应峰值波长在900nm附近，标称暗电流0.5nA。为了尽可能消除基线干扰，在探测模块1布局设计不变的情况下，还可以单独对超快光电二极管9采用了25cm厚的铅屏蔽。
如图5所示，在产生γ射线的电子束团电荷量为320pC的条件下，获得的本发明系统典型时间响应波形，示波器显示波形上升沿为71.93ps(波形分析约为70ps)，波形脉冲宽度显示为117.4ps(波形分析结果约为115.59ps)，从而在实验上证明本发明系统具备100ps以下的时间分辨水平，同时系统脉冲时间响应能力约为117.4ps。
实施例二
实施例二与实施例一的区别在于，实施例二中光电转换组件包括可调光衰减片11和光电倍增管12；
实施例二中，半导体激光二极管2的输出端依次设置有非球面透镜4和可调光衰减片11，可调光衰减片11的出光输入在光电倍增管12的输入端；光电倍增管12输出端与记录设备10连接。
非球面透镜4的出光光路上设置有四个翻转反射镜6；非球面透镜4与电动光快门5之间的光路上设置有两个翻转反射镜6；非球面透镜4与翻转反射镜6之间的光路上、两个翻转反射镜6之间的光路上、翻转反射镜6与电动光快门5之间的光路上均设置有光阑；可调光衰减片11和光电倍增管12之间均设置有翻转反射镜6；可调光衰减片11与翻转反射镜6之间的出光路线上、翻转反射镜6与光电倍增管12之间的光路上均设置有光阑；光电倍增管12的外部还设置有屏蔽体13，且屏蔽体13为铅屏蔽体13；光电倍增管12的的光谱响应范围大于等于半导体激光二极管2的发射波长。
实施例二的其余内容均与实施例一相同。
实施例三
实施例三与实施例一的区别在于，光电转换组件包括翻转反射镜6、聚焦透镜7、超快光电二极管9、可调光衰减片11和光电倍增管12；
翻转反射镜6设置于非球面透镜4的出光光路上；聚焦透镜7、超快光电二极管9依次设置于翻转反射镜6出光光路上，翻转反射镜6出光经聚焦透镜7聚焦在超快光电二极管9的输入端；超快光电二极管9的输出端与所述监测设备连接；
或者，可调光衰减片11和光电倍增管12依次设置于翻转反射镜6的翻转出光光路上，翻转反射镜6的翻转出光经可调光衰减片11衰减后输入光电倍增管12的输入端；光电倍增管12输出端与记录设备10连接。
对于待测γ/X射线强度较低(大于等于10mV)的情况时，利用翻转反射镜6将非球面透镜4的出光经聚焦透镜7聚焦在超快光电二极管9的输入端；超快光电二极管9的输出端与记录设备10连接，实现强信号的测量。
对于待测γ/X射线强度较低(小于10mV)的情况时，可利用翻转反射镜6实现光路切换，将带有γ/X射线的时间谱波形的激光脉冲信号，经可调衰减片后，传输至带有高增益的光电倍增管12，光电倍增管12将激光脉冲信号转换为电信号，实现弱信号的测量，再通过同轴电缆将测得的电信号传输到高带宽数字示波器进行记录，光电倍增管12采用铅进行辐射屏蔽，防止辐射本底信号太大。
Claims (10)
1.一种用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使待测γ/X射线入射在闪烁体阵列(19)上；
2)测量闪烁体阵列(19)上的发光闪烁体在x轴方向和y轴方向的位置；
3)通过闪烁体阵列(19)上的发光闪烁体，对准待测γ/X射线与半导体激光二极管(2)的空间位置，对准后移走闪烁体阵列(19)；
4)利用待测γ/X射线激发半导体激光二极管(2)，使得半导体激光二极管(2)发射激光脉冲信号至光电转换组件；
5)光电转换组件将激光脉冲信号转换为电信号并记录，实现小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的测量。
2.根据权利要求1所述用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，其特征在于，步骤3)还包括：
对半导体激光二极管(2)施加预注入电流；所述预注入电流小于等于半导体激光二极管(2)的阈值电流Ith，预注入电流为Ith±3mA。
3.一种用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，用于实现权利要求1-2任一所述的用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法，其特征在于：包括探测模块(1)、半导体激光二极管(2)、光电转换组件以及监测设备；
所述探测模块(1)包括闪烁体阵列(19)、与监测设备连接的空间定位器(3)、第一相机(14)与第二相机(16)；
所述闪烁体阵列(19)设置于待测γ/X射线的出射路线上；
所述待测γ/X射线、闪烁体阵列(19)、半导体激光二极管(2)与空间定位器(3)依次排列且位于闪烁体阵列(19)的对称轴线上；
定义待测γ/X射线的出射方向为z轴方向；
所述闪烁体阵列(19)的第一层未遮蔽端出光沿x轴方向，闪烁体阵列(19)的第二层未遮蔽端出光沿y轴方向；
所述空间定位器(3)用于对准待测γ/X射线、闪烁体阵列(19)与半导体激光二极管(2)的空间中心位置；
所述第一相机(14)设置于x轴方向上，用于测量闪烁体阵列(19)上发光闪烁体在x轴方向的发光图像；
所述第二相机(16)设置于y轴方向上，用于测量闪烁体阵列(19)上发光闪烁体在y轴方向的发光图像；
所述半导体激光二极管(2)的输入端位于闪烁体阵列(19)上发光闪烁体的出射端，半导体激光二极管(2)的输出端依次设置有非球面透镜(4)和光电转换组件；光电转换组件与所述监测设备连接。
4.根据权利要求3所述的用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，其特征在于：
所述光电转换组件包括聚焦透镜(7)和超快光电二极管(9)；
所述非球面透镜(4)的出光路线上设置有电动光快门(5)和翻转反射镜(6)；
所述聚焦透镜(7)设置于翻转反射镜(6)的出光光路上；
所述聚焦透镜(7)的出光聚焦在超快光电二极管(9)的输入端；超快光电二极管(9)的输出端与所述监测设备连接；
所述非球面透镜(4)与电动光快门(5)之间的光路上设置有光阑；电动光快门(5)与聚焦透镜(7)之间的光路上设置有光阑；
或者，所述光电转换组件包括可调光衰减片(11)和光电倍增管(12)；
所述非球面透镜(4)的出光路线上设置有电动光快门(5)和翻转反射镜(6)；
所述可调光衰减片(11)设置于翻转反射镜(6)的出光光路上；
所述可调光衰减片(11)的出光输入在光电倍增管(12)的输入端；光电倍增管(12)输出端与所述监测设备连接；
所述可调光衰减片(11)与光电倍增管(12)之间的光路上设置有光阑。
5.根据权利要求3所述的用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，其特征在于：
所述光电转换组件包括翻转反射镜(6)、聚焦透镜(7)、超快光电二极管(9)、可调光衰减片(11)和光电倍增管(12)；
所述非球面透镜(4)的出光路线上设置有电动光快门(5)；
所述翻转反射镜(6)设置于电动光快门(5)的出光光路上；
所述聚焦透镜(7)、超快光电二极管(9)依次设置于翻转反射镜(6)的出光光路上，翻转反射镜(6)出光经聚焦透镜(7)聚焦在超快光电二极管(9)的输入端；超快光电二极管(9)的输出端与所述监测设备连接；
所述可调光衰减片(11)和光电倍增管(12)依次设置于翻转反射镜(6)的翻转出光光路上，翻转反射镜(6)的翻转出光经可调光衰减片(11)衰减后输入光电倍增管(12)的输入端；光电倍增管(12)输出端与所述监测设备连接；
所述非球面透镜(4)与电动光快门(5)之间的光路上设置有光阑；电动光快门(5)与聚焦透镜(7)之间的光路上设置有光阑；
所述可调光衰减片(11)与光电倍增管(12)之间的光路上设置有光阑。
6.根据权利要求4或5所述的用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，其特征在于：
还包括移动平台(8)与升降平台(20)；
所述聚焦透镜(7)设置于移动平台(8)上，用于聚焦透镜(7)沿光路移动，实现聚焦位置的对准；
所述闪烁体阵列(19)设置于升降平台(20)上，用于闪烁体阵列(19)切入和切出光路；
所述监测设备包括记录设备(10)和采集设备(18)；
所述记录设备(10)与超快光电二极管(9)的输出端，或者光电倍增管(12)的输出端连接；
所述采集设备(18)分别与空间定位器(3)、第一相机(14)和第二相机(16)连接。
7.根据权利要求6所述的用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，其特征在于：
所述半导体激光二极管(2)为边发射结构或垂直腔结构；
所述半导体激光二极管(2)的激光脉冲信号传输光路可以采用自由空间或者光纤传输；
所述超快光电二极管(9)和光电倍增管(12)的光谱响应范围大于等于半导体激光二极管(2)的发射波长。
8.根据权利要求7所述的用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，其特征在于：所述空间定位器(3)为激光投线仪或He-Ne激光器；
所述第一相机(14)和闪烁体阵列(19)之间设置有第一镜头(15)；
所述第二相机(16)和闪烁体阵列(19)之间设置有第二镜头(17)；
所述第一相机(14)与第二相机(16)均为CCD相机，其感光范围大于等于闪烁体阵列(19)的发光波长。
9.根据权利要求8所述的用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，其特征在于：
所述超快光电二极管(9)和光电倍增管(12)的外部设置有屏蔽体(13)，且屏蔽体(13)为铅屏蔽体；
所述超快光电二极管(9)与记录设备(10)之间设置有行波放大器。
10.根据权利要求95所述的用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的系统，其特征在于：
所述半导体激光二极管(2)的谐振腔有源区采用量子阱材料；
所述超快光电二极管(9)的灵敏面尺寸≥10μm，暗电流≤0.1nA，峰值波长量子效率≥40％，上升时间≤100ps，光谱响应范围为170nm-1100nm；
所述闪烁体阵列(19)的材料为LYSO闪烁体或GAGG闪烁体，闪烁体阵列(19)的单根尺寸≤400μm，相邻两根闪烁体距离≤100μm；
所述聚焦透镜(7)的聚焦光斑≤1mm；
所述记录设备(10)采用高带宽数字示波器，其带宽≥6GHz，采样率≥25GS/s。
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