CN210803733U - 一种缩短lyso晶体闪烁衰减时间的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，包括竖直设置的保温套筒，所述保温套筒包括竖直设置的样品放置筒，所述样品放置筒的内部区域为加热腔，所述样品放置筒采用导热绝缘材料制成，所述样品放置筒内表面中部设有晶体固定机构，所述样品放置筒外表面均匀布置有加热丝，形成加热层。本实用新型通过在样品放置筒的正上方设置光电探测器对加热后的样品晶体的闪烁衰减时间进行检测，发现其闪烁衰减时间从原来的36‑42ns变成了8‑12ns；克服了本领域技术人员认为LYSO晶体闪烁不能用于高重频实验的技术偏见。

Description

一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置

技术领域

本实用新型涉及闪烁晶体的重频试验装置，具体涉及一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置。

背景技术

发展超快闪烁衰减、高光产额的无机闪烁体一直是闪烁材料重要的研究方向和热点，经过多年发展，各国科学家已成功研制出不少短余辉，也就是闪烁衰减时间短的无机闪烁体，其衰减时间都远优于传统的闪烁晶体如BGO及NaI(Tl)等。

而ZnO、CuI晶体是目前已知最快的两种闪烁晶体，其闪烁衰减时间很短，可以达到亚ns量级，可以满足百MHz重频的X光或高能电子的时间要求。但ZnO晶体的自吸收效应很严重，大量的激发光不能从晶体中辐射出来，导致可以被测量到的闪烁光强度很热；CuI晶体光产额很低自身不稳定，制备好的CuI晶体在密封好的环境下也会迅速发生歧化反应，分解成碘单质和CuI2晶体，截止目前，CuI晶体自身稳定性还未得到解决；这一点限制了这两种晶体在高能X射线和高能电子束的应用。

光产额和闪烁光衰减时间是闪烁晶体性能表征的两个重要指标，硅酸钇镥(LYSO:Ce)晶体在x光照射下的闪烁衰减时间为40ns左右，其光产额可以达到30000photon/MeV，是当前常用的高能物理和X光诊断的闪烁晶体。但是当其在被10MHz重频的高能X光或高能电子轰击时，每个X光或电子束脉冲之间的间隔不超过100ns；受激的LYSO晶体发出的闪烁光重叠，多脉冲信号将不能正确显示，这严重地限制了LYSO晶体在高重频实验中的应用。

实用新型内容

本实用新型目的在于解决现有LYSO晶体在进行高重频实验时，其闪烁衰减时间长，多脉冲信号不能得到正确显示的问题，提供了一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，通过对LYSO晶体进行加热，缩短其闪烁衰减时间。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，包括竖直设置的保温套筒，所述保温套筒包括竖直设置的样品放置筒，所述样品放置筒的内部区域为加热腔，所述样品放置筒采用导热绝缘材料制成，样品放置筒外表面均匀布置有加热丝，形成加热层。当前，为获得更短的闪烁衰减时间，技术人员主要是寻找更短闪烁衰减时间的新的功能晶体，并未考虑现有的功能晶体的工作条件对其功能的影响；开发新的更短闪烁衰减时间的功能晶体是必要的，但其耗费的时间长且不确定，通常以年记，所需的开发经费通常是以百万记；以被技术工作者认为最具潜力之一功能晶体ZnO材料为例，ZnO晶体的闪烁特性是在1966年Nicol研究电子束输运行为时意外发现的，但突破ZnO晶体的制备花费了30年余，到2000年前后日本科学家利用水热法才制备出1英寸大小的透明晶体，而直到十年前才开始将ZnO晶体用于闪烁实验测量高能X射线和高能电子束，但该晶体因自身的缺陷导致其现在并未在X射线和高能电子束测量中应用；因此探索和制备新的可用的功能晶体是必须的，但在短期内看费效比太低，并且无法满足当前的实验测量和研究的需求，针对上述问题，发明人提出通过提高现有的LYSO晶体工作温度的方式使其满足试验要求的构想，经过研究发现LYSO晶体自身的闪烁衰减时间是在40ns左右，当其工作温度升高时，其闪烁衰减时间迅速缩短，这就是LYSO晶体本身的温度猝灭效应。温度猝灭效应的另一表现是当温度升高后该晶体的光产额会降低；但是考虑到其使用环境是针对高重频高能粒子源，闪烁衰减时间的缩短与光产额的降低选择在合适的范围内，针对10MHz及以上重复频率的X光或高能粒子束，晶体的工作温度控制在150℃，此时晶体的光产额最多降低60-70％，所以便可以忽略光产额的影响，基于上述原理发明人设计了本试验装置。本试验装置应用时设置于真空环境下，真空环境可以为抽去空气的金属真空箱，保温套筒包括竖直设置的样品放置筒，在进行实验时将样品晶体，也就是LYSO晶体固定于样品放置筒内，将高能粒子源设置于样品放置筒的正下方，使其发出的X光或者高能粒子束正入射样品晶体，样品放置筒的表面均匀布置有加热丝，此时给加热丝通电开始加热，由于加热丝均匀分布于样品放置筒的外表面，所以加热层呈与样品放置筒同轴的环形，从而使加热腔内形成一个较为均匀的温度辐射场，当样品晶体的温度被升高到合适的温度后，通常情况下是145-155℃，停止加热，用高能粒子源产生的高能粒子束对样品晶体进行轰击，发明人通过在样品放置筒的正上方设置光电探测器对加热后的样品晶体的闪烁衰减时间进行检测，发现其闪烁衰减时间从原来的36-42ns变成了8-12ns；通过设置该保温套筒，显著的缩短了LYSO晶体的闪烁衰减时间，对无机闪烁体的发展做出了卓越的贡献，相较于现有技术来说具有显著的进步，同时克服了本领域技术人员认为LYSO晶体闪烁不能用于高重频实验的技术偏见。

进一步的，一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，还包括设置于加热层外的保温层，所述保温层采用隔热陶瓷制成。通过设置保温层，将加热层与外界隔离，减少热量的流失，有利于延长被加热后的LYSO晶体的使用时间，在未加保温层之前，被加热的样品晶体温度分布会有10℃以上的温度不均匀性，并且会在1-2分钟内温度便下降5℃以上，此时样品晶体的闪烁衰减时间便会上升，并且不同区域的晶体闪烁衰减时间不同，此时样品晶体的闪烁衰减时间便会上升，所以为了使样品晶体的闪烁衰减时间控制在合理的范围内，又需要重新对样品晶体进行加热，这就会浪费不少时间；通过设置保温层还有利于提高实验效率；保温层的设置同时还有利于加热腔内的温度辐射场的均匀化，维持加热腔内样品晶体温度场的均匀，其原理如下：保温层与加热丝接触的部分会被加热丝加热并形成二次热源，所形成的二次热源除了对样品晶体进行加热外，还可弥补由于加热丝间隔形成的热源分离导致的加热不均匀问题。

进一步的，所述加热丝内外两侧均包裹有绝缘陶瓷片。当加热丝直接和外部的保温层以及样品放置筒接触时，在加热过程中，由于加热丝表面温度较高，在若干次反复循环加热的过程中，保温层及样品放置筒与加热丝的接触部分容易因温度的富集进而导致其局部损坏，这样一来，若要对其进行更换便只能全部换掉，所以发明人又在加热丝的两侧包裹了绝缘陶瓷片，隔绝了加热丝与保温层和样品放置筒之间的直接接触，当绝缘陶瓷片发生损坏时，便只需要更换绝缘陶瓷片即可，在长期实验过程中有利于成本的降低；除此之外，通过还为加热丝提供了绝缘保护，有利于本装置在使用过程中的安全性。

进一步的，所述加热层和样品放置筒之间还设有金属导热层，所述加热丝采用铁铬铝合金制成。为了进一步提高加热腔内温度辐射场的均匀性，发明人又在加热层和样品放置筒之间增设了金属导热层，其中，金属导热层与加热丝相接触，加热丝为初级热源，所以金属导热层为二次热源，相比加热丝与金属导热层的接触面，金属导热层与最终的温度场接触面积更大，温度分布更均匀，因此金属导热层可以使热量传输均匀化，并且在传输过程中金属导热层和温度场的温度会形成二次空间和时间分布，实际的温度场调节就是通过金属导热层实现的。如此，本实用新型通过设置金属导热层能够使热量传输均匀化，同时金属导热层还具有温度场调节的功能，铁铬铝电阻丝外表有一层氧化层可以起到一定的绝缘作用。

进一步的，所述金属导热层包括由外至内依次设置的导热层、导热绝缘层及热匀化层。如此，本实用新型的金属导热层为多层结构兼具绝缘保护。

进一步的，所述加热层和金属导热层之间，设有用于检测加热丝温度的温度传感器。为了更加精准的对加热腔的温度进行合理的控制，发明人想到对发热源的温度进行监测，所以又在加热层和金属导热层之间设置了温度传感器，具体设置时可设置多个，同时沿金属导热层的圆周方向均匀分布，通过温度传感器对加热丝的温度进行监测，通过对发热源温度的监测有利于对加热腔温度更好的控制。

进一步的，所述样品放置筒的一端内壁向其轴线方向靠近，形成弧形椭球面。本实用新型通过弧形结构的设置，可以使得加热腔的热源分布并不只是在径向分布，在加热腔的轴线方向也有分布，可以减小热量通过腔端面的流失。

进一步的，样品放置筒包括竖直设置的第一筒体以及设置于第一筒体内且与第一同轴设置的第二筒体，第一筒体内表面中部沿径向内凸构成有环形的凸台，第二筒体的下端设置于凸台的上表面。为了提升试验效果所以在进行试验时，通常是将LYSO晶体样品设置成圆形的薄片状，所以针对其在加热腔内的固定方式，发明人设计了上述结构，在使用时，将LYSO晶体样品水平放置于第一筒体内表面的凸台上，然后将第二筒体从第一筒体的上方导入，使第二筒体的下端面压于第一筒体LYSO晶体样品的上表面，这样便将LYSO晶体样品固定于加热腔中了，同时拆卸时，只需将第二筒体从第一筒体内取出便可，提高了本试验装置的灵活性。

进一步的，所述样品放置筒采用的导热绝缘材料为SiC或Si₃N₄陶瓷。

基于上述一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一、将LYSO晶体样品固定于加热腔的中部；

步骤二、在保温套筒的正下方设置高能粒子源，使高能粒子源发出的高能粒子束正对LYSO晶体样品；

步骤三、在保温套筒的正上方设置光电探测器，将实验装置所在的环境抽成真空环境；

步骤四、给加热丝通电，使LYSO晶体样品的温度达到145-155℃；

步骤五、使用高能粒子束轰击LYSO晶体样品，并通过光电探测器对LYSO晶体样品的闪烁衰减时间进行检测。

通过光电探测器的检测结果得知，LYSO晶体样品闪烁衰减时间从原来的36-42ns变成了8-12ns；通过设置该保温套筒，显著的缩短了LYSO晶体的闪烁衰减时间，对无机闪烁体的发展做出了卓越的贡献，相较于现有技术来说具有显著的进步。本实用新型应用时，实验装置所处的环境可以为金属箱或者实验室，步骤三在实施时将其抽成真空。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、通过设置该保温套筒对LYSO晶体进行加热，显著的缩短了LYSO晶体的闪烁衰减时间，对无机闪烁体的发展做出了卓越的贡献，相较于现有技术来说具有显著的进步，同时克服了本领域技术人员认为LYSO晶体闪烁不能用于高重频实验的技术偏见。

2、保温层与加热丝接触的部分会被加热丝加热并形成二次热源，所形成的二次热源除了对样品晶体进行加热外，还可弥补由于加热丝间隔形成的热源分离导致的加热不均匀问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的横向剖视图；

图2为本实用新型的纵向剖视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-样品放置筒、2-金属导热层、3-加热层、4-保温层、5-温度传感器、6-高能粒子源、7-光电探测器、8-红外线测温仪、11-第一筒体、12-第二筒体。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

如图1和图2所示，一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，包括竖直设置的保温套筒，其中，保温套筒包括竖直设置的样品放置筒1，样品放置筒1的内部区域为加热腔，样品放置筒1采用导热绝缘材料制成，本实施例中样品放置筒1采用的导热绝缘材料为SiC或Si₃N₄陶瓷。样品放置筒1内表面中部设有晶体固定机构，样品放置筒1外表面均匀布置有加热丝，形成加热层3。本实施例中，样品放置筒1包括竖直设置的第一筒体11以及设置于第一筒体11内且与第一同轴设置的第二筒体12，第一筒体11内表面中部沿径向内凸构成有环形的凸台，第二筒体12的下端设置于凸台的上表面，在使用本装置进行试验时，将LYSO晶体样品水平放置于第一筒体内表面的凸台上，然后将第二筒体从第一筒体的上方导入，使第二筒体的下端面压于第一筒体LYSO晶体样品的上表面，这样便将LYSO晶体样品固定于加热腔中了，同时拆卸时，只需将第二筒体从第一筒体内取出便可。

本实施例还包括设置于加热层3外的保温层4，保温层4采用隔热陶瓷制成。通过设置保温层4，将加热层3与外界隔离，减少热量的流失，有利于延长被加热后的LYSO晶体的使用时间；保温层4的设置同时还有利于加热腔内的温度辐射场的均匀化，维持加热腔内样品晶体温度场的均匀，其原理如下：保温层4与加热丝接触的部分会被加热丝加热并形成二次热源，所形成的二次热源除了对样品晶体进行加热外，还可弥补由于加热丝间隔形成的热源分离导致的加热不均匀问题。在进行实验时将样品晶体，也就是LYSO晶体通过固定机构固定于样品放置筒1内，将高能粒子源6设置于样品放置筒的正下方，使其发出的X光或者高能粒子束正对样品晶体，样品放置筒1的表面均匀布置有加热丝，此时给加热丝通电开始进行加热，由于加热丝均匀分布于样品放置筒1的外表面，所以加热层3呈与样品放置筒1同轴的环形，从而使加热腔内形成一个较为均匀的温度辐射场，当样品晶体的温度被升高到合适的温度后，通常情况下是145-155℃，停止加热，用高能粒子源6产生的高能粒子束对样品晶体进行轰击，发明人通过在样品放置筒1的正上方设置光电探测器7对加热后的样品晶体的闪烁衰减时间进行检测，发现其闪烁衰减时间从原来的36-42ns变成了8-12ns。

实施例2

本实施例相较于实施例1的区别在于，本实施例的加热层3和样品放置筒1之间还设有金属导热层2，加热丝采用铁铬铝合金制成，铁铬铝电阻丝外表设置一层氧化层，可以起到一定的绝缘作用。本实施例的金属导热层2包括由外至内依次设置的导热层、导热绝缘层及热匀化层，其中，导热层和热匀化层均采用2mm厚的铜层，导热绝缘层采用SiC或Si₃N₄陶瓷制成，通过设置金属导热层2能够使热量传输均匀化。本实施例的加热丝内外两侧均包裹有绝缘陶瓷片，当加热丝直接和外部的保温层4以及样品放置筒1接触时，在加热过程中，由于加热丝表面温度较高，在若干次反复循环加热的过程中，保温层4及样品放置筒1与加热丝的接触部分容易温度的富集进而导致其局部损坏，这样一来，若要对其进行更换便只能全部换掉，所以发明人又在加热丝的两侧包裹了绝缘陶瓷片，隔绝了加热丝与保温层4和样品放置筒1之间的直接接触，当绝缘陶瓷片发生损坏时，便只需要更换绝缘陶瓷片即可，在长期实验过程中有利于成本的降低。

实施例3

本实施例相较于实施例2的区别在于，本实施例的加热层3和金属导热层2之间设有用于检测加热丝温度的温度传感器5。为了更加精准的对加热腔的温度进行合理的控制，所以又在加热层3和金属导热层2之间设置了温度传感器5，本实施例中温度传感器5的数量为两个以上，同时沿金属导热层2的圆周方向均匀分布。本实施例应用时，温度传感器5配合现有技术中常用的温度监测系统使用，通过温度监测系统对加热丝的温度进行监测，在试验时，可根据多个温度传感器5反馈回的信号对加热腔的温度场是否均匀做出判断，同时及时做出调整。同时本实施例中，在样品放置筒1的正上方斜30°左右的方向处还设有红外测温仪8，该红外测温仪8用于测量样品晶体的温度。

本实施例中，通过对红外测温仪8对样品晶体的温度进行测量，通过温度传感器5和红外测温仪8的相互配合方便了试验过程中对晶体的温度进行精准的控制，有利于保证样品晶体在试验过程中其闪烁衰减时间的稳定。本实施例中发现，当红外测温仪检测到样品晶体温度为150℃时，其闪烁衰减时间变为了8-12ns。

实施例4

本实施例相较于实施例3的区别在于，样品放置筒1的一端内壁向其轴线方向靠近，形成弧形椭球面。该端为高能粒子束的进入端，本实施例将晶体安置和防护层入口采用近似弧形设计，目的是为了调节加热腔中的温度场分布。

实施例5

基于实施例1-4中任意一个实施例所述的一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置的实验方法；

步骤一、将LYSO晶体样品固定于加热腔的中部；

步骤二、在保温套筒的正下方设置高能粒子源，使高能粒子源发出的高能粒子束正对LYSO晶体样品；

步骤三、在保温套筒的正上方设置光电探测器，将实验装置所在的环境抽成真空环境；

步骤四、给加热丝通电，使LYSO晶体样品的温度达到145-155℃；

步骤五、使用高能粒子束轰击LYSO晶体样品，并通过光电探测器对LYSO晶体样品的闪烁衰减时间进行检测。

通过光电探测器的检测结果得知，LYSO晶体样品闪烁衰减时间从原来的36-42ns变成了8-12ns；通过设置该保温套筒，显著的缩短了LYSO晶体的闪烁衰减时间，对无机闪烁体的发展做出了卓越的贡献，相较于现有技术来说具有显著的进步。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，其特征在于，包括竖直设置的保温套筒，所述保温套筒包括竖直设置的样品放置筒(1)，所述样品放置筒(1)的内部区域为加热腔，所述样品放置筒(1)采用导热绝缘材料制成，所述样品放置筒(1)外表面均匀布置有加热丝，形成加热层(3)。

2.根据权利要求1所述的一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，其特征在于，还包括设置于加热层(3)外的保温层(4)，所述保温层(4)采用隔热陶瓷制成。

3.根据权利要求1所述的一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，其特征在于，所述加热丝内外两侧均包裹有绝缘陶瓷片。

4.根据权利要求1所述的一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，其特征在于，所述加热层(3)和样品放置筒(1)之间还设有金属导热层(2)，所述加热丝采用铁铬铝合金制成。

5.根据权利要求4所述的一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，其特征在于，所述金属导热层(2)包括由外至内依次设置的导热层、导热绝缘层及热匀化层。

6.根据权利要求4所述的一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，其特征在于，所述加热层(3)和金属导热层(2)之间，设有用于检测加热丝温度的温度传感器(5)。

7.根据权利要求1所述的一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，其特征在于，所述样品放置筒(1)的一端内壁向其轴线方向靠近，形成弧形椭球面。

8.根据权利要求1所述的一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，其特征在于，所述样品放置筒(1)包括竖直设置的第一筒体(11)以及设置于第一筒体(11)内且与第一同轴设置的第二筒体(12)，所述第一筒体(11)内表面中部沿径向内凸构成有环形的凸台，所述第二筒体(12)的下端设置于凸台的上表面。

9.根据权利要求1所述的一种缩短LYSO晶体闪烁衰减时间的实验装置，其特征在于，所述样品放置筒(1)采用的导热绝缘材料为SiC或Si₃N₄陶瓷。

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