改善CeF3閃爍探測器輸出特性的方法研究

胡孟春，李忠寶，甫躍成，劉 建，唐登攀，朱學彬，李如榮，張建華，黃 雁，陳鈺鈺，蔣世倫，蔣樹慶，王文川

（中國工程物理研究院核物理與化學研究所，四川綿陽 621900）

改善CeF3閃爍探測器輸出特性的方法研究

胡孟春，李忠寶，甫躍成，劉 建，唐登攀，朱學彬，李如榮，張建華，黃 雁，陳鈺鈺，蔣世倫，蔣樹慶，王文川

（中國工程物理研究院核物理與化學研究所，四川綿陽 621900）

常用的CeF3閃爍探測器，由于閃爍體發(fā)光與光電器件光譜響應不完全匹配，使得探測器的主要輸出特性——輸出幅度和脈沖波形形狀發(fā)生明顯變化，較難依據(jù)相似性通過探測器輸出復原得到輻射源的真實特征。本工作針對這種不完全匹配情況，分析比較了幾種改善閃爍探測器輸出的方法，提出了在CeF3無機閃爍體與光電器件光陰極之間加移波膜片耦合的方法。原理分析和實驗測量結(jié)果表明：采取移波膜片耦合方法可使傳統(tǒng)CeF3閃爍探測器輸出特性得到明顯改善，輸出幅度增加50%以上，脈沖時間響應前沿由傳統(tǒng)方式的12ns變化到移波方式的約3ns。

CeF3；無機閃爍體；輻射探測；移波；時間響應；發(fā)射光譜；光譜響應

Key words：CeF3；inorganic scintillator；radiation detection；wave－shifting；time response；emission spectrum；spectral response

從核輻射進入閃爍體到光電器件形成電流輸出一般經(jīng)歷5個過程［1］：閃爍體中帶電粒子或伽馬射線產(chǎn)生的次級電子引起閃爍體電離、激發(fā)；損失在閃爍體中的能量使閃爍體產(chǎn)生閃爍光子；閃爍光子在閃爍體和光導系統(tǒng)（包括耦合硅油）中輸運；光子到達光電器件的光陰極，與其發(fā)生作用發(fā)射光電子；最后，形成探測器電流輸出（光電倍增管探測器光電子數(shù)放大，光電管光電子數(shù)不放大）。其中，閃爍體產(chǎn)生的光子波長存在某種分布，發(fā)光效率是波長的函數(shù)，一般用發(fā)射光譜描述；光電器件光陰極發(fā)射光電子的粒子效率也是波長的函數(shù)，一般用光譜響應描述。閃爍體的發(fā)射光譜曲線與光電器件光陰極的光譜響應曲線在相同波長范圍內(nèi)覆蓋或重疊部分越大，表示匹配越好，輸出的光電子數(shù)越多，輸出電流將越大。常用的CeF3閃爍探測器，閃爍體發(fā)光與光電器件光譜響應不完全匹配，相對匹配情況探測器輸出幅度減少，相對輻射源脈沖形狀探測器輸出的脈沖波形形狀發(fā)生了部分失真，這給依據(jù)相似性通過探測器輸出復原得到被測輻射源真實特征的工作造成了一定的困難。為減少這種困難，本文針對這種不完全匹配情況，在類比幾種能改善閃爍探測器輸出原理的基礎(chǔ)上，提出在CeF3無機閃爍體與光電器件光陰極之間加移波膜片閃爍體耦合的方法，通過實驗測量比較以驗證改善閃爍探測器輸出特性的可行性，為CeF3閃爍探測器輸出特性的改善提供可選途徑。

圖1 CeF3閃爍探測器輸出時間響應波形Fig．1 Output time response wave of CeF3scintillation detector

1 光譜響應對CeF3閃爍探測器主要輸出特性的影響

不同的應用情況，閃爍探測器輸出特性的表征方式可能不同，針對單粒子記數(shù)用探測器情況，常用脈沖幅度、能量分辨率、時間特性等物理量表征；與閃爍體相關(guān)的輸出一般用發(fā)射光譜、發(fā)光衰減時間等物理量表征；針對電流型閃爍探測器測量瞬態(tài)群粒子的脈沖電流情況，一般可采用脈沖輸出波形形狀特征，如時間響應、峰值強度等；穩(wěn)態(tài)電流情況，采用如暗電流、信號電流值等直接測量量或綜合測量量的靈敏度進行表征。本工作使用的電流型閃爍探測器主要應用于脈沖輻射測量，通常用探測器的脈沖時間響應波形和靈敏度表征探測器輸出特性。在中子、伽馬混合脈沖輻射場中進行伽馬測量，應用最廣泛的CeF3閃爍探測器一般由CeF3無機閃爍體與常規(guī)光電器件組合構(gòu)成，輻射激發(fā)CeF3閃爍體產(chǎn)生的熒光發(fā)射譜峰值波長約310～340nm，常規(guī)光電器件一般為光譜響應峰值波長約400nm的光電倍增管或光電管，由于閃爍體發(fā)光與光電器件光譜響應不匹配，使探測器的主要輸出特性——輸出幅度和脈沖波形形狀發(fā)生明顯變化。光譜匹配CeF3閃爍探測器的靈敏度較光譜不完全匹配CeF3閃爍探測器的明顯高，時間響應前沿明顯快。圖1為采用光譜響應與CeF3閃爍體發(fā)射光譜匹配的透紫光電器件和光譜響應與CeF3閃爍體光譜不完全匹配的普通光電器件（不透紫光電管）分別配相同CeF3閃爍體構(gòu)成的兩種類型探測器，在相同情況下測量的脈沖輸出時間響應波形。

由圖1可得到，光譜匹配CeF3閃爍探測器測量時間響應波形前沿約1ns，下降時間約72ns；不完全匹配CeF3閃爍探測器測量時間響應波形前沿約12ns，下降時間約85ns。應用鈷源和銫源對這兩類探測器的同情況靈敏度比對表明：光譜匹配CeF3閃爍探測器的靈敏度較光譜不完全匹配CeF3閃爍探測器明顯高，其比值約為3。

2 改善閃爍探測器輸出特性的可能途徑

2．1 使用透紫光陰極光電器件

雙堿（K－Na—Cs－Sb）光陰極光電器件對光波的最高響應光譜偏紫，光譜響應范圍一般可覆蓋300～500nm，常用的透紫光電倍增管或光電管就屬于這種類型，能與熒光發(fā)射譜峰值波長在300～500nm內(nèi)的閃爍體較好匹配，量子效率能得到提高，從而使閃爍探測器輸出特性得到有效改善。選擇透紫光陰極的光電倍增管或光電管，其光譜響應可較好地覆蓋310～340nm波長范圍，構(gòu)成的閃爍探測器能較好地改善閃爍探測器的輸出特性，這一點可從圖1得到證實。但該方式必須將探測系統(tǒng)的主要部件光電器件徹底更換，探測系統(tǒng)的構(gòu)成成本必將明顯提高，同時對已定型的探測器系統(tǒng)進行關(guān)鍵部件改變可能面臨一系列需進一步論證的工作。

2．2 使用波長移波轉(zhuǎn)換涂料

將藍光波長轉(zhuǎn)換涂料涂覆在光電倍增管或光電管光陰極或晶體表面，能將紫外熒光波長轉(zhuǎn)換成藍光發(fā)射譜，熒光發(fā)射譜峰值波長約410～430nm，對于發(fā)射熒光譜峰值波長為320～370、300～370、270～370nm的閃爍晶體，與涂覆藍光波長轉(zhuǎn)換涂料的普通光電倍增管或光電管光陰極光譜響應范圍能較好匹配［2］，量子效率能得到提高，從而使閃爍探測器輸出特性得到有效改善。目前市場上已有藍光波長轉(zhuǎn)換漆，這種漆透明，是將PVT和熒光摻雜劑溶解在二甲苯溶液制成，漆膜和玻璃底層黏附性好，幾μm的薄膜在給定波長范圍的光學密度或光強度超過80%，由于存在可燃性和輕微可吸入危害，使用時可能會受到一定的限制。

2．3 使用波長移波光纖

文獻［3－4］中提到了一種高效快中子轉(zhuǎn)換屏，應用了移波光纖，其原理是：快中子在閃爍物質(zhì)中與氫發(fā)生彈性散射，得到反沖質(zhì)子，反沖質(zhì)子激發(fā)ZnS（Ag），發(fā)出中心波長為450nm的藍光。藍光進入移波光纖后被移波材料吸收，然后各向同性地發(fā)出波長較長的光。

2．4 使用波長轉(zhuǎn)換劑

液閃中射線與吸收閃爍溶劑作用產(chǎn)生的低波長熒光，如吸收300nm波長熒光，發(fā)射370nm左右發(fā)射譜，波長與PMT光陰極的靈敏波長（約450nm）不匹配。通過加入波長轉(zhuǎn)換劑如bis－MSB，吸收閃爍溶劑發(fā)出的低波長熒光，在較長的波段重新發(fā)射熒光，該熒光與普通光電倍增管或光電管光陰極光譜響應范圍能較好匹配［56］，量子效率能得到提高，從而使閃爍探測器輸出特性得到有效改善。

2．5 閃爍體與光電器件光陰極之間加移波膜片閃爍體耦合

根據(jù)采用移波涂料、移波光纖、波長轉(zhuǎn)換劑等改善閃爍探測器輸出特性的方法的原理，探索選用移波材料與被移波閃爍體光譜相適合的移波膜片，移波方式是將移波膜片夾在閃爍體與光電器件光陰極之間耦合而成，這種方式對已定型的探測系統(tǒng)將改變較少。

3 移波CeF3閃爍探測器輸出特性改善的測量

3．1 移波CeF3閃爍體的構(gòu)成

移波CeF3閃爍體是由傳統(tǒng)CeF3閃爍體與光電器件光陰極之間加相應波長移波膜片（厚度不足1mm，面積與CeF3適配）構(gòu)成的復合CeF3閃爍體。針對CeF3的情況，構(gòu)成移波膜片的移波材料要滿足兩條基本特性：對CeF3閃爍體產(chǎn)生的310～340nm波長范圍熒光能盡量有效吸收，且能將其有效轉(zhuǎn)換成發(fā)射譜峰值波長約410～430nm的熒光，以便與普通光電倍增管或光電管光陰極光譜響應范圍較好匹配；另外，移波膜片要盡量薄，約100～500μm，能移波即可，盡量不對主閃爍體CeF3產(chǎn)生其他影響。本工作使用的CeF3移波膜片閃爍體是由閃爍體專門研制廠家依據(jù)這種物理思路進行相關(guān)模擬計算，選擇優(yōu)化設(shè)計移波膜片閃爍體配方制備出的樣品。

3．2 移波CeF3閃爍探測器靈敏度的改善

測量移波CeF3探測器輸出的γ輻射源為60Co放射性標準源場，探測器距源約1m，1m處的輻射光斑直徑約10cm。60Co放射性源根據(jù)平均能量1．25MeV考慮。構(gòu)成閃爍探測器的光電器件為脈沖線性電流可大于1．5A的T5型光電倍增管（T5／4444），CeF3閃爍體直徑為45和40mm兩種，厚度均為10mm，外加高壓－3 200V。表1為移波CeF3探測器輸出在60Co放射性標準源場中γ絕對靈敏度測量結(jié)果。

表1 移波CeF3閃爍探測器對γ輻射的靈敏度測量結(jié)果Table 1 γsensitivity measurement results of wave－shifting CeF3scintillation detector

測點的注量率是根據(jù)60Co放射性標準源所屬單位直接測量結(jié)果和源出廠活度推算得到的。表1的測量結(jié)果表明：采取移波片閃爍體耦合方法可使傳統(tǒng)CeF3閃爍探測器輸出特性得到明顯改善，輸出幅度增加50%以上。

3．3 移波CeF3閃爍探測器時間特性的改善

圖2為與圖1輻射脈沖源相同情況下，移波CeF3閃爍探測器時間特性與傳統(tǒng)CeF3閃爍探測器時間特性的對比測量情況，所示分別為采用光譜響應與CeF3閃爍體光譜匹配的透紫光電器件，和光譜響應與CeF3閃爍體光譜不完全匹配的普通光電器件，構(gòu)成的兩種類型探測器，在相同情況下測量的脈沖輸出時間響應波形。

圖2 移波CeF3閃爍探測器輸出時間響應波形Fig．2 Output time response wave of wave－shifting CeF3scintillation detector

圖2的對比測量結(jié)果表明：采取移波膜片閃爍體耦合方法可使傳統(tǒng)CeF3閃爍探測器輸出特性得到明顯改善，脈沖時間響應前沿由傳統(tǒng)的12ns變化到移波情況的約3ns。

4 結(jié)論

通過對幾種改善閃爍探測器輸出特性的途徑原理進行分析，選擇由傳統(tǒng)CeF3閃爍體與光電器件光陰極之間加相應波長移波膜片（厚度不足1mm，面積與CeF3適配）構(gòu)成復合移波CeF3閃爍體。實驗測量結(jié)果表明：采取移波膜片閃爍體耦合方法可使傳統(tǒng)CeF3閃爍探測器輸出特性得到明顯改善，輸出幅度增加50%以上，脈沖時間響應前沿由傳統(tǒng)方式的12ns變化到移波方式的約3ns。應用該方法不必將探測系統(tǒng)的主要部件光電器件徹底更換，探測系統(tǒng)的構(gòu)成成本未明顯提高，對已定型的探測器系統(tǒng)采用此方式改善輸出特性是一種可選途徑。

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Analysis on Method to Improve Output Characteristic of CeF3Scintillation Detector

HU Meng－chun，LI Zhong－bao，F(xiàn)U Yue－cheng，LIU Jian，TANG Deng－pan，ZHU Xue－bin，LI Ru－rong，ZHANG Jian－h(huán)ua，HUANG Yan，CHEN Yu－yu，JIANG Shi－lun，JIANG Shu－qing，WANG Wen－chuan
（Institute of Nuclear Physics and Chemistry，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621900，China）

For a common CeF3scintillation detector，since the optical spectrum of CeF3does not match the optical spectrum of the photoconducting device closely，the main output characteristics，namely，output level and pulse waveform，will be deformed and cannot be used to deduce the true characteristic of the radiation source．In this work，after literature survey and sample comparing，it is found that it is effective to add a wave－shifting wafer between the CeF3and the photoconducting device．As is shown in principle analysis and experiment results，the wave－shifting wafer method can improve the output characteristic of a CeF3scintillation detector observably．The output level increases by over 50%and the pulse time response changes to 3ns from 12ns after the wave－shifting wafer method is used．

TL812；TL816；O78

A

1000－6931（2015）03－0540－05

10．7538／yzk．2015．49．03．0540

2013－12－17；

2014－08－28

中國工程物理研究院預先科學研究資金資助項目（426020303）

胡孟春（1963—），男，湖南株洲人，研究員，碩士，從事脈沖核輻射測量研究