X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀的設(shè)計及實現(xiàn)

孫心瑗,余曉光,蔣達(dá)國,胡強(qiáng)林

(井岡山大學(xué),江西吉安 343009)

X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀的設(shè)計及實現(xiàn)

孫心瑗,余曉光,蔣達(dá)國,胡強(qiáng)林

(井岡山大學(xué),江西吉安 343009)

基于時間相關(guān)單光子計數(shù)原理的探測系統(tǒng),設(shè)計并實現(xiàn)了一種新型的X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀,以有效探測高能X射線激發(fā)閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度(尤其是微弱的發(fā)光)及相關(guān)的余輝特性測量。通過對常見的CsI(Tl)、LYSO(Ce)閃爍晶體和Tb3+激活硅酸鹽閃爍玻璃等的測試結(jié)果表明,所研制的X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀能很好地滿足閃爍材料的研發(fā)需要。

X射線激發(fā)發(fā)射光譜;單光子計數(shù)原理;閃爍材料

閃爍材料是一種吸收高能射線(如α-,β-,γ-和X-射線)后發(fā)出可見光的光功能材料,近年來在高能物理、核物理、天體物理、地球物理、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)成像和安全檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]?，F(xiàn)有閃爍材料主要包括閃爍晶體、閃爍陶瓷和閃爍玻璃等種類。這些閃爍材料實際應(yīng)用中必須考核的一個關(guān)鍵性指標(biāo)就是光產(chǎn)額,即高能射線激發(fā)下閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度。X射線源因較易獲得而廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生成和日常生活中,但X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀目前尚無商業(yè)化設(shè)備。為推進(jìn)教學(xué)與科學(xué)研究的順利進(jìn)行,一些科研工作者根據(jù)實際需要自行設(shè)并搭建出X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀。如黃彥林等人采用上海醫(yī)用核子儀器廠F30III-2型的X射線源、北京卓立漢光SBP300型單色儀、日本濱松公司R928-28光電倍增管就實現(xiàn)了X射線激發(fā)下閃爍體發(fā)光強(qiáng)度的測量[2]。倪晨等人也設(shè)計并搭建了一套X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀[3],他們采用了與黃彥林相同的X射線源和單色儀,但探測系統(tǒng)為濱松公司PCR131光電倍增管。這些搭建的X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀的主要缺陷在于:(1)使用的X射線源因沒有冷卻循環(huán)水只能連續(xù)工作數(shù)分鐘;(2)對于發(fā)光微弱閃爍材料的探測存在極大的困難。為此,本研究工作主要改進(jìn)可連續(xù)工作長達(dá)8小時的X射線源,以及基于單光子計數(shù)原理的光電探測系統(tǒng)來進(jìn)一步改善X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀的性能,以滿足快速發(fā)展閃爍材料的實際探測需求。

1 原 理

X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀主要由X射線源(1)、樣品支架(2)、由透鏡組(3)與光纖(4)構(gòu)成的光學(xué)耦合系統(tǒng)、基于時間相關(guān)單光子計數(shù)原理的探測系統(tǒng)(5)和計算機(jī)(6)等部分組成。各部分的主要功能分別是:

(1)X射線源可連續(xù)在0~8 h內(nèi)長時間地工作,其管電壓固定為30 kV,管電流從0~5mA可調(diào)。而且產(chǎn)生的X射線形狀(圓形或線形)可變換和尺寸可調(diào)。

(2)光學(xué)耦合系統(tǒng)主要由透鏡組及光纖構(gòu)成。其功能是將X射線激發(fā)閃爍體產(chǎn)生的熒光(200~900 nm)通過透鏡組合放大后,精確地聚焦到光纖端面,隨后熒光在光纖內(nèi)傳播并到達(dá)探測系統(tǒng)所要求的光路中。

(3)基于較成熟的時間相關(guān)單光子計數(shù)原理的探測系統(tǒng)是接收和采集光學(xué)耦合系統(tǒng)傳輸?shù)臒晒?即使X射線激發(fā)下閃爍體的微弱熒光信號也能被靈敏地探測和記錄。

基于上述的設(shè)計原理,該X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀主要用于閃爍體的高能射線(特別是X射線)激發(fā)下其發(fā)光強(qiáng)度隨波長的關(guān)系(光譜測量)、以及高能X射線停止激發(fā)后其發(fā)光強(qiáng)度隨時間的關(guān)系(余輝特性測量)。

圖1 X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀原理圖

2 測試結(jié)果

2.1 CsI(Tl)晶體

試驗測試用的CsI:Tl閃爍晶體摩爾組份為99%CsI,1%TlI,發(fā)光中心為 Tl+離子。圖1為CsI:Tl閃爍晶體的X射線激發(fā)發(fā)射光譜,測試條件為管電壓30 kV,管電流分別為3mA,掃面步長0.2 nm,停留時間0.2 s,帶寬為5 nm。X射線激發(fā)發(fā)射光譜中位于350~800 nm之間寬峰,其中最強(qiáng)發(fā)射峰(約560 nm)對應(yīng)于Tl+離子的發(fā)光,而400 nm附近的發(fā)射峰被認(rèn)為是與氧雜質(zhì)引起的I空位捕獲一個電子后形成的F心發(fā)光[4]。

圖2 CsI(Tl)閃爍晶體的X射線激發(fā)射光譜

2.2 LYSO(Ce)晶體

試驗測試用的LYSO:Ce閃爍晶體摩爾組份為:4.37Lu2O3,4.37Y2O3,46.7%SiO2,0.2% CeO2,發(fā)光中心為Ce3+離子。圖2為LYSO:Ce閃爍晶體的X射線激發(fā)發(fā)射光譜,測試條件為管電壓30 kV,管電流分別為3mA,掃面步長0.2 nm,停留時間0.2 s,帶寬為5 nm。X射線激發(fā)發(fā)射光譜中位于360~600 nm之間寬峰,對應(yīng)于典型的Ce3+離子5d-4f的光學(xué)躍遷,其最強(qiáng)發(fā)射峰位位于420 nm 圖4 Tb3+激活硅酸鹽閃爍玻璃的X射線激發(fā)射光譜附近[5]。

圖3 LYSO(Ce)閃爍晶體的X射線激發(fā)射光譜

2.3 Tb3+激活硅酸鹽玻璃

Tb3+激活硅酸鹽玻璃為同濟(jì)大學(xué)顧牡課題組提供,其質(zhì)量百分比組份為:46.7%SiO2,35.9% BaO, 1% AL2O3, 4. 03% Li (Na, K)2O,4.37Gd2O3,8%Tb4O7,0.2%CeO2,發(fā)光中心為Tb3+離子。采用傳統(tǒng)的熔融法制備,融制溫度為1 520℃,熔制氣氛為空氣[6]。

圖3為不同管電流條件下Tb3+激活硅酸鹽閃爍玻璃的X射線激發(fā)發(fā)射光譜,測試條件為管電壓30 kV,管電流分別為1.5,3.0和4.5mA,掃面步長0.2 nm,停留時間0.2 s,帶寬為2 nm。發(fā)射光譜中位于490 nm,545 nm,588 nm和624 nm的四個發(fā)光峰分別對應(yīng)于Tb3+離子5D4→7FJ(J=6, 5,4,3)的光學(xué)躍遷,其中545 nm(5D4→7F5)波長發(fā)光強(qiáng)度最大。此外,X射線激發(fā)條件下,玻璃閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度隨著管電流的增加而顯著增強(qiáng)。這是因為管電壓保持不變時,特征X射線強(qiáng)度與管電流成正比,進(jìn)而導(dǎo)致閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度與X射線的激發(fā)強(qiáng)度成正比,這與吳正龍等人報道的結(jié)果一致[7]。

圖4 Tb3+激活硅酸鹽閃爍玻璃的X射線激發(fā)射光譜

3 結(jié) 論

基于單光子計數(shù)原理的X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀成功實現(xiàn)了常見CsI(Tl)、LYSO(Ce)閃爍晶體和Tb3+激活硅酸鹽閃爍玻璃等閃爍材料的發(fā)光強(qiáng)度測量。結(jié)果表明,該X射線激發(fā)發(fā)射譜儀具有光譜分辨高、性能穩(wěn)定、操作簡便等特點,為新型閃爍材料的研發(fā)提供了一種有效的研究手段。此外,通過引入溫度附件有望實現(xiàn)閃爍體的不同溫度下的發(fā)光強(qiáng)度研究,也可引入脈沖X射線源對閃爍材料的發(fā)光動力學(xué)進(jìn)行有效表征,相關(guān)的拓展研究工作亟待深入。

致 謝

感謝上海硅酸鹽研究所任國浩研究員提供的CsI:Tl和LYSO:Ce等閃爍晶體。

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[3] 倪晨,顧牡,王迪,等.X射線激發(fā)發(fā)射譜儀的研制[J].光譜學(xué)與光譜分析,2009,29(8):2291-2294.

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[7] 吳正龍,楊百瑞.不同X射線管電壓下CsI和CsI (Tl)晶體地X射線輻照致發(fā)光[J].人工晶體學(xué)報, 2009,38(3):666-671.

Design and Set-up of X-ray Excited Lum inescence Spectrometer

SUN Xin-yuan,YU Xiao-guang,JIANG Da-guo,HU Qiang-lin
(Jinggangshan University,Jiangxi Ji’an 343009))

A novel X-ray excited luminescence spectrometer is designed and set up based on the time correlated single photon counting technology.This spectrometer realized is effectively utilized to detect the X-ray excited luminescence and afterglow spectra of scintillating materials,even in the case of weak scintillators.The testing for the famous CsI(Tl),LYSO(Ce)scintillating crystals and Tb3+-activeted silicate scintillating glasses is considerably verified to be reasonable.All the testing results suggest that the developed X-ray excited luminescence spectrometer can be well fit the researching and developing requirements of scintillatingmaterials. Key words: X-ray excited luminescence spectrometer;time correlated single photon technology; scintillatingmaterials

TH 744.16;O 433.1

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.026

1007-2934(2015)05-0091-03

2015-06-19

國家自然科學(xué)基金項目(11165010,11465010);江西省自然科學(xué)基金項目(20142BAB202006,20152ACB21017);江西省青年科學(xué)家(井岡之星)培養(yǎng)對象資助項目(20133BCB23023)。