基于單光子技術(shù)的閃爍體衰減時間常數(shù)測量

王 強，王 璐，屈菁菁，丁雨憧

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

閃爍體衰減時間常數(shù)[1]是閃爍體最重要的性能指標之一，衰減時間常數(shù)對于閃爍體內(nèi)部閃爍性能及閃爍探測器的研究具有重要意義。閃爍體的發(fā)光包括發(fā)光增加和發(fā)光衰減兩個過程：

1) 發(fā)光增加包括入射粒子在閃爍體中發(fā)射光子數(shù)達到最大值的過程，這個過程所需時間稱為上升時間常數(shù)。

2) 發(fā)光衰減是指發(fā)光強度從最大值衰減到最大值的1/e所經(jīng)歷的過程，這個過程所需時間被稱為發(fā)光衰減時間常數(shù)。

目前國內(nèi)外對于閃爍體衰減時間常數(shù)的測量方法從原理上主要分為光通量模擬法和單光子計數(shù)法兩大類[2]：

1) 光通量模擬法是將按時間分布的被測閃爍體的閃爍光，通過光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為電流量，然后通過核電子學(xué)處理得到按時間分布的電壓量。光通量模擬法測量精度較低，動態(tài)范圍較窄，但由于該方法所需測試設(shè)備較少，測試技術(shù)與數(shù)據(jù)處理較方便，所以光通量模擬法常用于衰減時間系數(shù)較長的閃爍體測量。

2) 單光子計數(shù)法[3-4]是目前最常用的一種熒光壽命測試方法，是1961年為檢測閃爍體的發(fā)光脈沖形狀建立的。主要有單光子門計數(shù)法和單光子延遲符合法，它具有較高的靈敏度，可采用弱激發(fā)方式進行測量，可避免強源激發(fā)所帶來的測試復(fù)雜化問題，具有較高的穩(wěn)定性和重復(fù)性，本文采用單光子延遲符合法進行測量。

1 測試系統(tǒng)

1.1 測試原理

圖1為單光子延遲符合法測試系統(tǒng)基本原理。利用放射源產(chǎn)生γ線，使用兩路探頭，一路使用待測閃爍體的一個端面與光電倍增管1(PMT1)耦合產(chǎn)生一個快速脈沖，通過后續(xù)的快前放1、延遲器1和恒比定時器1(CFD1)產(chǎn)生一個同步信號，作為啟動信號；另外一路使用待測閃爍體的另一個端面通過小孔準直器與快速光電倍增管2(PMT2)耦合產(chǎn)生單光子信號，通過后續(xù)的快前放2、延遲器2和恒比定時器2(CFD2)產(chǎn)生一個同步信號，作為停止信號。通過設(shè)定啟、停觸發(fā)之間的延遲量，只有這兩路觸發(fā)信號都進入設(shè)定的時間符合窗內(nèi)，才啟動符合計數(shù)器。時幅轉(zhuǎn)換器(TAC)將啟停脈沖對的間隔時間轉(zhuǎn)化為電壓高度，輸出至多道脈沖幅度分析器(MCA)進行計數(shù)道積分。通過長時間的累加，即可實現(xiàn)閃爍體樣品的發(fā)光特性時間參數(shù)測量，獲得發(fā)光衰減時間常數(shù)曲線。

圖1 單光子延遲符合法測試系統(tǒng)原理圖

1.2 測試設(shè)備

圖2為單光子延遲符合法測試系統(tǒng)，由樣品室、電子學(xué)系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。樣品室實現(xiàn)輻射源、閃爍體固定及光電倍增管探測；電子學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)高壓供電、前置放大、延遲、恒比定時及符合測量；軟件系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和時間譜測量，獲得時間譜測量的數(shù)據(jù)和曲線。

圖2 單光子延遲符合法測試設(shè)備

2 衰減時間常數(shù)測試及結(jié)果

衰減時間常數(shù)測試使用中國電子科技集團公司第二十六研究所生產(chǎn)的Ce∶LYSO和Ce∶LuAG兩種閃爍體，其中Ce∶LYSO尺寸為3.9 mm×3.9 mm×20 mm，Ce∶LuAG尺寸為5 mm×5 mm×5 mm，分別取3條，編號為1#、2#、3#。

2.1 Ce∶LYSO測試

將Ce∶LYSO在樣品室內(nèi)安裝固定好，使用137Cs放射源產(chǎn)生γ線，用示波器測量PMT1和PMT2的輸出信號，如圖3所示。由圖可知，PMT1輸出為脈沖信號，幅值約150 mV；PMT2輸出為單光子信號，幅值約30 mV。

圖3 Ce∶LYSO的PMT輸出信號

在軟件界面設(shè)置時間窗口范圍為200 ns；開始 通道恒比定時器過零電壓為20 mV，恒比定時器比較閾值電壓為75 mV；結(jié)束通道恒比定時器過零電壓為5 mV，恒比定時器比較閾值電壓為15 mV。測試得到1#、2#、3# Ce∶LYSO閃爍體衰減時間常數(shù)曲線如4所示。

圖4 Ce∶LYSO衰減時間常數(shù)測試曲線

2.2 Ce∶LuAG測試

將Ce∶LuAG在樣品室內(nèi)安裝固定好，使用137Cs放射源產(chǎn)生γ線，用示波器測量PMT1和PMT2的輸出信號，如圖5所示。由圖可看出，PMT1輸出為脈沖信號，幅值約30 mV；PMT2輸出為單光子信號，幅值約15 mV。

圖5 Ce∶LuAG的PMT輸出信號

在軟件界面設(shè)置時間窗口范圍為1 000 ns；開始通道恒比定時器過零電壓為5 mV，恒比定時器比較閾值電壓為15 mV；結(jié)束通道恒比定時器過零電壓為3 mV，恒比定時器比較閾值電壓為7 mV。測試得到1#、2#、3# Ce∶LYSO閃爍體衰減時間常數(shù)曲線如6所示。

圖6 Ce∶LuAG衰減時間常數(shù)測試曲線

2.3 測試結(jié)果與分析

對測試得到的衰減時間常數(shù)曲線進行單指數(shù)擬合，得到Ce∶LYSO和Ce∶LuAG閃爍體衰減時間常數(shù)如表1所示。

表1 衰減時間常數(shù)測試結(jié)果

由表1可看出，Ce∶LYSO和Ce∶LuAG兩種閃爍體的1#、2#、3#測試樣品衰減時間常數(shù)存在差別，分析其主要原因為：

1) 測試樣品的一致性差距。產(chǎn)品批次不同或取至同一根原生晶棒的不同位置。

2) 小孔對單光子的發(fā)散程度不夠。

3) 測試系統(tǒng)存在電子學(xué)誤差。

3 結(jié)束語

本文采用單光子延遲符合法原理搭建測試系統(tǒng)，使用137Cs放射源測量Ce∶LYSO和Ce∶LuAG兩種閃爍體的衰減時間常數(shù)，將測試得到的衰減時間常數(shù)曲線進行單指數(shù)擬合，計算得到Ce∶LYSO和Ce∶LuAG兩種閃爍體的衰減時間常數(shù)，其中Ce∶LYSO閃爍體衰減時間常數(shù)平均值為43.85 ns，與文獻[5]報道基本一致；Ce∶LuAG閃爍體衰減時間常數(shù)平均值為56.02 ns，與文獻[6]報道基本一致。