基于該濾光器的快響應(yīng)γ射線探測器的研制,光學(xué)論文

基于該濾光器的快響應(yīng)γ射線探測器的研制,光學(xué)論文-n混合輻射場中的強(qiáng)流脈沖射線測量是脈沖輻射探測技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一.測量中使用的閃爍探測器工作在電流形式，一般使用無機(jī)閃爍晶體，以便獲得較高的射線探測效率和-n分辨能力。但當(dāng)前常用的無機(jī)閃爍晶體的時間響應(yīng)一般在幾十到幾百ns,不能知足具有更快時間特征的射線測量需要.20世紀(jì)80年代，研究發(fā)現(xiàn)BaF2晶體具有0.6ns的快響應(yīng)成分,該晶體很快在相關(guān)研究領(lǐng)域引起高度重視。但BaF2晶體中存在630ns的慢發(fā)光成分，大大限制了應(yīng)用該晶體的探測器性能的提高。為了解決這一問題，國內(nèi)外陸續(xù)發(fā)展了幾種BaF2晶體熒光慢成分抑制技術(shù)，主要有摻鑭抑制慢成分產(chǎn)額、加載透射濾光膜、使用盲管光電探測器等。這些方式方法可在一定程度上抑制慢成分的影響，但效果并不理想.本文基于BaF2晶體兩種熒光成分光譜中心波長和衰減時間的差異，提出一種采用反射濾光方式方法的濾光器設(shè)計，研制了基于該濾光器的快響應(yīng)射線探測器，并通過實(shí)驗測量了探測器的響應(yīng)時間和靈敏度，考核了探測器的綜合性能。1BaF2晶體熒光光譜測量與分析BaF2是一種重要的無機(jī)閃爍晶體，具有較高的-n分辨本領(lǐng)和很快的發(fā)光成分，且抗輻照能力強(qiáng)，因而在混合輻射場快信號測量中具有極高的應(yīng)用價值。BaF2晶體的部分特性參數(shù)如表1所列?！颈?】本文以2000Ci的60Co放射源為射線鼓勵源，建立如此圖1所示的光譜測量系統(tǒng)，對BaF2晶體熒光光譜特性進(jìn)行了測量。射線平均能量為1.25MeV,源強(qiáng)穩(wěn)定。對相對發(fā)光光譜測量而言，無需把握源強(qiáng)度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。測量時對人員、單色儀電路及光電倍增管進(jìn)行輻射屏蔽。【圖1】在光譜掃描經(jīng)過中，放射源及晶體發(fā)光都具有很高的穩(wěn)定性，綜合考慮單色儀狹縫、分光光柵和光電倍增管光譜響應(yīng)等因素，得到BaF2晶體激發(fā)光譜如此圖2所示?！緢D2】一般以為，閃爍晶體發(fā)光中心所發(fā)射的熒光能量以發(fā)光中心激發(fā)態(tài)能級與基態(tài)能級之差為中心呈高斯分布形式。因而對BaF2晶體的激發(fā)光譜可按多個高斯分布之和的形式進(jìn)行解譜，進(jìn)而得到其光譜構(gòu)成，如此圖3所示，圖中實(shí)線為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的BaF2晶體光譜，虛線為BaF2晶體發(fā)光譜的三個主發(fā)光峰擬合譜?！緢D3】為了便于反映晶體的光譜特征，選取對BaF2晶體光譜進(jìn)行擬合的函數(shù)為高斯函數(shù)的變形，即：【1】式中，為波長，nm;c為峰值波長，nm;w為半高寬，nm;A為譜峰高度相對值；f0為本底基線相對值。對處理后數(shù)據(jù)有，f0=0.經(jīng)以上處理所得BaF2晶體光譜的三個主發(fā)光峰波長分別為〔1984〕nm,〔2244〕nm,〔2984〕nm.為了便于研究BaF2晶體各發(fā)光成分的互相關(guān)系，定義其快慢發(fā)光成分的發(fā)光強(qiáng)度之比為快慢比R.對光譜進(jìn)行波長積分可得到相對發(fā)光強(qiáng)度，利用單峰分解譜的相對發(fā)光強(qiáng)度，能夠得到在任意波長范圍1~2內(nèi)的晶體發(fā)光快慢比R為：【2】式中，f1、f2為兩個快成分發(fā)光光譜；f3為慢成分發(fā)光光譜。計算得圖3光譜之快慢比約為0.127.十分地，對理想的短波通型濾光片〔其透過率曲線如此圖4所示〕，能夠利用式〔3〕計算其濾光后的晶體發(fā)光快慢比：【3】此函數(shù)即表征光譜波長小于0部分的快慢比，計算結(jié)果如此圖5所示。從圖中能夠看出，在220nm左右，快慢比到達(dá)100左右，而對于實(shí)際的波形來講，波長小于220nm的部分慢成分比例已經(jīng)很小，發(fā)光強(qiáng)度和系統(tǒng)噪聲相當(dāng)，考察更短波長光譜的快慢比已失去意義?！緢D4.圖5】一般地，對透射率函數(shù)為g〔〕的濾光片，BaF2晶體發(fā)光快慢比可用下式表示：【4】利用數(shù)值積分方式方法能夠很方便地求出R值，并據(jù)此設(shè)計濾光系統(tǒng)的通光特性。2反射式濾光器的設(shè)計及研制傳統(tǒng)的BaF2晶體光譜調(diào)制技術(shù)一般采用短波長的紫外濾光膜，該方式方法的效果并不理想。基于反射濾光方式方法，即，在對紫外光具有高反射特性的基底外表鍍制濾光膜系，使光在通過濾光膜系被基底外表反射的經(jīng)過中其光譜得到調(diào)制，我們設(shè)計了具有屢次反射和多個光學(xué)通道的濾光器。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是濾光器對遠(yuǎn)紫外光具有較大的反射率，同時可通太多次反射減小截止波長，提高通光快慢比，進(jìn)而通過相應(yīng)的反射光路設(shè)計，獲得更好的光譜調(diào)制性能。利用氘燈光源和光譜儀對單片反射膜的光譜響應(yīng)曲線進(jìn)行了測量，理論計算了經(jīng)過反射膜2次、3次、4次反射得到的光譜響應(yīng)曲線，結(jié)果如此圖6〔a〕所示。經(jīng)過4次反射的濾光器樣品光譜反射率曲線如此圖6〔b〕所示。比擬圖6〔a〕與圖6〔b〕能夠看出，二者通光范圍基本一致，但濾光器樣品的實(shí)測反射率低于理論值，這是由于光波長越接近真空紫外界線〔195nm〕，空氣對光的吸收越強(qiáng)；同時，加工工藝經(jīng)過中的不確定因素也對其光學(xué)性能產(chǎn)生了一定影響。【圖6】綜合考慮實(shí)際應(yīng)用中對光學(xué)效率和晶體發(fā)光快慢比的要求以及工程可行性，我們設(shè)計了4次反射多通道濾光器，如此圖7所示。屢次反射能夠提高快慢比，采用多通道并聯(lián)的構(gòu)造能夠減小每一個光學(xué)通道的光程，進(jìn)而提高光的傳遞效率?！緢D7】對該多通道濾光器實(shí)測表示清楚，單片濾光膜的反射率不低于0.8,反射光譜區(qū)中心波長在225nm附近，光譜截止區(qū)250nm,在截止區(qū)的反射率低于0.02.濾光器的光譜透過率在中心波長附近接近40%,在波長250nm的光譜區(qū)內(nèi)相對光傳遞效率已經(jīng)小于1%.參見圖8.圖9為經(jīng)濾光器調(diào)制后的BaF2晶體射線激發(fā)光譜和BaF2晶體本征光譜的比擬，能夠看到晶體的慢成分基本被濾掉，而快成分保存了約40%.【圖8.9】3基于濾光器和BaF2晶體的射線探測器性能測試及研究3.1探測器研制為應(yīng)用BaF2晶體的熒光快成分，發(fā)展快響應(yīng)無機(jī)閃爍探測器技術(shù)，基于上述濾光器的設(shè)計技術(shù)，進(jìn)行了器件系統(tǒng)集成。通過綜合分析濾光器和現(xiàn)有光電器件的性能，采用GD40-ZP型光電管或光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換器件，與濾光器緊湊集成，配合相應(yīng)的支撐屏蔽構(gòu)造，研制了射線探測器系統(tǒng)，并對其探測性能進(jìn)行了研究。探測器構(gòu)造如此圖10所示。【圖10】3.2時間響應(yīng)考核探測器系統(tǒng)的時間響應(yīng)特性是評價濾光器性能與實(shí)用性的最直接和最重要的手段。利用宇宙射線對探測系統(tǒng)進(jìn)行了時間響應(yīng)實(shí)驗，宇宙射線與閃爍體作用可視為近似的信號源，合理調(diào)整探測系統(tǒng)靈敏度，可利用捕捉的宇宙射線信號評價探測系統(tǒng)的時間響應(yīng)和濾光器的作用效果。實(shí)驗采用符合法，布局如此圖11所示，實(shí)驗結(jié)果如此圖12所示?！緢D11.12】與圖12〔b〕相比，圖12〔a〕中能夠在波形后沿看到明顯的慢成分。利用西北核技術(shù)研究所提供的四用輻射儀ps通道和脈沖X光機(jī)對帶濾光器的探測系統(tǒng)時間響應(yīng)特性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如此圖13所示。使用PMT的探測系統(tǒng)測量得到的時間響應(yīng)上升沿約為2ns,半高寬約為4ns;使用光電管的探測系統(tǒng)得到的時間響應(yīng)上升沿約為0.9ns,半高寬約1.6ns,未見明顯的慢成分影響?！緢D13】3.3綜合性能考核實(shí)驗在西北核技術(shù)研究所晨光號加速器上進(jìn)行了探測器系統(tǒng)的綜合性能考核實(shí)驗，實(shí)驗布局如此圖14所示。兩只同型號光電管相對放置，BaF2晶體置于中間，華而不實(shí)一支光電管與晶體之間放置濾光器，同時利用ST401閃爍體探測器和光電管組成監(jiān)測探測器，監(jiān)測源信號。實(shí)驗獲得的結(jié)果如此圖15所示。【圖14.15】圖15〔a〕為監(jiān)測探測器的測量波形，該探測器響應(yīng)時間約為4.5ns,源脈沖時間寬度大于24ns,能夠忽略探測器響應(yīng)對脈沖形狀的影響。圖15〔b〕為帶濾光器的BaF2探測器測量波形，與圖15〔a〕中測量波形形狀基本一致，而圖15〔c〕為不帶濾光器的BaF2探測器測量波形，后沿可見明顯的慢成分波形，講明濾光器有效濾除了BaF2晶體的慢響應(yīng)熒光成分。以圖15〔a〕波形為輸入信號，模擬計算了BaF2晶體的時間特性及濾光器的性能。計算模型中，晶體快慢成分的衰減時間常數(shù)分別取0.6ns和630ns,快慢比分別取0.05和40.得到結(jié)果如此圖16所示，華而不實(shí)，圖16〔a〕為BaF2晶體快慢兩種成分對輸入信號的響應(yīng)波形及其合成結(jié)果，與圖15〔c〕符合良好；圖16〔b〕為帶濾光器系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)結(jié)果，與圖15〔a〕、圖15〔b〕相近，充分講明了濾光器的作用效果。【圖16】綜合考核實(shí)驗的結(jié)果表示清楚，濾光器很好地抑制了BaF2晶體的發(fā)光慢成分，探測器系統(tǒng)能夠在較復(fù)雜的環(huán)境下正常工作。4結(jié)束語提出了一種反射式紫外帶通濾光器的設(shè)計思想，研制了應(yīng)用于BaF2晶體光譜調(diào)制的濾光器，將BaF2晶體的熒光快慢成分之比由約0.05提高到40,有效抑制了BaF2晶體熒光慢成分的影響。研制了基于該濾光器的探測器。實(shí)驗表示清楚，探測器系統(tǒng)具有ns級的時間響應(yīng)性能，能夠知足快脈沖射線探測的需要，為脈沖輻射探測領(lǐng)域提供了一種新的探測器設(shè)計方式方法。以下為參考文獻(xiàn)[1]歐陽曉平.脈沖輻射探測技術(shù)[J].中國工程科學(xué)，2008,10〔4〕：44-55.[2]夏良斌.基于散射電子的脈沖伽馬閃爍探測技術(shù)研究[D].西安：西北核技術(shù)研究所，2008.[3]VALBISYA,RACHKOZA,YANSONSYL.Short-waveUVluminescenceofBaF2crystalscausedbycrossovertransi-tion[J].JETPLett,1985,42〔4〕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