γ/快中子圖像測量系統閃爍體光輸出特性的實驗研究

祁建敏，章法強，陳進川，李林波，陳定陽

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900)

強脈沖輻射場[1]γ/快中子圖像診斷系統[2]基于針孔/編碼孔成像或半影成像原理。通常使用大面積閃爍體將成像平面上的γ/快中子信號轉化為閃爍光，部分閃爍光通過光學成像系統收集并被由MCP和CCD組成的記錄系統記錄，由此獲得目標區域γ/快中子時空分布的信息。閃爍體是γ/快中子信號的轉換體，其閃爍光輸出及光學成像系統對閃爍光的收光效率是確定γ/中子圖像測量系統靈敏度和測量動態范圍的關鍵參數。當前研制的脈沖γ/快中子圖像測量系統關注的閃爍體主要包括用于γ成像的YAG∶Ce3+等高光輸出無機閃爍體[3]和用于快中子成像的EJ200、EJ260和EJ264等快時間響應塑料閃爍體。

在傳統的脈沖輻射測量研究領域，閃爍體光輸出特性的實驗測量一般采用閃爍體和光電器件(如光電倍增管，PMT)緊密耦合方式[4-6]。光電器件輸出信號較強，但輻射會直接作用在光電器件上，進而對信號輸出產生影響。強脈沖γ/快中子圖像測量系統使用的閃爍體與記錄系統為分離耦合方式，需研究閃爍體光輸出強度及其角分布及光學成像系統對閃爍光的收光效率和光譜響應等特性。本工作通過實驗研究閃爍體與光敏器件在分離耦合條件下輸出電流信號的變化規律，以獲得不同類型閃爍體的相對光輸出特性，為光學成像系統的光收集和傳輸特性研究提供必要參數。

1 實驗布局

分離耦合條件下閃爍體光輸出特性的實驗研究利用西北核技術研究所強60Co同位素γ源。該放射源活度約2×1014Bq，為圓柱形，底面直徑23 mm、高33 mm，所發射的γ射線能量為1.17 MeV和1.33 MeV(平均為1.25 MeV)。實驗布局如圖1所示，閃爍體和PMT分開一定距離(耦合距離Lsp)，使PMT相對閃爍體具有確定的收光角Ωsp。測量不同Lsp(或Ωsp)對應的PMT輸出電流強度，通過PMT光譜響應校正可獲得不同類型閃爍體的相對光輸出。閃爍體前使用厚100 mm、直徑45 mm的鉛準直器準直，周圍覆蓋厚100 mm的鉛以實現良好的輻射屏蔽。

圖1 閃爍體相對光輸出標定實驗布局

為提高測量信噪比(SBR)、避免實驗過程中γ射線直照PMT光頭產生較強的本底，將PMT垂直γ射線入射方向放置。在閃爍體軸線和PMT軸線垂直點放置銅鏡以反射閃爍光，該反射鏡對可見光的反射效率約為98%。由于所研究閃爍體的發光光譜主要集中在紅光至藍光波段，因此假定反射鏡對入射閃爍光的反射率為100%，認為閃爍光全部來自反射鏡后閃爍體的“虛像”，進而研究閃爍體的相對光輸出及光學成像系統收光效率的變化規律。

2 閃爍體相對光輸出的實驗研究

閃爍體前表面到60Co源間距為L0+L1=249.55 cm，通過熱釋光和氣體電離室兩種方法測得閃爍體處γ射線注量率為5.63×108cm-2·s-1。YAG∶Ce3+、ST401、EJ200、EJ260、EJ264等5種閃爍體厚度均為10 mm，YAG∶Ce3+直徑為95 mm，ST401直徑為120 mm，EJ系列閃爍體直徑為180 mm。由閃爍體后表面固定墊圈確定的閃爍體有效發光區域直徑均為68 mm。移動PMT位置以改變耦合距離Lsp，測量相應的PMT輸出電流強度變化(表1)。PMT輸出電流應扣除本底(PMT暗電流及遮擋閃爍光時的PMT光陰極電流)的影響，其凈電流反映PMT收集到的閃爍光信號的貢獻。該實驗布局使本底占總輸出電流的比例，由直照時的約10%降至0.1%～0.4%，大幅提高了實驗測量的SBR和精度。

表1 分離耦合條件下閃爍體相對光輸出實驗測量結果

圖2為雙堿陰極PMT的光譜響應曲線與不同閃爍體的發光光譜。5種閃爍體具有不同的發光光譜，需根據發光光譜和T5型PMT(俄羅斯產)雙堿陰極光譜響應曲線對PMT凈輸出電流進行修正。相應的光譜響應校正因子由閃爍體發光光譜和雙堿陰極光譜響應[7]經卷積計算得到(表2)，定義ST401光譜響應校正因子為1.0。由于ST401和EJ200閃爍體發光光譜與該PMT匹配良好，光譜響應校正因子接近1。而YAG∶Ce3+、EJ260和EJ264閃爍體發光光譜與該PMT光譜響應曲線不完全匹配，光譜響應校正因子在0.1～0.6之間。

圖2 雙堿陰極光譜響應曲線與閃爍體發光光譜

表2 T5型PMT對不同類型閃爍體的光譜響應校正因子

根據表2中PMT光譜響應校正因子，對表1 中PMT凈電流進行修正。在耦合距離不變的條件下，閃爍體光輸出與修正后的電流強度呈正比，不同類型閃爍體對ST401的相對光輸出列于表3。改變Lsp，重復上述過程，得到不同Lsp對應的閃爍體相對光輸出。比較3組測量結果，測量值相對不確定度小于0.3%，表明耦合距離不影響閃爍體相對光輸出的測量結果。

表3 分離耦合條件下閃爍體的相對光輸出

對上述結果進行分析，YAG∶Ce3+閃爍體的PMT輸出凈電流為ST401閃爍體的5.1倍，經光譜響應校正后，得到YAG∶Ce3+閃爍體的光輸出為ST401閃爍體的9.3倍。YAG∶Ce3+和ST401閃爍體的密度分別為4.55 g/cm3和1.05 g/cm3，對平均能量為1.25 MeV的γ射線的線吸收系數分別為2.56×10-2cm2/g和2.89×10-2cm2/g。故當閃爍體厚度為10 mm時，單個1.25 MeV γ光子以次級電子的形式在YAG∶Ce3+和ST401閃爍體中沉積的能量分別為0.137 MeV和0.037 MeV。YAG∶Ce3+和ST401閃爍體的發光效率分別為16 700 MeV-1(電子)和6 450 MeV-1(電子)，雙堿陰極PMT對兩者的光譜響應校正因子分別為0.553和1.000。最終得到兩者理論凈輸出電流比為5.27，與實驗測量值5.1相差3%。

EJ200、EJ260和EJ264閃爍體的光輸出分別是蒽的64%、60%和50%，發光效率分別為10 000、9 200和7 700 MeV-1(電子)。實驗測量同一Lsp處3種閃爍體的凈輸出電流比分別為1.000、0.937和0.730(以EJ200為基準)，與產品資料提供的發光效率比相當，但凈輸出電流比并未考慮閃爍體和PMT光譜響應的差別。經雙堿陰極光譜響應和閃爍體發光光譜修正后得到EJ200、EJ260和EJ264閃爍體的光輸出比分別為1.000、1.538和4.702(相對于EJ200)，與產品資料數據不一致。另一方面，EJ200和ST401閃爍體的發光光譜基本相同，光輸出比為1.37，與產品資料發光效率結合光譜響應校正計算的光輸出比1.44相差僅5%。

3 不同耦合距離閃爍光收集效率的實驗研究

由圖1可知，實驗中閃爍體和PMT的距離為Lsp，閃爍體有效發光區域直徑為68 mm，PMT光頭直徑為50 mm。5種閃爍體對應不同Lsp的PMT凈輸出電流比列于表4，同一閃爍體不同Lsp對應的PMT凈輸出電流比完全相同。定義Lsp=30.15 cm時幾種閃爍體的相對凈輸出電流強度平均為1.000，則Lsp=38.85 cm時PMT凈電流比平均為0.600±0.002，Lsp=47.55 cm時為0.453±0.001。5種閃爍體在圖1布局條件下，凈輸出電流隨Lsp的變化相同，反映了閃爍體和PMT的耦合特性及光敏器件對閃爍體的光收集規律。

表4 不同Lsp閃爍體PMT輸出電流比

根據表4的數據，假設閃爍體為點各向同性發光，則凈輸出電流I(Lsp)與Lsp平方呈反比關系：

(1)

實際上，由于閃爍體和PMT光陰極均有一定尺寸，光陰極半徑為rPMT的PMT對有效發光區域半徑為rSCIN的閃爍體的等效收光立體角Ωeff[1]為：

(2)

當rPMT和rSCIN遠小于Lsp時，式(1)、(2)一致。由于閃爍體和PMT半徑不變，僅Lsp變化，因此假定閃爍體為各向同性發光時，PMT輸出電流、收光效率與等效立體角Ωeff呈正比。

YAG∶Ce3+閃爍體的折射率n=1.9，ST401和EJ系列閃爍體的n=1.58，由此計算PMT對閃爍體的收光效率，如圖3所示。圖中：θ為PMT對閃爍體的張角，由rPMT和Lsp確定；α為閃爍體內閃爍光子的收集角，由θ和n確定。其中：

(3)

則PMT對閃爍體的收光效率η為：

(4)

圖3 閃爍體收光效率計算示意圖

實驗中PMT直徑為50 mm，閃爍體有效直徑為68 mm，分別由式(1)、(2)、(4)計算出的不同Lsp處的相對收光效率列于表5。實驗測量結果與公式計算結果的對比示于圖4，式(1)假設閃爍體為點各向同性發光，式(2)假設閃爍體為面各向同性發光，式(4)認為當PMT收光角較小時閃爍體內閃爍光分布均勻且為各向同性發射。定義Lsp=30.15 cm(半收光角θ=4.7°)時閃爍體的相對收光效率均為1.000，Lsp=38.85 cm(半收光角θ=3.7°)時式(1)、(2)、(4)的相對收光效率計算結果分別為0.602、0.606和0.608，與相對實驗測量值0.600±0.002的相對偏差分別為0.3%、1.0%和1.3%，表明在這一Lsp范圍閃爍光發射可認為是各向同性分布。當Lsp=47.55 cm(半收光角θ=3.0°)時式(1)、(2)、(4)的相對收光效率計算結果分別為0.402、0.406和0.408，與實驗測量值0.453±0.001的相對偏差分別為-11.3%、-10.4%和-9.9%，表明該Lsp范圍閃爍光發射不再遵從各向同性分布規律。因此，PMT對閃爍體的相對收光效率在Lsp較小時可按各向同性分布計算，Lsp較大時需考慮閃爍光發射各向異性的影響。

表5 不同耦合距離相對收光效率的理論與實驗結果

圖4 實驗測量結果與公式計算結果的對比

4 結論

通過研究閃爍體與光敏器件在分離耦合條件下輸出電流的變化規律，測量了脈沖γ/快中子成像用YAG∶Ce3+、ST401、EJ200、EJ260和EJ264等5種大面積無機/塑料閃爍體的相對光輸出，研究了耦合距離變化對光學系統收光效率的影響。PMT輸出電流強度經光譜響應修正后，得到YAG∶Ce3+、ST401、EJ200、EJ260、EJ264閃爍體的光輸出之比為9.27∶1.00∶1.37∶2.11∶6.45，不同耦合距離下的測量結果相對不確定度小于0.3%。研究結果表明，閃爍體相對光輸出實驗測量結果在不同耦合條件下具有很好的一致性，光學成像系統對閃爍光的收集效率在較小耦合距離下可按各向同性分布計算，耦合距離較大時需考慮閃爍光發射各向異性的影響。

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