基于單光子技術的閃爍體衰減時間常數測量

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

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

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

目前國內外對于閃爍體衰減時間常數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，通過光電轉換器件轉換為電流量，然后通過核電子學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，動態范圍較窄，但由于該方法所需測試設備較少，測試技術與數據處理較方便，所以光通量模擬法常用于衰減時間系數較長的閃爍體測量。

2) 單光子計數法[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光脈沖形狀建立的。主要有單光子門計數法和單光子延遲符合法，它具有較高的靈敏度，可采用弱激發方式進行測量，可避免強源激發所帶來的測試復雜化問題，具有較高的穩定性和重復性，本文采用單光子延遲符合法進行測量。

1 測試系統

1.1 測試原理

圖1為單光子延遲符合法測試系統基本原理。利用放射源產生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)耦合產生一個快速脈沖，通過后續的快前放1、延遲器1和恒比定時器1(CFD1)產生一個同步信號，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)耦合產生單光子信號，通過后續的快前放2、延遲器2和恒比定時器2(CFD2)產生一個同步信號，作為停止信號。通過設定啟、停觸發之間的延遲量，只有這兩路觸發信號都進入設定的時間符合窗內，才啟動符合計數器。時幅轉換器(TAC)將啟停脈沖對的間隔時間轉化為電壓高度，輸出至多道脈沖幅度分析器(MCA)進行計數道積分。通過長時間的累加，即可實現閃爍體樣品的發光特性時間參數測量，獲得發光衰減時間常數曲線。

圖1 單光子延遲符合法測試系統原理圖

1.2 測試設備

圖2為單光子延遲符合法測試系統，由樣品室、電子學系統及軟件系統組成。樣品室實現輻射源、閃爍體固定及光電倍增管探測；電子學系統實現高壓供電、前置放大、延遲、恒比定時及符合測量；軟件系統實現系統參數設置和時間譜測量，獲得時間譜測量的數據和曲線。

圖2 單光子延遲符合法測試設備

2 衰減時間常數測試及結果

衰減時間常數測試使用中國電子科技集團公司第二十六研究所生產的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在樣品室內安裝固定好，使用137Cs放射源產生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曲線如4所示。

圖4 Ce∶LYSO衰減時間常數測試曲線

2.2 Ce∶LuAG測試

將Ce∶LuAG在樣品室內安裝固定好，使用137Cs放射源產生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曲線如6所示。

圖6 Ce∶LuAG衰減時間常數測試曲線

2.3 測試結果與分析

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

表1 衰減時間常數測試結果

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存在差別，分析其主要原因為：

1) 測試樣品的一致性差距。產品批次不同或取至同一根原生晶棒的不同位置。

2) 小孔對單光子的發散程度不夠。

3) 測試系統存在電子學誤差。

3 結束語

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