孫心瑗,余曉光,蔣達國,胡強林

(井岡山大學,江西吉安 343009)

X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀的設計及實現

孫心瑗,余曉光,蔣達國,胡強林

(井岡山大學,江西吉安 343009)

基于時間相關單光子計數原理的探測系統,設計并實現了一種新型的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)光強度(尤其是微弱的發(fā)光)及相關的余輝特性測量。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)學成像和安全檢測等領域得到了廣泛的應用[1]?，F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用中必須考核的一個關鍵性指標就是光產額,即高能射線激發(fā)下閃爍體的發(fā)光強度。X射線源因較易獲得而廣泛地應用于工業(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)化設備。為推進教學與科學研究的順利進行,一些科研工作者根據實際需要自行設并搭建出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光電倍增管就實現了X射線激發(fā)下閃爍體發(fā)光強度的測量[2]。倪晨等人也設計并搭建了一套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可連續(xù)工作長達8小時的X射線源,以及基于單光子計數原理的光電探測系統來進一步改善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)構成的光學耦合系統、基于時間相關單光子計數原理的探測系統(5)和計算機(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內長時間地工作,其管電壓固定為30 kV,管電流從0~5mA可調。而且產生的X射線形狀(圓形或線形)可變換和尺寸可調。

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

(3)基于較成熟的時間相關單光子計數原理的探測系統是接收和采集光學耦合系統傳輸的熒光,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)光強度隨波長的關系(光譜測量)、以及高能X射線停止激發(fā)后其發(fā)光強度隨時間的關系(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,其中最強發(fā)射峰(約560 nm)對應于Tl+離子的發(fā)光,而400 nm附近的發(fā)射峰被認為是與氧雜質引起的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,對應于典型的Ce3+離子5d-4f的光學躍遷,其最強發(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大學顧牡課題組提供,其質量百分比組份為: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)光峰分別對應于Tb3+離子5D4→7FJ(J=6, 5,4,3)的光學躍遷,其中545 nm(5D4→7F5)波長發(fā)光強度最大。此外,X射線激發(fā)條件下,玻璃閃爍體的發(fā)光強度隨著管電流的增加而顯著增強。這是因為管電壓保持不變時,特征X射線強度與管電流成正比,進而導致閃爍體的發(fā)光強度與X射線的激發(fā)強度成正比,這與吳正龍等人報道的結果一致[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 論

基于單光子計數原理的X射線激發(fā)發(fā)射光譜儀成功實現了常見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)光強度測量。結果表明,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閃爍體的不同溫度下的發(fā)光強度研究,也可引入脈沖X射線源對閃爍材料的發(fā)光動力學進行有效表征,相關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。

[1] Webber M.J.Inorganic scintillators:today and tomorrow[J].Journal of Luminescence,2002,100(1-4):35-45.

[2] 黃彥林,馮錫淇,朱洪全,等.X射線激發(fā)熒光光譜儀的建立及閃爍晶體發(fā)光表征[J].物理試驗, 2005,25(5):24-27.

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

[4] Valentine JD,Moses W W,Derenzo S E,et al.Temperature dependence of CsI(Tl)gamma-ray excited scintillation characteristics[J].Nuclear Instruments and Methodsm Physics Research A 1993,325(1-2): 147-157.

[5] Valais I,Davida S,Michaila C,etal.Comparative study of luminescence properties of LuYAP:Ce and LYSO: Ce single-crystal scintillators for use in medical imaging[J].Nuclear Instruments and Methods m Physics Research A 2007,580(1):614-616.

[6] 孫心瑗,顧牡,黃世明,等.Tb3+摻雜硅酸鹽玻璃發(fā)光性能的濃度依賴關系[J].強激光與粒子束, 2009,21(6):927-930.

[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

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