祁建敏，章法強(qiáng)，陳進(jìn)川，李林波，陳定陽

(中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽 621900)

強(qiáng)脈沖輻射場[1]γ/快中子圖像診斷系統(tǒng)[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(hào)轉(zhuǎn)化為閃爍光，部分閃爍光通過光學(xué)成像系統(tǒng)收集并被由MCP和CCD組成的記錄系統(tǒng)記錄，由此獲得目標(biāo)區(qū)域γ/快中子時(shí)空分布的信息。閃爍體是γ/快中子信號(hào)的轉(zhuǎn)換體，其閃爍光輸出及光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)閃爍光的收光效率是確定γ/中子圖像測量系統(tǒng)靈敏度和測量動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)前研制的脈沖γ/快中子圖像測量系統(tǒng)關(guān)注的閃爍體主要包括用于γ成像的YAG∶Ce3+等高光輸出無機(jī)閃爍體[3]和用于快中子成像的EJ200、EJ260和EJ264等快時(shí)間響應(yīng)塑料閃爍體。

在傳統(tǒng)的脈沖輻射測量研究領(lǐng)域，閃爍體光輸出特性的實(shí)驗(yàn)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(hào)較強(qiáng)，但輻射會(huì)直接作用在光電器件上，進(jìn)而對(duì)信號(hào)輸出產(chǎn)生影響。強(qiáng)脈沖γ/快中子圖像測量系統(tǒng)使用的閃爍體與記錄系統(tǒng)為分離耦合方式，需研究閃爍體光輸出強(qiáng)度及其角分布及光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)閃爍光的收光效率和光譜響應(yīng)等特性。本工作通過實(shí)驗(yàn)研究閃爍體與光敏器件在分離耦合條件下輸出電流信號(hào)的變化規(guī)律，以獲得不同類型閃爍體的相對(duì)光輸出特性，為光學(xué)成像系統(tǒng)的光收集和傳輸特性研究提供必要參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)布局

分離耦合條件下閃爍體光輸出特性的實(shí)驗(yàn)研究利用西北核技術(shù)研究所強(qiáng)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(fā)射的γ射線能量為1.17 MeV和1.33 MeV(平均為1.25 MeV)。實(shí)驗(yàn)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(duì)閃爍體具有確定的收光角Ωsp。測量不同Lsp(或Ωsp)對(duì)應(yīng)的PMT輸出電流強(qiáng)度，通過PMT光譜響應(yīng)校正可獲得不同類型閃爍體的相對(duì)光輸出。閃爍體前使用厚100 mm、直徑45 mm的鉛準(zhǔn)直器準(zhǔn)直，周圍覆蓋厚100 mm的鉛以實(shí)現(xiàn)良好的輻射屏蔽。

圖1 閃爍體相對(duì)光輸出標(biāo)定實(shí)驗(yàn)布局

為提高測量信噪比(SBR)、避免實(shí)驗(yàn)過程中γ射線直照PMT光頭產(chǎn)生較強(qiáng)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(diǎn)放置銅鏡以反射閃爍光，該反射鏡對(duì)可見光的反射效率約為98%。由于所研究閃爍體的發(fā)光光譜主要集中在紅光至藍(lán)光波段，因此假定反射鏡對(duì)入射閃爍光的反射率為100%，認(rèn)為閃爍光全部來自反射鏡后閃爍體的“虛像”，進(jìn)而研究閃爍體的相對(duì)光輸出及光學(xué)成像系統(tǒng)收光效率的變化規(guī)律。

2 閃爍體相對(duì)光輸出的實(shí)驗(yàn)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(fā)光區(qū)域直徑均為68 mm。移動(dòng)PMT位置以改變耦合距離Lsp，測量相應(yīng)的PMT輸出電流強(qiáng)度變化(表1)。PMT輸出電流應(yīng)扣除本底(PMT暗電流及遮擋閃爍光時(shí)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(hào)的貢獻(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)布局使本底占總輸出電流的比例，由直照時(shí)的約10%降至0.1%～0.4%，大幅提高了實(shí)驗(yàn)測量的SBR和精度。

表1 分離耦合條件下閃爍體相對(duì)光輸出實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

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

圖2 雙堿陰極光譜響應(yīng)曲線與閃爍體發(fā)光光譜

表2 T5型PMT對(duì)不同類型閃爍體的光譜響應(yīng)校正因子

根據(jù)表2中PMT光譜響應(yīng)校正因子，對(duì)表1 中PMT凈電流進(jìn)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(qiáng)度呈正比，不同類型閃爍體對(duì)ST401的相對(duì)光輸出列于表3。改變Lsp，重復(fù)上述過程，得到不同Lsp對(duì)應(yīng)的閃爍體相對(duì)光輸出。比較3組測量結(jié)果，測量值相對(duì)不確定度小于0.3%，表明耦合距離不影響閃爍體相對(duì)光輸出的測量結(jié)果。

表3 分離耦合條件下閃爍體的相對(duì)光輸出

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)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(jīng)光譜響應(yīng)校正后，得到Y(jié)AG∶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(duì)平均能量為1.25 MeV的γ射線的線吸收系數(shù)分別為2.56×10-2cm2/g和2.89×10-2cm2/g。故當(dāng)閃爍體厚度為10 mm時(shí)，單個(gè)1.25 MeV γ光子以次級(jí)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(fā)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(duì)兩者的光譜響應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(fā)光效率分別為10 000、9 200和7 700 MeV-1(電子)。實(shí)驗(yàn)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(zhǔn))，與產(chǎn)品資料提供的發(fā)光效率比相當(dāng)，但凈輸出電流比并未考慮閃爍體和PMT光譜響應(yīng)的差別。經(jīng)雙堿陰極光譜響應(yīng)和閃爍體發(fā)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(duì)于EJ200)，與產(chǎn)品資料數(shù)據(jù)不一致。另一方面，EJ200和ST401閃爍體的發(fā)光光譜基本相同，光輸出比為1.37，與產(chǎn)品資料發(fā)光效率結(jié)合光譜響應(yīng)校正計(jì)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(shí)驗(yàn)研究

由圖1可知，實(shí)驗(yàn)中閃爍體和PMT的距離為Lsp，閃爍體有效發(fā)光區(qū)域直徑為68 mm，PMT光頭直徑為50 mm。5種閃爍體對(duì)應(yīng)不同Lsp的PMT凈輸出電流比列于表4，同一閃爍體不同Lsp對(duì)應(yīng)的PMT凈輸出電流比完全相同。定義Lsp=30.15 cm時(shí)幾種閃爍體的相對(duì)凈輸出電流強(qiáng)度平均為1.000，則Lsp=38.85 cm時(shí)PMT凈電流比平均為0.600±0.002，Lsp=47.55 cm時(shí)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(duì)閃爍體的光收集規(guī)律。

表4 不同Lsp閃爍體PMT輸出電流比

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，假設(shè)閃爍體為點(diǎn)各向同性發(fā)光，則凈輸出電流I(Lsp)與Lsp平方呈反比關(guān)系：

(1)

實(shí)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(duì)有效發(fā)光區(qū)域半徑為rSCIN的閃爍體的等效收光立體角Ωeff[1]為：

(2)

當(dāng)rPMT和rSCIN遠(yuǎn)小于Lsp時(shí)，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(fā)光時(shí)，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(jì)算PMT對(duì)閃爍體的收光效率，如圖3所示。圖中：θ為PMT對(duì)閃爍體的張角，由rPMT和Lsp確定；α為閃爍體內(nèi)閃爍光子的收集角，由θ和n確定。其中：

(3)

則PMT對(duì)閃爍體的收光效率η為：

(4)

圖3 閃爍體收光效率計(jì)算示意圖

實(shí)驗(yàn)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(jì)算出的不同Lsp處的相對(duì)收光效率列于表5。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比示于圖4，式(1)假設(shè)閃爍體為點(diǎn)各向同性發(fā)光，式(2)假設(shè)閃爍體為面各向同性發(fā)光，式(4)認(rèn)為當(dāng)PMT收光角較小時(shí)閃爍體內(nèi)閃爍光分布均勻且為各向同性發(fā)射。定義Lsp=30.15 cm(半收光角θ=4.7°)時(shí)閃爍體的相對(duì)收光效率均為1.000，Lsp=38.85 cm(半收光角θ=3.7°)時(shí)式(1)、(2)、(4)的相對(duì)收光效率計(jì)算結(jié)果分別為0.602、0.606和0.608，與相對(duì)實(shí)驗(yàn)測量值0.600±0.002的相對(duì)偏差分別為0.3%、1.0%和1.3%，表明在這一Lsp范圍閃爍光發(fā)射可認(rèn)為是各向同性分布。當(dāng)Lsp=47.55 cm(半收光角θ=3.0°)時(shí)式(1)、(2)、(4)的相對(duì)收光效率計(jì)算結(jié)果分別為0.402、0.406和0.408，與實(shí)驗(yàn)測量值0.453±0.001的相對(duì)偏差分別為-11.3%、-10.4%和-9.9%，表明該Lsp范圍閃爍光發(fā)射不再遵從各向同性分布規(guī)律。因此，PMT對(duì)閃爍體的相對(duì)收光效率在Lsp較小時(shí)可按各向同性分布計(jì)算，Lsp較大時(shí)需考慮閃爍光發(fā)射各向異性的影響。

表5 不同耦合距離相對(duì)收光效率的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

4 結(jié)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(guī)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(jī)/塑料閃爍體的相對(duì)光輸出，研究了耦合距離變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)收光效率的影響。PMT輸出電流強(qiáng)度經(jīng)光譜響應(yīng)修正后，得到Y(jié)AG∶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(jié)果相對(duì)不確定度小于0.3%。研究結(jié)果表明，閃爍體相對(duì)光輸出實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果在不同耦合條件下具有很好的一致性，光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)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(jì)算，耦合距離較大時(shí)需考慮閃爍光發(fā)射各向異性的影響。

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