黃展常 楊建倫

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）

塑料閃爍體的閃爍時間特性

黃展常 楊建倫

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）

采用137Cs激發(fā)塑料閃爍體發(fā)光，應(yīng)用單光子計數(shù)法測量塑料閃爍體發(fā)光衰減曲線。根據(jù)測量原理搭建了實驗平臺，測量了ST401和EJ232兩種閃爍體的閃爍時間特性。實驗結(jié)果用雙指數(shù)擬合法進(jìn)行分析可得，ST401發(fā)光衰減常數(shù)為2.9 ns和50 ns，EJ232發(fā)光衰減常數(shù)為1.6 ns和30 ns。實驗平臺所測幅度動態(tài)范圍大于104，時間分辨小于0.8 ns。從統(tǒng)計學(xué)分析單光子計數(shù)法的物理過程，并采用蒙特卡羅方法模擬整個探測過程，探討單光子計數(shù)法的適用條件。實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相洽。若終止探測器平均探測到的光子數(shù)不大于0.1，則多道測量結(jié)果可以近似為塑料閃爍體發(fā)光衰減曲線。

塑料閃爍體，閃爍時間特性，單光子計數(shù)法，蒙特卡羅方法

與碘化鈉閃爍體相比，塑料閃爍體具有發(fā)光時間短、發(fā)光強(qiáng)度低的特點。其在強(qiáng)脈沖伽馬場或者強(qiáng)脈沖中子場測量中有較廣泛的應(yīng)用[1–2]。例如，在氘氘聚變反應(yīng)中，采用飛行時間法測量中子能譜時，有時候會關(guān)注初級中子的散射中子信號，這就需要了解塑料閃爍體的發(fā)光時間特性，尤其是慢成分，以便選用合適的閃爍體進(jìn)行脈沖信號測量降低初級中子激發(fā)的慢成分熒光對散射中子測量的影響[3]。目前塑料閃爍體的發(fā)光時間特性測量方法較多，例如采用激光激發(fā)塑料閃爍體，用高時間分辨的條紋相機(jī)記錄閃爍體的發(fā)光過程，該方法要求較窄的激光脈寬，測量結(jié)果受閃爍體的尺寸影響較大[4]。由于單次激發(fā)的熒光數(shù)目有限，該方法可測動態(tài)范圍低于10，主要用于研究快成分。采用激光激發(fā)閃爍體，用高時間采樣率的示波器記錄探測器的輸出波形，該方法可測動態(tài)范圍低于10，主要用于研究快成分[5]。采用單光子計數(shù)法，常用超短脈沖激光或放射源激發(fā)閃爍體，通過統(tǒng)計大量閃爍體發(fā)光事件實現(xiàn)時間的不連續(xù)測量，由多道統(tǒng)計譜表征閃爍體發(fā)光衰減曲線[6–9]。該方法應(yīng)用較廣泛，但是較少研究其適用條件，特別是對減光條件要求的討論較少。文獻(xiàn)[10]采用單光子計數(shù)法測量了ST401，主要研究其快成分，圖數(shù)據(jù)顯示動態(tài)范圍低于103。本文通過數(shù)值模擬與實驗結(jié)果分析研究塑料閃爍體的閃爍時間特性，關(guān)注其慢成分的時間特性，并得到單光子計數(shù)法應(yīng)用于塑料閃爍體時間特性研究的適用條件。

1 實驗裝置

如圖1所示，用137Cs源激發(fā)塑料閃爍體ST401。閃爍體緊貼PMT1光電倍增管的信號輸入窗。由于PMT1輸出信號幅度大部分大于1 V，為保護(hù)恒比定時器CFD935-1，因此把輸出信號進(jìn)行適當(dāng)衰減后輸入CFD935-1。再把其輸出信號輸入到時幅轉(zhuǎn)換器TAC567中，作為計時開始信號。CFD935-1的閾值調(diào)至熱噪聲幅度以上，以降低熱噪聲開啟TAC567的概率。PMT2離開閃爍體一定的距離，滿足單光子收集條件。把其輸出信號輸入恒比定時器CFD935-2。為把發(fā)光衰減峰移至?xí)r間幅度轉(zhuǎn)換TAC (Time-to-Amplitude Converter)的最小分辨時間外，CFD935-2的輸出比CFD935-1多加2 m電纜后輸入到時幅轉(zhuǎn)換器中，作為計時終止信號。通過大量發(fā)光事件統(tǒng)計，在多道分析器上得到閃爍體的發(fā)光衰減統(tǒng)計譜。

實驗前通過多道能譜統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)PMT1和PMT2的熱噪聲幅度在10 mV以下的計數(shù)率很大，但是大于等于100 mV的平均計數(shù)率為每秒2個，熱噪聲幅度大于200 mV的平均計數(shù)率為5分鐘1個。無需經(jīng)過快放即可滿足恒比定時器的輸入幅度要求。實驗時，衰減器的倍率為10倍，提供起始信號的恒比定時器的閾值設(shè)為30 mV，則對應(yīng)探測器輸出幅度為300 mV，降低了熱噪聲開門的概率。提供終止信號的恒比定時器的閾值設(shè)為100 mV。因此無需制冷裝置。

圖1 實驗框圖Fig.1 Schematic setup of the experiment.

2 測量原理

假設(shè)伽瑪射線與閃爍體作用后，閃爍體產(chǎn)生N0個熒光光子。停止探測器對熒光光子的總探測效率為ε，則停止探測器平均探測到的熒光數(shù)目為N0ε，記m=N0ε。閃爍體的發(fā)光衰減歸一化曲線為f(t)，f(t)從0到無窮的積分值為1。F(t)等于f(t)從0到t的積分。那么，在[0, t]區(qū)間停止探測器探測到0個光子的概率為：exp(-N0F(t)ε)，在[t, t+dt]區(qū)間探測到非零個光子的概率為：N0f(t)εdt。

伽瑪射線與閃爍體作用一次，熒光光子被多道記錄在t-t+dt區(qū)間的概率為：

式中，1-e?m為歸一化系數(shù)；g(t)為多道歸一化譜。

假設(shè)G(t)等于g(t)從0到t的積分，則式(1)兩邊積分整理得：

對式(2)兩邊求導(dǎo)，可得：

對式(3)的e?m進(jìn)行泰勒級數(shù)展開得到：

由式(4)可知，當(dāng)m較小時，f(t)趨向于g(t)，即由多道統(tǒng)計的歸一化譜g(t)就可以近似表征為閃爍體的發(fā)光衰減譜f(t)。

伽瑪與閃爍體作用后產(chǎn)生的光子數(shù)N0服從一定的分布。例如本次實驗中，137Cs與塑料閃爍體作用，N0近似服從能量沉積譜分布，因此m的值也服從能量沉積譜分布。但是m具有一定的統(tǒng)計特征，后面討論與實驗的m是指m所服從的分布平均值。

假設(shè)閃爍的熒光光子服從一個已知的單指數(shù)分布f(t)，采用蒙特卡羅方法對探測過程進(jìn)行模擬，得到不同m值時，多道統(tǒng)計譜g(t)與f(t)之間的關(guān)系，如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)m≥0.5時，歸一化的多道統(tǒng)計譜g(t)與閃爍體發(fā)光衰減曲線f(t)有較明顯的差別。當(dāng)m≤0.1時，多道統(tǒng)計譜g(t)與閃爍體發(fā)光衰減曲線f(t)比較接近，可以采用歸一化后的多道統(tǒng)計譜g(t)來表征閃爍體發(fā)光衰減曲線f(t)。

綜上可得，當(dāng)m值較大時，低道計數(shù)升高，高道計數(shù)降低，表現(xiàn)為衰減快。當(dāng)m值較小時，需要測量的時間長，穩(wěn)定性要求高。由m值即可預(yù)估在單光子測量實驗中需要進(jìn)行減光的倍率。假設(shè)取m=0.1，若一次伽瑪事件平均產(chǎn)生103個熒光，那么需要減光倍率應(yīng)該大于104倍（包含熒光從閃爍體的透出率、幾何減光和濾片減光的總和）。在這種減光條件下，多道統(tǒng)計譜可近似為發(fā)光衰減時間譜。m值的提出為減光程度提供了一個方向，而不是盲目地減光，在保證結(jié)果可靠的前提下又能保證一定的符合計數(shù)率。

圖2 不同m值多道統(tǒng)計譜與閃爍體發(fā)光衰減曲線Fig.2 Comparison of scintillator decay curve with simulated multi-channel analyzer outputs for various values of parameter m.

3 實驗結(jié)果及討論

據(jù)圖1布局，把尺寸為?40 mm×20 mm的ST401緊貼PMT1進(jìn)行實驗。通過調(diào)節(jié)PMT2與塑料閃爍體之間的距離以及通過在PMT2輸入窗面緊貼不同直徑的小孔的光闌來改變PMT2接收光子的立體角，進(jìn)而改變其收集光子個數(shù)。圖3(a)是較典型的多道統(tǒng)計波形，由圖3(a)可知，第0–20道無計數(shù)，這是由于TAC自身固有時間分辨造成。圖3(a)的總計數(shù)為650 110，TAC開啟次數(shù)估計為650110/0.05。0.05為符合率m。由前面已知PMT2噪聲計數(shù)率為每秒2個，因此噪聲的符合計數(shù)為：2s-1×100 ns×650110/0.05=3。由于高道址的統(tǒng)計漲落較大，主要記錄慢成分的時間行為，可以適當(dāng)?shù)貭奚鼤r間分辨，因此對多道統(tǒng)計譜400道以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，每10道取均值并把該均值作為這10道中的第5道的計數(shù)值，得到如圖3(b)所示。

圖3 ST401塑料閃爍體發(fā)光的多道統(tǒng)計譜(a) 原始數(shù)據(jù)，(b) 處理數(shù)據(jù)Fig.3 ASPEC927 statistical spectra for ST401 scintillator. (a) Original data, (b) Re-binned data

實驗過程中，m的估計值等于start信號與stop信號符合計數(shù)率除以start信號的計數(shù)率。不同m值時的多道歸一化統(tǒng)計譜如圖4所示。實驗過程中，每道的時間間隔為0.1 ns。

由圖4可知，當(dāng)m=0.5時，其發(fā)光衰減峰比m=0.05時的發(fā)光衰減峰尖銳。對于下降沿，與m=0.05相比，m=0.5的統(tǒng)計譜表現(xiàn)為低道址的計數(shù)值升高，高道址的計數(shù)值降低。這與§2的數(shù)值模擬結(jié)果相洽。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)m=0.05時，采用單光子計數(shù)法得到的多道統(tǒng)計譜可以近似為閃爍體的發(fā)光衰減時間譜。針對m=0.05的多道統(tǒng)計譜，把峰位設(shè)為0時刻并對峰值歸一化后，進(jìn)行y–t雙指數(shù)擬合[11]，得到y(tǒng)=0.999× exp(-t/2.9)+0.001×exp(-t/50.0)。即ST401的快成分發(fā)光衰減常數(shù)為2.9 ns，與文獻(xiàn)[10]結(jié)果相洽。雙指數(shù)擬合過程：對于如圖3(b)譜的下降沿，先采用Origin進(jìn)行單指數(shù)擬合得到快成分衰減常數(shù)的范圍，再用Origin進(jìn)行雙指數(shù)擬合并輸入快成分的取值范圍得到快慢成分衰減常數(shù)的取值。通過MATLAB對快慢成分的衰減常數(shù)做變動調(diào)節(jié)，進(jìn)行試解，當(dāng)擬合結(jié)果與譜線的相關(guān)系數(shù)為0.99時停止擬合。

圖4 不同m值時ST401塑料閃爍體發(fā)光的多道歸一化統(tǒng)計譜Fig.4 ASPEC-927 normalized statistical spectra of different m for ST401 scintillator.

在m=0.05的條件下，把ST401塑料閃爍體換成尺寸為?50 mm×20 mm的EJ232塑料閃爍體進(jìn)行實驗，結(jié)果如圖5所示。把峰位設(shè)為0時刻并對峰值歸一化后，進(jìn)行y–t雙指數(shù)擬合，y=0.98× exp(-t/1.6)+0.02×exp(-t/30.0)。即EJ232的快成分發(fā)光衰減常數(shù)為1.6 ns，與文獻(xiàn)[12]結(jié)果相洽。

圖5 EJ232塑料閃爍體發(fā)光的多道統(tǒng)計譜(a) 原始數(shù)據(jù)，(b) 處理數(shù)據(jù)Fig.5 ASPEC-927 statistical spectra for EJ232 scintillator. (a) Original data, (b) Re-binned data

4 系統(tǒng)時間分辨標(biāo)定

保持圖1的連線不變，用同步機(jī)DG645觸發(fā)皮秒激光器輸出激光信號。用光纖分路盒把光信號一分為二，一路輸出靠近PMT1信號窗，模擬閃爍體發(fā)光光子輸入PMT1；另一路輸出適當(dāng)減光靠近PMT2信號窗，模擬閃爍體發(fā)光光子輸入PMT2。把PMT1的輸出信號輸入恒比定時器為TAC提供開啟信號。把PMT2的輸出信號采用衰減器進(jìn)行適當(dāng)衰減使之與實驗中采用放射源時輸出信號的平均幅度相近，再輸入恒比定時器為TAC提供終止信號。其他實驗條件不變。多道統(tǒng)計的結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，時間分辨統(tǒng)計峰的半高寬為4道。在此次標(biāo)定實驗中，標(biāo)定值為每道0.2ns，因此時間分辨統(tǒng)計峰的半高寬為0.8ns。

圖6 系統(tǒng)時間分辨統(tǒng)計譜Fig.6 ASPEC927 statistical spectrum of system time resolution.

5 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬分析了單光子計數(shù)法的可行性，提出了用多道統(tǒng)計譜表征閃爍體發(fā)光衰減曲線的條件。在分析過程中引入了m值，解決了實驗中減光倍率和計數(shù)率的協(xié)調(diào)問題。實驗研究了ST401和EJ232塑料閃爍體的發(fā)光時間特性。實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相洽，實驗平臺運行穩(wěn)定可靠，為研究塑料閃爍體快、慢成分熒光時間特性提供了技術(shù)參考。

致謝 感謝朱學(xué)斌、李忠寶、鄭普等同事提供的硬件支持。

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Decay time characteristics of plastic scintillator

HUANG Zhanchang YANG Jianlun
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, Chinese Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background: The plastic scintillator is mostly used for the inertia confinement fusion determination systems. It is necessary to know the scintillator decay time. Purpose: The aim is to measure the decay time of the plastic scintillator and analyze the applicability of single photon method. Method: The plastic scintillator is excited by137Cs, and the decay time of the plastic scintillator is measured by single photon method. The ST401 and EJ232 plastic scintillators are measured by this device. The theory of single photon method is analyzed via statistics and the measurement process is simulated by Monte Carlo method. Results: The results are 2.9 ns with 50 ns for ST401 and 1.6 ns with 30 ns for EJ232 via double exponential fitting. The device has a dynamic range of over 104and an intrinsic time resolution under 0.8 ns. The experiment result agrees to the simulated one. Conclusion: The comparison between the experiment result and the simulation result indicates that with the mean counts of stop detector no more than 0.1, the result measured by single photon method can be approximated to the decay time of plastic scintillator.

Plastic scintillator, Flashing time characteristics, Single photon counting method, Monte Carlo method CLC TL812

TL812

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060203

中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金(No.2013B0102008)資助

黃展常，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于清華大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事慣性約束聚變物理診斷等方面的研究

2015-01-28，

2015-03-29