王 強(qiáng)，王 璐，屈菁菁，丁雨憧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

閃爍體衰減時(shí)間常數(shù)[1]是閃爍體最重要的性能指標(biāo)之一，衰減時(shí)間常數(shù)對(duì)于閃爍體內(nèi)部閃爍性能及閃爍探測(cè)器的研究具有重要意義。閃爍體的發(fā)光包括發(fā)光增加和發(fā)光衰減兩個(gè)過(guò)程：

1) 發(fā)光增加包括入射粒子在閃爍體中發(fā)射光子數(shù)達(dá)到最大值的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程所需時(shí)間稱(chēng)為上升時(shí)間常數(shù)。

2) 發(fā)光衰減是指發(fā)光強(qiáng)度從最大值衰減到最大值的1/e所經(jīng)歷的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程所需時(shí)間被稱(chēng)為發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于閃爍體衰減時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法從原理上主要分為光通量模擬法和單光子計(jì)數(shù)法兩大類(lèi)[2]：

1) 光通量模擬法是將按時(shí)間分布的被測(cè)閃爍體的閃爍光，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為電流量，然后通過(guò)核電子學(xué)處理得到按時(shí)間分布的電壓量。光通量模擬法測(cè)量精度較低，動(dòng)態(tài)范圍較窄，但由于該方法所需測(cè)試設(shè)備較少，測(cè)試技術(shù)與數(shù)據(jù)處理較方便，所以光通量模擬法常用于衰減時(shí)間系數(shù)較長(zhǎng)的閃爍體測(cè)量。

2) 單光子計(jì)數(shù)法[3-4]是目前最常用的一種熒光壽命測(cè)試方法，是1961年為檢測(cè)閃爍體的發(fā)光脈沖形狀建立的。主要有單光子門(mén)計(jì)數(shù)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(fā)方式進(jìn)行測(cè)量，可避免強(qiáng)源激發(fā)所帶來(lái)的測(cè)試復(fù)雜化問(wèn)題，具有較高的穩(wěn)定性和重復(fù)性，本文采用單光子延遲符合法進(jìn)行測(cè)量。

1 測(cè)試系統(tǒng)

1.1 測(cè)試原理

圖1為單光子延遲符合法測(cè)試系統(tǒng)基本原理。利用放射源產(chǎn)生γ線，使用兩路探頭，一路使用待測(cè)閃爍體的一個(gè)端面與光電倍增管1(PMT1)耦合產(chǎn)生一個(gè)快速脈沖，通過(guò)后續(xù)的快前放1、延遲器1和恒比定時(shí)器1(CFD1)產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，作為啟動(dòng)信號(hào)；另外一路使用待測(cè)閃爍體的另一個(gè)端面通過(guò)小孔準(zhǔn)直器與快速光電倍增管2(PMT2)耦合產(chǎn)生單光子信號(hào)，通過(guò)后續(xù)的快前放2、延遲器2和恒比定時(shí)器2(CFD2)產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，作為停止信號(hào)。通過(guò)設(shè)定啟、停觸發(fā)之間的延遲量，只有這兩路觸發(fā)信號(hào)都進(jìn)入設(shè)定的時(shí)間符合窗內(nèi)，才啟動(dòng)符合計(jì)數(shù)器。時(shí)幅轉(zhuǎn)換器(TAC)將啟停脈沖對(duì)的間隔時(shí)間轉(zhuǎn)化為電壓高度，輸出至多道脈沖幅度分析器(MCA)進(jìn)行計(jì)數(shù)道積分。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的累加，即可實(shí)現(xiàn)閃爍體樣品的發(fā)光特性時(shí)間參數(shù)測(cè)量，獲得發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù)曲線。

圖1 單光子延遲符合法測(cè)試系統(tǒng)原理圖

1.2 測(cè)試設(shè)備

圖2為單光子延遲符合法測(cè)試系統(tǒng)，由樣品室、電子學(xué)系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。樣品室實(shí)現(xiàn)輻射源、閃爍體固定及光電倍增管探測(cè)；電子學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高壓供電、前置放大、延遲、恒比定時(shí)及符合測(cè)量；軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和時(shí)間譜測(cè)量，獲得時(shí)間譜測(cè)量的數(shù)據(jù)和曲線。

圖2 單光子延遲符合法測(cè)試設(shè)備

2 衰減時(shí)間常數(shù)測(cè)試及結(jié)果

衰減時(shí)間常數(shù)測(cè)試使用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所生產(chǎn)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(hào)為1#、2#、3#。

2.1 Ce∶LYSO測(cè)試

將Ce∶LYSO在樣品室內(nèi)安裝固定好，使用137Cs放射源產(chǎn)生γ線，用示波器測(cè)量PMT1和PMT2的輸出信號(hào)，如圖3所示。由圖可知，PMT1輸出為脈沖信號(hào)，幅值約150 mV；PMT2輸出為單光子信號(hào)，幅值約30 mV。

圖3 Ce∶LYSO的PMT輸出信號(hào)

在軟件界面設(shè)置時(shí)間窗口范圍為200 ns；開(kāi)始 通道恒比定時(shí)器過(guò)零電壓為20 mV，恒比定時(shí)器比較閾值電壓為75 mV；結(jié)束通道恒比定時(shí)器過(guò)零電壓為5 mV，恒比定時(shí)器比較閾值電壓為15 mV。測(cè)試得到1#、2#、3# Ce∶LYSO閃爍體衰減時(shí)間常數(shù)曲線如4所示。

圖4 Ce∶LYSO衰減時(shí)間常數(shù)測(cè)試曲線

2.2 Ce∶LuAG測(cè)試

將Ce∶LuAG在樣品室內(nèi)安裝固定好，使用137Cs放射源產(chǎn)生γ線，用示波器測(cè)量PMT1和PMT2的輸出信號(hào)，如圖5所示。由圖可看出，PMT1輸出為脈沖信號(hào)，幅值約30 mV；PMT2輸出為單光子信號(hào)，幅值約15 mV。

圖5 Ce∶LuAG的PMT輸出信號(hào)

在軟件界面設(shè)置時(shí)間窗口范圍為1 000 ns；開(kāi)始通道恒比定時(shí)器過(guò)零電壓為5 mV，恒比定時(shí)器比較閾值電壓為15 mV；結(jié)束通道恒比定時(shí)器過(guò)零電壓為3 mV，恒比定時(shí)器比較閾值電壓為7 mV。測(cè)試得到1#、2#、3# Ce∶LYSO閃爍體衰減時(shí)間常數(shù)曲線如6所示。

圖6 Ce∶LuAG衰減時(shí)間常數(shù)測(cè)試曲線

2.3 測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)測(cè)試得到的衰減時(shí)間常數(shù)曲線進(jìn)行單指數(shù)擬合，得到Ce∶LYSO和Ce∶LuAG閃爍體衰減時(shí)間常數(shù)如表1所示。

表1 衰減時(shí)間常數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表1可看出，Ce∶LYSO和Ce∶LuAG兩種閃爍體的1#、2#、3#測(cè)試樣品衰減時(shí)間常數(shù)存在差別，分析其主要原因?yàn)椋?/p>

1) 測(cè)試樣品的一致性差距。產(chǎn)品批次不同或取至同一根原生晶棒的不同位置。

2) 小孔對(duì)單光子的發(fā)散程度不夠。

3) 測(cè)試系統(tǒng)存在電子學(xué)誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用單光子延遲符合法原理搭建測(cè)試系統(tǒng)，使用137Cs放射源測(cè)量Ce∶LYSO和Ce∶LuAG兩種閃爍體的衰減時(shí)間常數(shù)，將測(cè)試得到的衰減時(shí)間常數(shù)曲線進(jìn)行單指數(shù)擬合，計(jì)算得到Ce∶LYSO和Ce∶LuAG兩種閃爍體的衰減時(shí)間常數(shù)，其中Ce∶LYSO閃爍體衰減時(shí)間常數(shù)平均值為43.85 ns，與文獻(xiàn)[5]報(bào)道基本一致；Ce∶LuAG閃爍體衰減時(shí)間常數(shù)平均值為56.02 ns，與文獻(xiàn)[6]報(bào)道基本一致。