基于单光子技术的闪烁体衰减时间常数测量

王 强，王 璐，屈菁菁，丁雨憧

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

闪烁体衰减时间常数[1]是闪烁体最重要的性能指标之一，衰减时间常数对于闪烁体内部闪烁性能及闪烁探测器的研究具有重要意义。闪烁体的发光包括发光增加和发光衰减两个过程：

1) 发光增加包括入射粒子在闪烁体中发射光子数达到最大值的过程，这个过程所需时间称为上升时间常数。

2) 发光衰减是指发光强度从最大值衰减到最大值的1/e所经历的过程，这个过程所需时间被称为发光衰减时间常数。

目前国内外对于闪烁体衰减时间常数的测量方法从原理上主要分为光通量模拟法和单光子计数法两大类[2]：

1) 光通量模拟法是将按时间分布的被测闪烁体的闪烁光，通过光电转换器件转换为电流量，然后通过核电子学处理得到按时间分布的电压量。光通量模拟法测量精度较低，动态范围较窄，但由于该方法所需测试设备较少，测试技术与数据处理较方便，所以光通量模拟法常用于衰减时间系数较长的闪烁体测量。

2) 单光子计数法[3-4]是目前最常用的一种荧光寿命测试方法，是1961年为检测闪烁体的发光脉冲形状建立的。主要有单光子门计数法和单光子延迟符合法，它具有较高的灵敏度，可采用弱激发方式进行测量，可避免强源激发所带来的测试复杂化问题，具有较高的稳定性和重复性，本文采用单光子延迟符合法进行测量。

1 测试系统

1.1 测试原理

图1为单光子延迟符合法测试系统基本原理。利用放射源产生γ线，使用两路探头，一路使用待测闪烁体的一个端面与光电倍增管1(PMT1)耦合产生一个快速脉冲，通过后续的快前放1、延迟器1和恒比定时器1(CFD1)产生一个同步信号，作为启动信号；另外一路使用待测闪烁体的另一个端面通过小孔准直器与快速光电倍增管2(PMT2)耦合产生单光子信号，通过后续的快前放2、延迟器2和恒比定时器2(CFD2)产生一个同步信号，作为停止信号。通过设定启、停触发之间的延迟量，只有这两路触发信号都进入设定的时间符合窗内，才启动符合计数器。时幅转换器(TAC)将启停脉冲对的间隔时间转化为电压高度，输出至多道脉冲幅度分析器(MCA)进行计数道积分。通过长时间的累加，即可实现闪烁体样品的发光特性时间参数测量，获得发光衰减时间常数曲线。

图1 单光子延迟符合法测试系统原理图

1.2 测试设备

图2为单光子延迟符合法测试系统，由样品室、电子学系统及软件系统组成。样品室实现辐射源、闪烁体固定及光电倍增管探测；电子学系统实现高压供电、前置放大、延迟、恒比定时及符合测量；软件系统实现系统参数设置和时间谱测量，获得时间谱测量的数据和曲线。

图2 单光子延迟符合法测试设备

2 衰减时间常数测试及结果

衰减时间常数测试使用中国电子科技集团公司第二十六研究所生产的Ce∶LYSO和Ce∶LuAG两种闪烁体，其中Ce∶LYSO尺寸为3.9 mm×3.9 mm×20 mm，Ce∶LuAG尺寸为5 mm×5 mm×5 mm，分别取3条，编号为1#、2#、3#。

2.1 Ce∶LYSO测试

将Ce∶LYSO在样品室内安装固定好，使用137Cs放射源产生γ线，用示波器测量PMT1和PMT2的输出信号，如图3所示。由图可知，PMT1输出为脉冲信号，幅值约150 mV；PMT2输出为单光子信号，幅值约30 mV。

图3 Ce∶LYSO的PMT输出信号

在软件界面设置时间窗口范围为200 ns；开始 通道恒比定时器过零电压为20 mV，恒比定时器比较阈值电压为75 mV；结束通道恒比定时器过零电压为5 mV，恒比定时器比较阈值电压为15 mV。测试得到1#、2#、3# Ce∶LYSO闪烁体衰减时间常数曲线如4所示。

图4 Ce∶LYSO衰减时间常数测试曲线

2.2 Ce∶LuAG测试

将Ce∶LuAG在样品室内安装固定好，使用137Cs放射源产生γ线，用示波器测量PMT1和PMT2的输出信号，如图5所示。由图可看出，PMT1输出为脉冲信号，幅值约30 mV；PMT2输出为单光子信号，幅值约15 mV。

图5 Ce∶LuAG的PMT输出信号

在软件界面设置时间窗口范围为1 000 ns；开始通道恒比定时器过零电压为5 mV，恒比定时器比较阈值电压为15 mV；结束通道恒比定时器过零电压为3 mV，恒比定时器比较阈值电压为7 mV。测试得到1#、2#、3# Ce∶LYSO闪烁体衰减时间常数曲线如6所示。

图6 Ce∶LuAG衰减时间常数测试曲线

2.3 测试结果与分析

对测试得到的衰减时间常数曲线进行单指数拟合，得到Ce∶LYSO和Ce∶LuAG闪烁体衰减时间常数如表1所示。

表1 衰减时间常数测试结果

由表1可看出，Ce∶LYSO和Ce∶LuAG两种闪烁体的1#、2#、3#测试样品衰减时间常数存在差别，分析其主要原因为：

1) 测试样品的一致性差距。产品批次不同或取至同一根原生晶棒的不同位置。

2) 小孔对单光子的发散程度不够。

3) 测试系统存在电子学误差。

3 结束语

本文采用单光子延迟符合法原理搭建测试系统，使用137Cs放射源测量Ce∶LYSO和Ce∶LuAG两种闪烁体的衰减时间常数，将测试得到的衰减时间常数曲线进行单指数拟合，计算得到Ce∶LYSO和Ce∶LuAG两种闪烁体的衰减时间常数，其中Ce∶LYSO闪烁体衰减时间常数平均值为43.85 ns，与文献[5]报道基本一致；Ce∶LuAG闪烁体衰减时间常数平均值为56.02 ns，与文献[6]报道基本一致。