闪烁晶体发光衰减时间的测量方法及测量系统与流程

1.本发明涉及核辐射探测技术领域，具体涉及一种闪烁晶体发光衰减时间的测量方法及测量系统。


背景技术：

2.随着核科学与核技术的飞速发展，核辐射探测被广泛的应用于各个领域，比如安全稽查、核医学、工业无损探伤等。其中，以闪烁晶体为核心的闪烁探测器，可以用于多种辐射探测，特别在核医学领域中占据着重要地位。
3.闪烁晶体是一种能把高能射线(如x射线、γ射线)和带电粒子(如α离子、β射线)转换成紫外或可见光光子的材料。作为闪烁探测器的核心部件，其发射波长、光输出、发光衰减时间等性质就决定着闪烁探测器的探测效率、能量分辨率、时间和空间分辨率等关键技术指标。
4.在核医学中广泛使用的pet探测器，其核心就是由上百个闪烁晶体组成的闪烁晶体阵列。为了能够更好地成像，就要求闪烁晶体具有较高的光输出(》25000ph/mev)，较快的发光衰减时间(《100ns)。目前在实验和生产中广泛使用的闪烁体发光衰减时间测量方法从原理上可以分为单光子计数原理和光通量模拟原理两大类。第一类方法有单光子门计数法、单光子延迟符合法，这两种方法的时间测量精度可达到0.1ns。第二类方法主要是将按时间分布的光强度，转换成电流信号，然后通过核电子学处理得到按时间分布的电压信号，具体方法有平均波形取样法、直接模拟法、门线路积分法、相位移法、零点交叉法等。但对于不同的闪烁晶体，发光衰减时间差别很大，与闪烁晶体的种类、激活剂及温度等都关；对于同一闪晶烁体，与入射粒子种类有关。为了减少闪烁晶体阵列的差异性，需要一种能够准确测量不同闪烁晶体的发光衰减时间的测量方法。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够准确测量不同闪烁晶体发光衰减时间的闪烁晶体发光衰减时间的测量方法及测量系统。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
7.一种闪烁晶体发光衰减时间的测量方法，具体步骤如下：
8.s1、放射源产生的高能辐射在闪烁晶体中产生闪烁光子，然后被光电倍增管收集和倍增并通过光电效应转换成电信号，示波器读取光电倍增管的电信号而得到关于电压脉冲信号的波形。
9.s2、通过对关于电压脉冲信号的波形拟合处理，即得到闪烁晶体的发光衰减时间。
10.进一步地，在步骤s2中对波形拟合时，选取波形衰减部分作为拟合对象，选用指数衰减函数作为拟合函数，所述指数衰减函数为
11.12.该指数衰减函数拟合出的波形即为波形衰减部分对应的波形，通过波形衰减部分并结合指数衰减函数即可拟合出闪烁晶体发光衰减时间。
13.进一步地，电压脉冲信号的波形拟合处理，在计算机上使用绘图软件对示波器的波形数据进行处理，计算机中存储有所述拟合函数。
14.进一步地，所述绘图软件为origin。
15.本发明还提出一种闪烁晶体发光衰减时间的测量系统，包括：光电倍增管底座、与光电倍增管底座相连接的光电倍增管以及计算机，光电倍增管底座输入连接有高压电源，用于对光电倍增管供电；光电倍增管光阴极中心通过硅脂耦合放置有待测闪烁晶体,并通过遮光罩覆盖待测闪烁晶体,拧好光电倍增管顶盖从而组成探测器探头，探头上放置有放射源，用于激发待测闪烁晶体发出闪烁光子,并通过光电倍增管转换成电压脉冲电信号；光电倍增管底座输出连接有示波器，用于读取电压脉冲信号，并存储为波形数据；计算机，用于接收示波器中波形数据，并对波形数据进行拟合处理。
16.进一步地，高压电源型号为ortec556。
17.进一步地，光电倍增管型号为xp20d0(sn:2369)。
18.进一步地，示波器型号为tektronix dpo4104。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
20.1、本发明为避免直接从示波器上读取脉冲衰减时间而产生的人为误差，而根据发光衰减时间的理论公式，对保存的波形数据衰减部分用指数衰减函数作为模型进行拟合，可以精确得到待测晶体的发光衰减时间。
21.2、采用型号为xp20d0(sn:2369)的光电倍增管具有良好的时间特性、均匀性、稳定性和信噪比，可以输出非常稳定的电压脉冲信号。
22.3、采用型号为ortec556的高压电源，可以输出电压范围在0～3000v的可调高压，从而得到不同参数的电压脉冲信号。
23.4、采用型号为tektronix dpo4104的示波器保存电压脉冲信号时，先用取样模式进行调试，找到使波形显示完整稳定的时间刻度和幅度刻度以及触发阈值，再切换到平均(512)采集模式，保存波形数据。
24.5、测试过程操作简单、快捷。
附图说明
25.为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
26.图1为本发明闪烁晶体发光衰减时间的测量系统的结构示意图；
27.图2为示波器法测量lyso晶体1#样品发光衰减时间的示意图；
28.图3为示波器法测量gagg晶体2#样品发光衰减时间的示意图；
29.图4为示波器法测量csi晶体3#样品发光衰减时间的示意图。
30.图中：高压电源1、光电倍增管底座2、光电倍增管3、待测闪烁晶体4、遮光罩5、放射源6、示波器7、计算机8。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
32.本具体实施方式中的一种闪烁晶体发光衰减时间的测量方法，具体步骤如下：
33.s1、放射源产生的高能辐射在闪烁晶体中产生闪烁光子，然后被光电倍增管收集和倍增并通过光电效应转换成电信号，示波器读取光电倍增管的电信号而得到关于电压脉冲信号的波形；
34.s2、通过对关于电压脉冲信号的波形拟合处理，即得到闪烁晶体的发光衰减时间。
35.具体的，在中对波形拟合时，选取波形衰减部分作为拟合对象，选用指数衰减函数作为拟合函数，该函数的推理过程如下：
36.假设放射源的脉冲宽度、后端光电转换器件(光电倍增管)的转换时间和输出电路的响应时间远小于闪烁晶体的衰减时间，示波器记录的闪烁探测器输出波形即可认为是闪烁晶体的发光衰减过程，通过读取示波器显示波形计算从峰值减少到1/e的时间即可。具体理论依据如下：
37.当闪烁光子强度i(t)随时间t变化，服从指数衰减规律时
[0038][0039]
其中i0为起始闪烁光子强度，按照前面发光衰减时间的定义，τ为发光衰减时间，即当t＝τ时，
[0040]
设每单位闪烁体光强经光电倍增管倍增后阳极输出电流为η，则输出电流脉冲i(t)为：
[0041][0042]
同时，输出电压脉冲v(t)为：
[0043][0044]
其中，c为积分电容容值，r为电阻阻值。将(2)式带入3式有：
[0045][0046]
当rc的乘积值远小于τ时，示波器显示的波形后延显示为以作为指数的衰减曲线，然后直接用示波器测量电压脉冲信号读出x轴时间数值即可。
[0047]
该指数衰减函数拟合出的波形即为波形衰减部分对应的波形，通过波形衰减部分并结合指数衰减函数即可拟合出发光衰减时间。
[0048]
具体的，电压脉冲信号的波形拟合处理时，在计算机上使用origin绘图软件对示波器的波形数据进行处理，计算机中存储有所述拟合函数。
[0049]
本发明，为避免直接从示波器上读取脉冲衰减时间而产生的人为误差，通过示波器读取光电倍增管转化完成的电压脉冲信号，并存储为波形数据，在计算机上对保存的波形数据衰减部分用指数衰减函数作为模型进行拟合，可以精确得到待测晶体的发光衰减时间。
[0050]
如图1所示，本发明还提出一种闪烁晶体发光衰减时间的测量系统，包括：光电倍
增管底座2、与光电倍增管底座2相连接的光电倍增管3以及计算机8，光电倍增管底座2输入连接有高压电源1，通过高压电源输出负高压加到光电倍增管底座上，以对光电倍增管3供电，光电倍增管光阴极中心通过硅脂耦合放置有待测闪烁晶体4，其中放置方式采用卧放(将待测闪烁晶体面积最大的一面与pmt光阴极耦合)，并通过遮光罩5覆盖待测闪烁晶体4，以利于光收集和保护光阴极。拧好光电倍增管3顶盖从而组成探测器探头，探头上放置有放射源6，用于激发待测闪烁晶体发出光，在高能辐射下待测闪烁晶体中产生闪烁光子，通过光电效应再转换成光电子，然后被光电倍增管3收集和倍增，最终得到稳定的电压脉冲信号。光电倍增管底座2输出连接有示波器7，用于读取光电倍增管转化完成的电压脉冲信号，并存储为波形数据。
[0051]
计算机8，用于接收示波器中波形数据，并对波形数据进行拟合处理。
[0052]
本发明中，通过高压电源对光电倍管供电，光电倍增管将待测闪烁晶体发出的光子转化成电压脉冲信号，电压脉冲信号通过示波器进行读取、并存储为波形数据，再对波形数据进行拟合处理，最终得到闪烁晶体的发光衰减时间，操作简单、快捷。
[0053]
具体的，高压电源1型号为ortec556，这样可以输出电压范围在0～3000v的可调高压，电流强度0～10ma，用于给光电倍增管提供合适的电压，保证光电倍增管输出正常范围内的信号。
[0054]
具体的，光电倍增管3型号为xp20d0(sn:2369)，因其具有良好的时间特性、均匀性、稳定性和信噪比，这样可以输出非常稳定的电压脉冲信号。
[0055]
具体的，示波器7型号为tektronix dpo4104，带宽1ghz，采样率5gs/s，包括显示屏、操作按键和信号传输系统。并具有取样、峰值检测、高分辨率、包络和平均五种采集模式，平均采集模式又分16、32、64、128和512五种选择。本发明中主要使用取样与平均(512)两种采集模式，取样模式是信号的直接反映，可以通过“单次”按钮观察每个脉冲的波形，方便在调节时使用；平均模式是示波器把连续的各次波形采集的结果通过计算得到平均值，产生最后显示的波形，可以平均掉示波器的本体噪声而提高测量精度，但跟随信号变化显示较慢。最后对保存的波形数据衰减部分用指数衰减函数作为模型进行拟合，就可以精确得到待测闪烁晶体的发光衰减时。
[0056]
本发明的测量过程如下：
[0057]
将待测闪烁晶体用硅脂耦合于xp20d0光电倍增管的光阴极中心位置，放置方式为卧放(将晶体面积最大的一面与pmt光阴极耦合)。用遮光罩覆盖闪烁晶体，以利于光收集和保护光阴极。拧好光电倍增管顶盖组成探测器探头，将放射源放置在探头上。ortec556高压电源输出负高压加到光电倍增管底座上(对xp20d0，建议负高压范围为800v～1100v)。
[0058]
设置恰当的示波器信号参数：阻抗匹配为50ω；带宽视闪烁晶体和测试要求而定(使用tektronix dpo4104时，建议对labr3和lyso晶体，带宽选择在全带宽；对bgo和csi(tl)晶体，带宽选择在20mhz)。
[0059]
将光电倍增管底座输出的信号接入到示波器中，选择示波器采集模式为取样；调节示波器的时间和幅度刻度，使脉冲波形完整地呈现在显示屏上；调节触发阈值，使脉冲信号成形稳定清晰，避免触发阈对脉冲幅值和形状产生影响。待脉冲波形成形稳定清晰时，切换采集模式为平均(512)，按示波器文件功能区的“save”按钮分配到“波形”，保存波形数据，存储格式为.csv；使用“保存屏幕波形”按钮存储示波器屏幕显示的图像信息。
[0060]
重复测试时，先将高压电源置0并关闭，再拧开光电倍增管顶盖，再重复步骤s1和s3。
[0061]
在计算机上使用origin绘图软件对保存的.csv格式波形数据进行处理，选取波形衰减部分作为拟合的范围，选用指数衰减函数进行拟合，从拟合结果中记录发光衰减时间及其标准差。
[0062]
采用示波器法分别测量lyso、gagg和csi晶体发光衰减时间的数据如表1所示。
[0063]
表1为示波器法测量晶体发光衰减时间结果统计表
[0064][0065]
参见图2、图3和图4，图2为平均采集模式下lyso晶体的电压脉冲信号图，通过拟合得到lyso晶体发光衰减时间为42.5
±
0.7ns；图3为平均采集模式下gagg晶体的电压脉冲信号图，通过拟合得到gagg晶体发光衰减时间为76
±
1ns；图4为平均采集模式下csi晶体的电压脉冲信号图，通过拟合得到csi晶体发光衰减时间为887
±
11ns。通过本方法测得的三种闪烁晶体的发光衰减时间与文献中的数据基本吻合，可以说明本方法的准确性。
[0066]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的改变仍处于本发明的保护范围之列。