光谱分辨的脉冲X射线时间谱仪的研制解读.docx
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光谱分辨的脉冲X射线时间谱仪的研制解读
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第!
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光谱分辨的脉冲Z射线时间谱仪的研制
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"同济大学波耳固体物理研究所波与材料的微结构重点实验室!
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摘要!
通过<台高效率凹面光栅单色仪的研制!
在原有脉冲S射线时间谱仪的基础上!
开发完成了<套光谱分辨的荧光衰减时间谱仪!
其波长和时间分辨率分别可达1-和亚1A量级$由b7X#闪烁晶体的测试结果表明%谱仪可有效进行光谱分辨的发光衰减时间谱测量!
加载单色仪后!
谱仪的测量效率仅下降
达到了设计所预期的指标$利用这一装置!
对P#个数量级!
2X*晶体光谱分辨的发光衰减时间谱进行了
分析$
关键词!
超短脉冲S射线&光谱分辨&衰减时间谱&单光子技术
中图分类号!
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+文章编号!
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随着高能物理和核技术应用的发展!
S射线*(射线等高能电磁辐射测量的新型闪
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市教育委员会重点学科研究项目和青年教师项目"#" 作者简介! 顾! 牡"! 男! 上海人! 教授! 固体发光专业 烁材料的研究取得了很大的进展! 从目前闪烁材料发展的趋势来看"除要求其具有辐射长度短#密度高$%光产额高%抗辐照能力强%化学性 对材料发光时间响能稳定和成本低等性能外" 应提出了越来越高的要求"以满足辐射时间信号测量特别是高计数率条件下测量的需要! 结合实际需要"我们以超短脉冲S射线管为激发 <’光源研制了<台小型荧光衰减时间谱仪&"可 用于晶体%粉末等各种固体和液体闪烁材料发光衰减时间谱的测量"避免了采用同步辐射激发光源在实验时间安排上的限制和测试仪器托运方面的不便"在不少新型闪烁材料的研究和开发中发挥了重要作用D! ’! 由于许多闪烁材料均含有多个发光带"而不同发光带的发光衰减时间特性往往是不同的"因此"开展光谱分辨的发光衰减时间谱仪的研制"对于新型闪烁材料的研究和开发具有重要意义! 将荧光衰减时间谱仪与单色仪组合原则上就可构建光谱分辨的荧光衰减时间谱仪"问题是经单色仪后光子的通量往往会下降很多"以至于无法测量! 目前采用单色仪的台式S射线激发光谱分辨荧光衰减时间谱仪国际上仅美国劳仑兹伯克利国家实验室有<台&C")’"所采用的是平面光栅单色仪"与非光谱分辨的时间谱仪相比"相同波段的测量效率下降了*个数量级&C’! 本工作拟通过<台高效率的凹面光栅单色仪的研制"在原有脉冲S射线时间谱仪的基础上"开发完成一套具有较高测量效率和实验精度的光谱分辨衰减时间谱仪"并通过b7X#闪烁 晶体不同发光波段时间谱的测量以检验其性能! 利用这一谱仪还将对P2X*闪烁晶体不同 波段的发光衰减时间特性进行分析! ! 仪器装置及工作原理 ’>仪器结构和工作原理 谱仪由脉冲S射线源%样品室%单色仪和光电测量系统! 部分组成#图<$! 谱仪的基本工作原理如下(脉冲激光控制器同时产生两路脉冲信号"一路直接进入时幅转换器"作为整个事件的起始信号"另一路用来驱动激光二极管"产生的脉冲激光直接打在光激发S射线管的光阴极上" 从而产生与驱动脉冲同频率的脉冲>> 表>! 凹面光栅参数B&;’*>! C&,&3*#*,5+2%+.%&Q*/,$./刻线密度! 光谱范围! 闪耀波长! 刻线尺寸! 偏向角! "43#--[<$1-----#g<#""#""! <"""*C"! #’! h! #’! *! ’ E 光衰减时间谱! 通过与实验曲线的拟合可得快成分的衰减时间常数为"’"慢成分的衰减)! 1A时间常数为C! 图! 为加载单色仪#并将*<1A分光波长调在##"1-处时测到的b7X#晶体发光衰减时间谱"选用量程为C! 从实验测"1A量的结果可看到"这里仅有快成分! 图C为加载单色仪#并将分光波长调在*<"1-处时测到的b选用量程为7X#晶体发光衰减时间谱"! 从实验同样可看到"这里仅有慢成<"""1A 分! 由此可证明谱仪可很好地进行光谱分辨的时间谱测量! 通过与实验曲线的拟合可知$##"1-波段b7X#晶体的发光衰减时间常数为 ""’G<1A*<"1-波段b7X#晶体的发光衰减时间常数为)"与已报道的结果基本一致! "*1A峰位b7X#晶体的快成分含有两个子成分" 但这两个成分的分别位于 %& 强度比约为 所以"无单色仪时"两子成分对时间谱 快成分的贡献比为 ’计数主要来自于)"由于##"1-这一成分! 当谱仪加载单色仪后" 对应的波长分入射和出射缝的宽度取! --" 辨宽度为#因此"当单色仪分光波长取G1-"单色仪通光波段基本可覆盖b##"1-时"7X# 晶体##"1-这一发光成分! 当其他实验条件不变时"时间谱的本底计数与单色仪无关! 这一事实表明"本底计数主要来自于电子学噪声! 由此通过有#无单色仪时间谱快成分峰值与本底计数之比的比较可估算加载单色仪后探测效率的变化! 从图*无7和图! 的实验结果得知$单色仪时"时间谱峰位计数为<本底计数G 由此可得加载单色仪后探测效率的变化率为$ 增管在这两个子成分处的探测效率比约为 ()*# [ "’<#h<"Z ’) ’)h <)) 与设计所预期的基本相符! ? @? ! L*RA晶体的测量P2X*晶体有*个发光峰"分别位于前两个峰较#G)1-#*"C1-和*! "1-! 其中" *e 窄"对应于正常格位P的C$$285! UC#"E#跃迁% *e后一个峰较宽"对应于受缺陷扰动P的C285 原子能科学技术! ! 第! "卷 在辐射发光! U的跃迁! 与光致发光不同的是&情况下"由于自吸收的作用"#G)1-的发光峰并未出现"且*! "1-的发光峰强度因体内受 扰动的P2 *e密度低于表面而相应减弱’G(! 鉴于不同波段发光机制不同"相应的发光衰减时 间特性有异"且处于正常格位的受激P2*e还可通过非辐射退激将能量传递给受扰P2*e"并引起受扰P2*e发光"因此"P2X*晶体的发光衰减 时间谱通常可用三成分拟合"各成分的相对强度将因不同晶体中所含缺陷的不同而有所差异! 实验中"分别对不用和使用单色仪情况下2X*晶体的发光衰减时间谱进行了研究! 图)为无单色仪情况下测到的发光衰减时间谱" 选 Y *"C#<’E $<#’)#E’*$E#’E *! "*#’#$<)’)$**’<<*’#$C! ’C$*#’* *)C<*"’F <"" 未分光 * <’F$ #’C$! G’F ! 结论 通过<台高效率凹面光栅单色仪的研制"在原有脉冲S射线时间谱仪的基础上"开发完成了<套光谱分辨的荧光衰减时间谱仪"其波长和时间分辨率分别可达1-和亚1A量级! PA 第#期! ! 顾! 牡等! 光谱分辨的脉冲S射线时间谱仪的研制<)E ";+S"SI>".7%: N.%1BN712,7&’RI;N46&%‘/%-%121,AN32AA.%1718(D378.7,.%1@@@: 73812AA%Ub7X3A,7&-%8.U.28W: %,%1./55@#/%&W718-N&,.&723U.&,23J’L.: a%‘23H7A2371854"’(! ’(#""C" #D! ).1P: .12A2’a73,./&2b27-A 谱仪可有效进b7X#闪烁晶体的测试结果表明! 行光谱分辨的发光衰减时间谱测量"加载单色仪后"谱仪的测量效率仅下降#个数量级"达到还对了设计所预期的指标#利用这一装置"P2X*晶体光谱分辨的发光衰减时间谱进行了研究"观测到P2X*晶体的闪烁光中存在着衰减时间常数分别为#1$A<)1A和*#1A的*个成分"且随着波长的变长"发光的快$慢成分将发生改变#%&"O"X"! 71&.1LI\21&.710(RS..! LI+(RM4V *e 2,7&’a3%23,.2A%U^8%28aW\=.1&2@5D@4! A &/3A,7&3%‘1W%8.U.28b3.8-71-2,: %8%J’545-4JP3A,R3%‘,: "#""*"#! E! *GED*F#’5 %&C606\\"^0>0(O=60"\0b0>6P"2,! ;= 参考文献! %<&! 段勇" 顾牡"马晓辉"等’超短脉冲S射线激发荧光寿命谱仪的设计与研制%J&’核电子学与探测技术"#""*"#*! ! #D! C’ ^I+(M%14"RI;N";+S.7%: N."2,7&’9: 282T2&%@-21,%U71N&,37A: %3,@N&A28SD375U7/.&.,5U%3U&N%32A/21,&.U2,.-2-27AN32-21,%J&’(N/&2730&2/,3%1./Ak^2,2/,.%192/: 1%&%45"#""*"#*! ! #D! C’.1P: .1A2A(’ %#&! OL+(RL7.W.1"OL0(J.71-.14 ">0(RN%D: 7%"2,7&’R3%‘,: W5b3.84-71-2,: %8718&ND-.12A/21/2@3%@23,.2A%U(7! aWXP&/35A,7&%J&’JP35 A,R3%‘,: "#""! "#)E! CGGDCF<’%*&! 顾牡" 马晓辉"徐荣昆"等’加载光子带隙膜系b7X#晶体的闪烁光慢成分抑制和抗(辐照损伤的研究%J&’强激光与粒子束"#""C" ! #D! )’ 7&’6/.1,.&&7,%3/: 737/,23.Q7,.%1NA.14,: 2HbH@N&A28SD375U7/.&.,5%J&’>78.7,.%1;27AN32D-21,A" ! **ED*! <’ %)&! ^ 0>0(O=60";=606\\"bH+(_06a==>6P"2,7&’^2A.41%U7@N&A28SD375AA5A,2-U%3U&N%32A/21,&.U2,.-2-27AN32-21,A‘.,: 7,.-.147//N37/5%U<"F@A%J&’? 0009371A(N/&6/." "(6! <’*(! )#FD)*<’ %E&! 6 PL=9+;I6a"T710? J_P\0"L=HDH+(^0>>\"2,7&’a: %,%2&2/,3%1@3%8N/,.%1.1b7X#D9;+082,2/,%3A%J&’(N/&? 1A,3N-;2,: %8A" CG)DCGG’ %G&! +I XX>+M0"b+PP+>=6"b0P_0>69"2,7&’0K,21A.T2A,N8.2A%1P2X*/35A,7&A"74%%8/718.87,2U%32&2/,3%-7412,.//7&%3.-2,357,UND,N327//2&237,%3A%J&’(N/&? 1A,3N-;2,: %8A" *)ED*F"’
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