γ/快中子图像测量系统闪烁体光输出特性的实验研究

祁建敏，章法强，陈进川，李林波，陈定阳

(中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900)

强脉冲辐射场[1]γ/快中子图像诊断系统[2]基于针孔/编码孔成像或半影成像原理。通常使用大面积闪烁体将成像平面上的γ/快中子信号转化为闪烁光，部分闪烁光通过光学成像系统收集并被由MCP和CCD组成的记录系统记录，由此获得目标区域γ/快中子时空分布的信息。闪烁体是γ/快中子信号的转换体，其闪烁光输出及光学成像系统对闪烁光的收光效率是确定γ/中子图像测量系统灵敏度和测量动态范围的关键参数。当前研制的脉冲γ/快中子图像测量系统关注的闪烁体主要包括用于γ成像的YAG∶Ce3+等高光输出无机闪烁体[3]和用于快中子成像的EJ200、EJ260和EJ264等快时间响应塑料闪烁体。

在传统的脉冲辐射测量研究领域，闪烁体光输出特性的实验测量一般采用闪烁体和光电器件(如光电倍增管，PMT)紧密耦合方式[4-6]。光电器件输出信号较强，但辐射会直接作用在光电器件上，进而对信号输出产生影响。强脉冲γ/快中子图像测量系统使用的闪烁体与记录系统为分离耦合方式，需研究闪烁体光输出强度及其角分布及光学成像系统对闪烁光的收光效率和光谱响应等特性。本工作通过实验研究闪烁体与光敏器件在分离耦合条件下输出电流信号的变化规律，以获得不同类型闪烁体的相对光输出特性，为光学成像系统的光收集和传输特性研究提供必要参数。

1 实验布局

分离耦合条件下闪烁体光输出特性的实验研究利用西北核技术研究所强60Co同位素γ源。该放射源活度约2×1014Bq，为圆柱形，底面直径23 mm、高33 mm，所发射的γ射线能量为1.17 MeV和1.33 MeV(平均为1.25 MeV)。实验布局如图1所示，闪烁体和PMT分开一定距离(耦合距离Lsp)，使PMT相对闪烁体具有确定的收光角Ωsp。测量不同Lsp(或Ωsp)对应的PMT输出电流强度，通过PMT光谱响应校正可获得不同类型闪烁体的相对光输出。闪烁体前使用厚100 mm、直径45 mm的铅准直器准直，周围覆盖厚100 mm的铅以实现良好的辐射屏蔽。

图1 闪烁体相对光输出标定实验布局

为提高测量信噪比(SBR)、避免实验过程中γ射线直照PMT光头产生较强的本底，将PMT垂直γ射线入射方向放置。在闪烁体轴线和PMT轴线垂直点放置铜镜以反射闪烁光，该反射镜对可见光的反射效率约为98%。由于所研究闪烁体的发光光谱主要集中在红光至蓝光波段，因此假定反射镜对入射闪烁光的反射率为100%，认为闪烁光全部来自反射镜后闪烁体的“虚像”，进而研究闪烁体的相对光输出及光学成像系统收光效率的变化规律。

2 闪烁体相对光输出的实验研究

闪烁体前表面到60Co源间距为L0+L1=249.55 cm，通过热释光和气体电离室两种方法测得闪烁体处γ射线注量率为5.63×108cm-2·s-1。YAG∶Ce3+、ST401、EJ200、EJ260、EJ264等5种闪烁体厚度均为10 mm，YAG∶Ce3+直径为95 mm，ST401直径为120 mm，EJ系列闪烁体直径为180 mm。由闪烁体后表面固定垫圈确定的闪烁体有效发光区域直径均为68 mm。移动PMT位置以改变耦合距离Lsp，测量相应的PMT输出电流强度变化(表1)。PMT输出电流应扣除本底(PMT暗电流及遮挡闪烁光时的PMT光阴极电流)的影响，其净电流反映PMT收集到的闪烁光信号的贡献。该实验布局使本底占总输出电流的比例，由直照时的约10%降至0.1%～0.4%，大幅提高了实验测量的SBR和精度。

表1 分离耦合条件下闪烁体相对光输出实验测量结果

图2为双碱阴极PMT的光谱响应曲线与不同闪烁体的发光光谱。5种闪烁体具有不同的发光光谱，需根据发光光谱和T5型PMT(俄罗斯产)双碱阴极光谱响应曲线对PMT净输出电流进行修正。相应的光谱响应校正因子由闪烁体发光光谱和双碱阴极光谱响应[7]经卷积计算得到(表2)，定义ST401光谱响应校正因子为1.0。由于ST401和EJ200闪烁体发光光谱与该PMT匹配良好，光谱响应校正因子接近1。而YAG∶Ce3+、EJ260和EJ264闪烁体发光光谱与该PMT光谱响应曲线不完全匹配，光谱响应校正因子在0.1～0.6之间。

图2 双碱阴极光谱响应曲线与闪烁体发光光谱

表2 T5型PMT对不同类型闪烁体的光谱响应校正因子

根据表2中PMT光谱响应校正因子，对表1 中PMT净电流进行修正。在耦合距离不变的条件下，闪烁体光输出与修正后的电流强度呈正比，不同类型闪烁体对ST401的相对光输出列于表3。改变Lsp，重复上述过程，得到不同Lsp对应的闪烁体相对光输出。比较3组测量结果，测量值相对不确定度小于0.3%，表明耦合距离不影响闪烁体相对光输出的测量结果。

表3 分离耦合条件下闪烁体的相对光输出

对上述结果进行分析，YAG∶Ce3+闪烁体的PMT输出净电流为ST401闪烁体的5.1倍，经光谱响应校正后，得到YAG∶Ce3+闪烁体的光输出为ST401闪烁体的9.3倍。YAG∶Ce3+和ST401闪烁体的密度分别为4.55 g/cm3和1.05 g/cm3，对平均能量为1.25 MeV的γ射线的线吸收系数分别为2.56×10-2cm2/g和2.89×10-2cm2/g。故当闪烁体厚度为10 mm时，单个1.25 MeV γ光子以次级电子的形式在YAG∶Ce3+和ST401闪烁体中沉积的能量分别为0.137 MeV和0.037 MeV。YAG∶Ce3+和ST401闪烁体的发光效率分别为16 700 MeV-1(电子)和6 450 MeV-1(电子)，双碱阴极PMT对两者的光谱响应校正因子分别为0.553和1.000。最终得到两者理论净输出电流比为5.27，与实验测量值5.1相差3%。

EJ200、EJ260和EJ264闪烁体的光输出分别是蒽的64%、60%和50%，发光效率分别为10 000、9 200和7 700 MeV-1(电子)。实验测量同一Lsp处3种闪烁体的净输出电流比分别为1.000、0.937和0.730(以EJ200为基准)，与产品资料提供的发光效率比相当，但净输出电流比并未考虑闪烁体和PMT光谱响应的差别。经双碱阴极光谱响应和闪烁体发光光谱修正后得到EJ200、EJ260和EJ264闪烁体的光输出比分别为1.000、1.538和4.702(相对于EJ200)，与产品资料数据不一致。另一方面，EJ200和ST401闪烁体的发光光谱基本相同，光输出比为1.37，与产品资料发光效率结合光谱响应校正计算的光输出比1.44相差仅5%。

3 不同耦合距离闪烁光收集效率的实验研究

由图1可知，实验中闪烁体和PMT的距离为Lsp，闪烁体有效发光区域直径为68 mm，PMT光头直径为50 mm。5种闪烁体对应不同Lsp的PMT净输出电流比列于表4，同一闪烁体不同Lsp对应的PMT净输出电流比完全相同。定义Lsp=30.15 cm时几种闪烁体的相对净输出电流强度平均为1.000，则Lsp=38.85 cm时PMT净电流比平均为0.600±0.002，Lsp=47.55 cm时为0.453±0.001。5种闪烁体在图1布局条件下，净输出电流随Lsp的变化相同，反映了闪烁体和PMT的耦合特性及光敏器件对闪烁体的光收集规律。

表4 不同Lsp闪烁体PMT输出电流比

根据表4的数据，假设闪烁体为点各向同性发光，则净输出电流I(Lsp)与Lsp平方呈反比关系：

(1)

实际上，由于闪烁体和PMT光阴极均有一定尺寸，光阴极半径为rPMT的PMT对有效发光区域半径为rSCIN的闪烁体的等效收光立体角Ωeff[1]为：

(2)

当rPMT和rSCIN远小于Lsp时，式(1)、(2)一致。由于闪烁体和PMT半径不变，仅Lsp变化，因此假定闪烁体为各向同性发光时，PMT输出电流、收光效率与等效立体角Ωeff呈正比。

YAG∶Ce3+闪烁体的折射率n=1.9，ST401和EJ系列闪烁体的n=1.58，由此计算PMT对闪烁体的收光效率，如图3所示。图中：θ为PMT对闪烁体的张角，由rPMT和Lsp确定；α为闪烁体内闪烁光子的收集角，由θ和n确定。其中：

(3)

则PMT对闪烁体的收光效率η为：

(4)

图3 闪烁体收光效率计算示意图

实验中PMT直径为50 mm，闪烁体有效直径为68 mm，分别由式(1)、(2)、(4)计算出的不同Lsp处的相对收光效率列于表5。实验测量结果与公式计算结果的对比示于图4，式(1)假设闪烁体为点各向同性发光，式(2)假设闪烁体为面各向同性发光，式(4)认为当PMT收光角较小时闪烁体内闪烁光分布均匀且为各向同性发射。定义Lsp=30.15 cm(半收光角θ=4.7°)时闪烁体的相对收光效率均为1.000，Lsp=38.85 cm(半收光角θ=3.7°)时式(1)、(2)、(4)的相对收光效率计算结果分别为0.602、0.606和0.608，与相对实验测量值0.600±0.002的相对偏差分别为0.3%、1.0%和1.3%，表明在这一Lsp范围闪烁光发射可认为是各向同性分布。当Lsp=47.55 cm(半收光角θ=3.0°)时式(1)、(2)、(4)的相对收光效率计算结果分别为0.402、0.406和0.408，与实验测量值0.453±0.001的相对偏差分别为-11.3%、-10.4%和-9.9%，表明该Lsp范围闪烁光发射不再遵从各向同性分布规律。因此，PMT对闪烁体的相对收光效率在Lsp较小时可按各向同性分布计算，Lsp较大时需考虑闪烁光发射各向异性的影响。

表5 不同耦合距离相对收光效率的理论与实验结果

图4 实验测量结果与公式计算结果的对比

4 结论

通过研究闪烁体与光敏器件在分离耦合条件下输出电流的变化规律，测量了脉冲γ/快中子成像用YAG∶Ce3+、ST401、EJ200、EJ260和EJ264等5种大面积无机/塑料闪烁体的相对光输出，研究了耦合距离变化对光学系统收光效率的影响。PMT输出电流强度经光谱响应修正后，得到YAG∶Ce3+、ST401、EJ200、EJ260、EJ264闪烁体的光输出之比为9.27∶1.00∶1.37∶2.11∶6.45，不同耦合距离下的测量结果相对不确定度小于0.3%。研究结果表明，闪烁体相对光输出实验测量结果在不同耦合条件下具有很好的一致性，光学成像系统对闪烁光的收集效率在较小耦合距离下可按各向同性分布计算，耦合距离较大时需考虑闪烁光发射各向异性的影响。

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