塑料闪烁体的闪烁时间特性

黄展常 杨建伦

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621900）

塑料闪烁体的闪烁时间特性

黄展常 杨建伦

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621900）

采用137Cs激发塑料闪烁体发光，应用单光子计数法测量塑料闪烁体发光衰减曲线。根据测量原理搭建了实验平台，测量了ST401和EJ232两种闪烁体的闪烁时间特性。实验结果用双指数拟合法进行分析可得，ST401发光衰减常数为2.9 ns和50 ns，EJ232发光衰减常数为1.6 ns和30 ns。实验平台所测幅度动态范围大于104，时间分辨小于0.8 ns。从统计学分析单光子计数法的物理过程，并采用蒙特卡罗方法模拟整个探测过程，探讨单光子计数法的适用条件。实验结果与数值模拟结果相洽。若终止探测器平均探测到的光子数不大于0.1，则多道测量结果可以近似为塑料闪烁体发光衰减曲线。

塑料闪烁体，闪烁时间特性，单光子计数法，蒙特卡罗方法

与碘化钠闪烁体相比，塑料闪烁体具有发光时间短、发光强度低的特点。其在强脉冲伽马场或者强脉冲中子场测量中有较广泛的应用[1–2]。例如，在氘氘聚变反应中，采用飞行时间法测量中子能谱时，有时候会关注初级中子的散射中子信号，这就需要了解塑料闪烁体的发光时间特性，尤其是慢成分，以便选用合适的闪烁体进行脉冲信号测量降低初级中子激发的慢成分荧光对散射中子测量的影响[3]。目前塑料闪烁体的发光时间特性测量方法较多，例如采用激光激发塑料闪烁体，用高时间分辨的条纹相机记录闪烁体的发光过程，该方法要求较窄的激光脉宽，测量结果受闪烁体的尺寸影响较大[4]。由于单次激发的荧光数目有限，该方法可测动态范围低于10，主要用于研究快成分。采用激光激发闪烁体，用高时间采样率的示波器记录探测器的输出波形，该方法可测动态范围低于10，主要用于研究快成分[5]。采用单光子计数法，常用超短脉冲激光或放射源激发闪烁体，通过统计大量闪烁体发光事件实现时间的不连续测量，由多道统计谱表征闪烁体发光衰减曲线[6–9]。该方法应用较广泛，但是较少研究其适用条件，特别是对减光条件要求的讨论较少。文献[10]采用单光子计数法测量了ST401，主要研究其快成分，图数据显示动态范围低于103。本文通过数值模拟与实验结果分析研究塑料闪烁体的闪烁时间特性，关注其慢成分的时间特性，并得到单光子计数法应用于塑料闪烁体时间特性研究的适用条件。

1 实验装置

如图1所示，用137Cs源激发塑料闪烁体ST401。闪烁体紧贴PMT1光电倍增管的信号输入窗。由于PMT1输出信号幅度大部分大于1 V，为保护恒比定时器CFD935-1，因此把输出信号进行适当衰减后输入CFD935-1。再把其输出信号输入到时幅转换器TAC567中，作为计时开始信号。CFD935-1的阈值调至热噪声幅度以上，以降低热噪声开启TAC567的概率。PMT2离开闪烁体一定的距离，满足单光子收集条件。把其输出信号输入恒比定时器CFD935-2。为把发光衰减峰移至时间幅度转换TAC (Time-to-Amplitude Converter)的最小分辨时间外，CFD935-2的输出比CFD935-1多加2 m电缆后输入到时幅转换器中，作为计时终止信号。通过大量发光事件统计，在多道分析器上得到闪烁体的发光衰减统计谱。

实验前通过多道能谱统计发现PMT1和PMT2的热噪声幅度在10 mV以下的计数率很大，但是大于等于100 mV的平均计数率为每秒2个，热噪声幅度大于200 mV的平均计数率为5分钟1个。无需经过快放即可满足恒比定时器的输入幅度要求。实验时，衰减器的倍率为10倍，提供起始信号的恒比定时器的阈值设为30 mV，则对应探测器输出幅度为300 mV，降低了热噪声开门的概率。提供终止信号的恒比定时器的阈值设为100 mV。因此无需制冷装置。

图1 实验框图Fig.1 Schematic setup of the experiment.

2 测量原理

假设伽玛射线与闪烁体作用后，闪烁体产生N0个荧光光子。停止探测器对荧光光子的总探测效率为ε，则停止探测器平均探测到的荧光数目为N0ε，记m=N0ε。闪烁体的发光衰减归一化曲线为f(t)，f(t)从0到无穷的积分值为1。F(t)等于f(t)从0到t的积分。那么，在[0, t]区间停止探测器探测到0个光子的概率为：exp(-N0F(t)ε)，在[t, t+dt]区间探测到非零个光子的概率为：N0f(t)εdt。

伽玛射线与闪烁体作用一次，荧光光子被多道记录在t-t+dt区间的概率为：

式中，1-e−m为归一化系数；g(t)为多道归一化谱。

假设G(t)等于g(t)从0到t的积分，则式(1)两边积分整理得：

对式(2)两边求导，可得：

对式(3)的e−m进行泰勒级数展开得到：

由式(4)可知，当m较小时，f(t)趋向于g(t)，即由多道统计的归一化谱g(t)就可以近似表征为闪烁体的发光衰减谱f(t)。

伽玛与闪烁体作用后产生的光子数N0服从一定的分布。例如本次实验中，137Cs与塑料闪烁体作用，N0近似服从能量沉积谱分布，因此m的值也服从能量沉积谱分布。但是m具有一定的统计特征，后面讨论与实验的m是指m所服从的分布平均值。

假设闪烁的荧光光子服从一个已知的单指数分布f(t)，采用蒙特卡罗方法对探测过程进行模拟，得到不同m值时，多道统计谱g(t)与f(t)之间的关系，如图2所示。

由图2可知，当m≥0.5时，归一化的多道统计谱g(t)与闪烁体发光衰减曲线f(t)有较明显的差别。当m≤0.1时，多道统计谱g(t)与闪烁体发光衰减曲线f(t)比较接近，可以采用归一化后的多道统计谱g(t)来表征闪烁体发光衰减曲线f(t)。

综上可得，当m值较大时，低道计数升高，高道计数降低，表现为衰减快。当m值较小时，需要测量的时间长，稳定性要求高。由m值即可预估在单光子测量实验中需要进行减光的倍率。假设取m=0.1，若一次伽玛事件平均产生103个荧光，那么需要减光倍率应该大于104倍（包含荧光从闪烁体的透出率、几何减光和滤片减光的总和）。在这种减光条件下，多道统计谱可近似为发光衰减时间谱。m值的提出为减光程度提供了一个方向，而不是盲目地减光，在保证结果可靠的前提下又能保证一定的符合计数率。

图2 不同m值多道统计谱与闪烁体发光衰减曲线Fig.2 Comparison of scintillator decay curve with simulated multi-channel analyzer outputs for various values of parameter m.

3 实验结果及讨论

据图1布局，把尺寸为ø40 mm×20 mm的ST401紧贴PMT1进行实验。通过调节PMT2与塑料闪烁体之间的距离以及通过在PMT2输入窗面紧贴不同直径的小孔的光阑来改变PMT2接收光子的立体角，进而改变其收集光子个数。图3(a)是较典型的多道统计波形，由图3(a)可知，第0–20道无计数，这是由于TAC自身固有时间分辨造成。图3(a)的总计数为650 110，TAC开启次数估计为650110/0.05。0.05为符合率m。由前面已知PMT2噪声计数率为每秒2个，因此噪声的符合计数为：2s-1×100 ns×650110/0.05=3。由于高道址的统计涨落较大，主要记录慢成分的时间行为，可以适当地牺牲时间分辨，因此对多道统计谱400道以后的数据进行合并，每10道取均值并把该均值作为这10道中的第5道的计数值，得到如图3(b)所示。

图3 ST401塑料闪烁体发光的多道统计谱(a) 原始数据，(b) 处理数据Fig.3 ASPEC927 statistical spectra for ST401 scintillator. (a) Original data, (b) Re-binned data

实验过程中，m的估计值等于start信号与stop信号符合计数率除以start信号的计数率。不同m值时的多道归一化统计谱如图4所示。实验过程中，每道的时间间隔为0.1 ns。

由图4可知，当m=0.5时，其发光衰减峰比m=0.05时的发光衰减峰尖锐。对于下降沿，与m=0.05相比，m=0.5的统计谱表现为低道址的计数值升高，高道址的计数值降低。这与§2的数值模拟结果相洽。由数值模拟结果可知，当m=0.05时，采用单光子计数法得到的多道统计谱可以近似为闪烁体的发光衰减时间谱。针对m=0.05的多道统计谱，把峰位设为0时刻并对峰值归一化后，进行y–t双指数拟合[11]，得到y=0.999× exp(-t/2.9)+0.001×exp(-t/50.0)。即ST401的快成分发光衰减常数为2.9 ns，与文献[10]结果相洽。双指数拟合过程：对于如图3(b)谱的下降沿，先采用Origin进行单指数拟合得到快成分衰减常数的范围，再用Origin进行双指数拟合并输入快成分的取值范围得到快慢成分衰减常数的取值。通过MATLAB对快慢成分的衰减常数做变动调节，进行试解，当拟合结果与谱线的相关系数为0.99时停止拟合。

图4 不同m值时ST401塑料闪烁体发光的多道归一化统计谱Fig.4 ASPEC-927 normalized statistical spectra of different m for ST401 scintillator.

在m=0.05的条件下，把ST401塑料闪烁体换成尺寸为ø50 mm×20 mm的EJ232塑料闪烁体进行实验，结果如图5所示。把峰位设为0时刻并对峰值归一化后，进行y–t双指数拟合，y=0.98× exp(-t/1.6)+0.02×exp(-t/30.0)。即EJ232的快成分发光衰减常数为1.6 ns，与文献[12]结果相洽。

图5 EJ232塑料闪烁体发光的多道统计谱(a) 原始数据，(b) 处理数据Fig.5 ASPEC-927 statistical spectra for EJ232 scintillator. (a) Original data, (b) Re-binned data

4 系统时间分辨标定

保持图1的连线不变，用同步机DG645触发皮秒激光器输出激光信号。用光纤分路盒把光信号一分为二，一路输出靠近PMT1信号窗，模拟闪烁体发光光子输入PMT1；另一路输出适当减光靠近PMT2信号窗，模拟闪烁体发光光子输入PMT2。把PMT1的输出信号输入恒比定时器为TAC提供开启信号。把PMT2的输出信号采用衰减器进行适当衰减使之与实验中采用放射源时输出信号的平均幅度相近，再输入恒比定时器为TAC提供终止信号。其他实验条件不变。多道统计的结果如图6所示。由图6可知，时间分辨统计峰的半高宽为4道。在此次标定实验中，标定值为每道0.2ns，因此时间分辨统计峰的半高宽为0.8ns。

图6 系统时间分辨统计谱Fig.6 ASPEC927 statistical spectrum of system time resolution.

5 结语

本文通过数值模拟分析了单光子计数法的可行性，提出了用多道统计谱表征闪烁体发光衰减曲线的条件。在分析过程中引入了m值，解决了实验中减光倍率和计数率的协调问题。实验研究了ST401和EJ232塑料闪烁体的发光时间特性。实验结果与数值模拟结果相洽，实验平台运行稳定可靠，为研究塑料闪烁体快、慢成分荧光时间特性提供了技术参考。

致谢 感谢朱学斌、李忠宝、郑普等同事提供的硬件支持。

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12 EJ-232 plastic scintillator[EB/OL]. http://www. southernscientific.co.uk, 2015

Decay time characteristics of plastic scintillator

HUANG Zhanchang YANG Jianlun
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, Chinese Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background: The plastic scintillator is mostly used for the inertia confinement fusion determination systems. It is necessary to know the scintillator decay time. Purpose: The aim is to measure the decay time of the plastic scintillator and analyze the applicability of single photon method. Method: The plastic scintillator is excited by137Cs, and the decay time of the plastic scintillator is measured by single photon method. The ST401 and EJ232 plastic scintillators are measured by this device. The theory of single photon method is analyzed via statistics and the measurement process is simulated by Monte Carlo method. Results: The results are 2.9 ns with 50 ns for ST401 and 1.6 ns with 30 ns for EJ232 via double exponential fitting. The device has a dynamic range of over 104and an intrinsic time resolution under 0.8 ns. The experiment result agrees to the simulated one. Conclusion: The comparison between the experiment result and the simulation result indicates that with the mean counts of stop detector no more than 0.1, the result measured by single photon method can be approximated to the decay time of plastic scintillator.

Plastic scintillator, Flashing time characteristics, Single photon counting method, Monte Carlo method CLC TL812

TL812

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060203

中国工程物理研究院科学技术发展基金(No.2013B0102008)资助

黄展常，男，1989年出生，2012年毕业于清华大学，现为硕士研究生，主要从事惯性约束聚变物理诊断等方面的研究

2015-01-28，

2015-03-29