快塑料闪烁体E-232的时间特性研究.doc

快塑料闪烁体EJ-232的时间特性研究 彭晓世，王峰，徐涛，刘永刚，刘慎业，梅雨，陈铭 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900 摘要：在核反应时间过程测量系统中，闪烁体主要用于将中子转换为便于记录的可见光。EJ-232塑料闪烁体的主要特点是响应快、衰减时间短，利用其进行中子-光转换可提高系统的时间分辨。利用波长为263nm的激光激发闪烁体对其时间特性进行了测量，闪烁体尺寸为Φ6mm×1mm和Φ6mm×2mm。测量结果表明：EJ-232塑料闪烁体的发光上升时间小于30ps，光致激发荧光衰减常数分别为0.6ns和1.1ns。 关键词：闪烁体；EJ-232；时间特性；衰减常数；上升时间 中图分类号：O536，O621.2 文献标识码：A 1 引言 认识瞬态核裂变、聚变反应系统发生的剧烈核反应过程及其规律对于核技术应用、核材料分析、裂变/聚变研究和天体物理等众多核科学研究领域都具有十分重要的科学意义。当前国内用于核反应时间过程诊断的设备通常为闪烁探测器，主要由闪烁晶体和光电器件组成。由于在核反应产生的射线或粒子与闪烁体作用产生荧光，光电器件收集荧光转化为脉冲电信号的过程中都存在信号放大作用，是目前探测灵敏度最高的探测方法之一。 在脉冲辐射场测量中，辐射脉冲的时间信息对反映脉冲辐射源的物理信息是不可缺少的物理量，因此测量中所用的闪烁材料的时间响应特性对于脉冲辐射场测量来说是一个非常重要的物理特性指标。EJ-232是ELJEN公司生产的一种具有超快时间响应的塑料闪烁体，由聚苯乙烯作基质，兑入其他的有机添加剂作闪烁物质，再加上移波剂制成，它具有较高的探测效率、光产额以及稳定的机械性能。其性能指标与Saint-Gobain公司的BC-422基本相同，发射光谱的主峰位在370nm，相对于蒽晶体的光输出约55%。EJ-232BC-422塑料闪烁体富含氢原子，且具有响应快、衰减时间短的特点，因此广泛应用于中子时间谱测量中。 由于EJ-232塑料闪烁体发光上升时间很短，受限于光电器件的时间响应和传输电缆及示波器带宽，利用光电器件配示波器无法测量闪烁体的脉冲响应前沿时间。为了获得EJ-232塑料闪烁体的时间响应特性，利用波长为263nm的激光激发闪烁体并通过高时间分辨的条纹相机进行记录对其时间特性进行了测量，闪烁体尺寸为Φ6mm×1mm和Φ6mm×2mm。测量结果表明：EJ-232塑料闪烁体的发光上升时间小于30ps，光致激发荧光衰减常数分别为0.6ns和1.1ns。 2 实验方法 闪烁体的时间特性一般可以用闪烁体发光上升时间和发光衰减时间来描述。闪烁体发射荧光的光子数达到最大值的时间，对应发光上升时间，主要由闪烁体电子激发时间以及带电粒子在闪烁体中耗尽能量所需的时间决定。一般情况下，利用短脉冲辐射源激发闪烁体后，可直接测量闪烁探测器的输出电流脉冲波形来获得发光上升时间。但对于EJ-232超快塑料闪烁体，由于其发光上升时间很短，实际测得的输出电流脉冲波形的上升沿主要取决于光电器件的时间响应和传输电缆及示波器带宽，脉冲波形的上升沿并不能准确反映闪烁体的发光上升时间。本次实验中对记录系统进行了改进，通过成像方式对闪烁体的发光进行收集并利用超高时间分辨(优于10ps)的条纹相机进行记录，获得了EJ-232闪烁体的发光上升时间。 辐射与闪烁体作用使闪烁体受激形成次级带电粒子，这些带电粒子将能量传递给闪烁体，通过能量损失、电离、激发、退激等方式使闪烁体发荧光，发射荧光的光子数达到最大值后下降的过程，对应发光衰减过程，用发光衰减时间常数来描述。电子退激发光一般将按负指数规律进行衰减[]，闪烁体发光强度表达式为： (1) 其中I(t)为闪烁体发光强度；A为相对归一系数，对一定的闪烁体可认为是常量；τ即为衰减时间常数，它表示光子衰减到所需的时间。利用短脉冲辐射源(脉宽8ps)激发闪烁体时，由于辐射源可视为源且记录系统时间分辨很高，因此条纹相机记录的发光信号后沿与闪烁体发光衰减按同样的负指数规律进行，对发光信号的后沿进行负指数拟合即可得到闪烁体的发光衰减常数。 3 实验条件及排布 闪烁体时间特性测量的光路排布如图1所示。实验使用的激发源脉冲为YLF激光器输出的脉宽约8ps、波长为263nm激光信号，激光经取样镜BS1后分成两束，其中一束入射光电探头后产生条纹相机所需的触发信号，信号经过延时箱后输入条纹相机。另一束入射EJ-232塑料闪烁体，激光激发闪烁体所产生的荧光通过成像系统进行收集，并通过成像方式传递到条纹相机输入狭缝进行记录，在光路中放置了一片转折反射镜M1以便于光路调节。由于实验中所用的激发光为YLF激光器的四倍频光，在光路中还存在未转换的基