基于时间相关单光子计数原理的x射线激发发射光谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及高能射线激发闪烁材料检测用的光谱测试仪器，特别是一种基于时间相关单光子计数原理的X射线激发发射光谱仪。
【背景技术】
[0002]闪烁材料是一种吸收高能射线(如α _，β _，γ -和X-射线)后发出可见光的光功能材料，近年来在高能物理、核物理、天体物理、地球物理、工业探伤、医学成像和安全检测等领域得到了广泛的应用。现有闪烁材料主要包括闪烁晶体、闪烁陶瓷和闪烁玻璃等种类，其实际应用的两个关键性指标就是高光产额和短余辉等特性。这就涉及高能射线激发下闪烁体的发光强度测量及高能射线停止激发后闪烁体的余辉特性等问题。X射线源因较易获得而广泛地应用于日常工业生成和生活中，本实用新型的目的就是要公开一种X射线激发发射光谱仪的构造原理及其具体应用。
[0003]在X射线激发下，对闪烁体发光强度的测量并没有商业化检测设备，其发光强度的测量都是由科研人员根据试验需要自行设计并搭建。如黄彦林等人就报到了一种X射线激发发射光谱仪【黄彦林，冯锡淇，朱洪全，朱文亮，物理试验，25 (5):24-27, 2005】，该仪器使用的F30II1-2型X射线源(上海医用核子仪器厂)只能连续性工作数分钟，其探测器为Hamamatsu R928-28光电倍增管，对于闪烁体微弱荧光的信号无法探测。倪晨等人也自行设计并搭建了一套X射线激发发射光谱仪【倪晨，顾牡，王迪，曹顿华，刘小林，黄世明，光谱学与光谱分析，29 (8):2291-2294, 2009】，采用了黄彦林等人使用的X射线源，光电管为Hamamatsu Photonics公司生产的PCR131，因此，该仪器性能并未得到显著性改善。在公开号为CN101551345A，名称为“基于X射线激发光源的光谱仪”的发明专利中就公开了一种可集成测量闪烁体的X射线激发发射光谱和余辉特性的光谱仪，尤其是通过旋转光纤入射端与样品夹角可测试不同空间的X射线激发发射强度。
[0004]尽管上述X射线激发发射光谱仪各具优点及特色，但对于X射线激发下低光产额闪烁体的微弱荧光检测却极为困难。本实用新型主要克服X射线激发下闪烁体微弱荧光探测的实际困难，在光学耦合部分采用光学透镜组合将闪烁体荧光放大后，精确地汇聚于光路耦合系统中的光纤入射端，同时在光电探测部分采用时间相关单光子技术原理来收集和记录荧光，具有精确地闪烁体荧光光谱及余辉特性的测量功能。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于解决对于X射线激发下闪烁体的微弱荧光强度及余辉特性等，提供一种基于单光子计数原理的X射线激发发射光谱仪，以满足该技术领域的光谱检测技术要求。
[0006]一种基于时间相关单光子计数原理的X射线激发发射光谱仪，其特征在于:该光谱仪依次包括X射线源、光学耦合系统、单光子计数探测系统和计算机；光学耦合系统由透镜组及光纤构成，将X射线激发闪烁体产生的荧光通过透镜组聚焦到光纤端面，随后荧光在光纤内传播并到单光子计数探测系统。
[0007]样品放置在X射线源和光学耦合系统之间。样品可以放置在样品支架上。
[0008]所述的X射线源，其特征在于X射线源可连续在0_8h内较长时间地工作，其管电压从20-80kV可调，电流从0-5mA可调。根据闪烁体样品尺寸与形状可方便地对X射线的尺寸及形状做相应地改变，根据X射线的配置及实际工作要求可选配循环冷却水。
[0009]所述的光学耦合系统，主要由透镜组及光纤构成。其功能是将X射线激发闪烁体产生的荧光(200-900nm)通过透镜组合放大后，精确地聚焦到光纤端面，随后荧光在光纤内传播并到达探测系统所要求的光路中。光学耦合系统可固定在同一个旋转台上，以方便调整光学耦合系统与准直的X射线源的角度，实现透射式和反射式采集闪烁体的荧光信号。
[0010]所述的X射线激发发射光谱仪的探测系统是接收和采集光学耦合系统传输的荧光，由于本光谱仪采用了较成熟的时间相关单光子计数原理，即使X射线激发下闪烁体的微弱荧光信号也能被灵敏地探测和记录。
[0011]本实用新型基于时间相关单光子计数原理的X射线激发射光谱仪，可实时、准确地获得闪烁体在X射线激发下的波长对应发光强度的光谱分布曲线(光谱测量)，也可以获得X射线激发停止后的闪烁体的发光强度的时间分布曲线(余辉测量)。有效地解决了目前的技术手段不能实现准确、完整的检测X射线激发下闪烁体的微弱的发光光谱及余辉特性的技术难题。
【附图说明】
[0012]图1为Cs1:Tl闪烁晶体的X射线激发发射光谱；
[0013]图2为LYSO= Ce闪烁晶体的X射线激发发射光谱；
[0014]图3为Tb3+激活硅酸盐闪烁玻璃的X射线激发发射光谱。
[0015]图4为本实用新型示意图。
[0016]其中I为X射线、2为样品支架，3透镜组、4为光纤，5为单光子计数探测系统、6为计算机。
【具体实施方式】
[0017]以下结合基于单光子计数原理的X射线激发发射光谱仪对常规闪烁体的测试作进一步详细描述。
[0018]实施例1
[0019]图1为Cs1:Tl闪烁晶体的X射线激发发射光谱，测试条件为管电压30kV，管电流为3mA，扫面步长0.2nm，停留时间0.2s，带宽为5nm。X射线激发发射光谱中位于350_800nm之间宽峰，其中最强发射峰(约560nm)对应于Tl+离子的发光，而400nm附近的发射峰被认为是与氧杂质引起的I空位捕获一个电子后形成的F心发光。
[0020]实施例2
[0021]图2为LYSO:Ce闪烁晶体的X射线激发发射光谱，测试条件为管电压30kV，管电流为3mA，扫面步长0.2nm，停留时间0.2s，带宽为5nm。X射线激发发射光谱中位于360_600nm之间宽峰，对应于典型的Ce3+离子5d-4f的光学跃迀，其最强发射峰位位于420nm附近。
[0022]实施例3
[0023]实施例3中闪烁体为Tb3+激活硅酸盐玻璃，其质量百分比组份为:46.7% S12,35.9% BaO, 1% Al2O3,4.03% Li (Na, K)20，4.37Gd203，8% Tb4O7,0.2% CeO2，发光中心为 Tb3+离子。采用传统的熔融法制备，融制温度为1520°C，熔制气氛为空气。
[0024]图3为不同管电流条件下Tb3+激活硅酸盐闪烁玻璃的X射线激发发射光谱，测试条件为管电压30kV，管电流分别为1.5，3.0和4.5mA，扫面步长0.2nm，停留时间0.2s，带宽为2nm。发射光谱中位于490nm，545nm，588nm和624nm的四个发光峰分别对应于Tb3+离子5D4- 7FjQ = 6,5,4,3)的光学跃迀，其中545nm(5D4— 7F5)波长发光强度最大。此外，X射线激发条件下，玻璃闪烁体的发光强度随着管电流的增加而显著增强。
[0025]上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于时间相关单光子计数原理的X射线激发发射光谱仪，其特征在于:该光谱仪依次包括X射线源、光学耦合系统、单光子计数探测系统和计算机；光学耦合系统由透镜组及光纤构成，将X射线激发闪烁体产生的荧光通过透镜组聚焦到光纤端面，随后荧光在光纤内传播并到单光子计数探测系统。2.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于:X射线源在0-6h内可连续工作，其管电压从20-80kV可调，其电流从0-5mA可调。3.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于:光学耦合系统固定在同一个旋转台上。4.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于:样品放置在X射线源和光学耦合系统之间。
【专利摘要】基于时间相关单光子计数原理的X射线激发发射光谱仪，涉及闪烁材料检测用的光谱测试仪器。其特征在于：该光谱仪依次包括X射线源、光学耦合系统、单光子计数探测系统和计算机；光学耦合系统由透镜组及光纤构成，将X射线激发闪烁体产生的荧光通过透镜组聚焦到光纤端面，随后荧光在光纤内传播并到单光子计数探测系统。该光谱仪的一个显著优点是其光电探测系统采用较为成熟的时间相关单光子计数原理，即使闪烁体的微弱荧光信号也能被灵敏地探测和记录。该光谱仪主要用于闪烁体的高能射线(特别是X射线)激发下其发光强度随波长的关系(光谱测量)、以及高能X射线停止激发后其发光强度随时间的关系(余辉特性测量)。
【IPC分类】G01N23/223
【公开号】CN204705604
【申请号】CN201520390149
【发明人】孙心瑗, 余晓光, 蒋达国, 胡强林, 杨庆梅
【申请人】井冈山大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年6月8日