成像板发光原理及其特性.pdf

成像板发光原理及其特性*王浩然1)2)3)田宝贤3)薄楠1)2)3)刘伏龙3)贺创业3)贾少青4)郭冰3)王乃彦3)1)(北京师范大学核科学与技术学院,北京100875)2)(北京师范大学,射线束技术教育部重点实验室,北京100875)3)(中国原子能科学研究院,北京102413)4)(原子高科股份有限公司,北京102413)(2023年 4月 12 日收到;2023年 6月 12 日收到修改稿)由于成像板(imagingplate,IP)对电磁辐射场不敏感,因而作为探测介质被广泛应用于激光驱动的辐射粒子诊断设备中,在使用前需要对其特性和物理机制进行研究.利用90Sr/90Y 电子源测量 BAS-SR 和 BAS-TR两种 IP 板的时间衰减曲线,同时对长时间辐照的衰减曲线进行修正;刻度了BAS-SR 和 BAS-TR 两种 IP 板对90Sr/90Y 电子源的绝对灵敏度,其分别为(0.0330.002)PSL/e 和(0.01800.0038)PSL/e(photostimulatedlight,PSL),与国际上大部分电子绝对刻度的结果基本相符,IP 板对辐射粒子的绝对刻度依赖于 IP 板的类型、扫描设备和实验环境.此外对 BAS-SR 和 BAS-TR 两种 IP 板辐照后进行多次连续扫描,研究了信号强度变化趋势的规律.建立了用于描述辐射粒子在 IP 板荧光层中沉积能量、存储信息和信息读取微观物理过程的光激励发光模型,结合光激励发光模型建立的数学模型有效地阐释了 IP 板探测辐射粒子物理机制与其表现的特性之间的关系.这些研究可以为后续开展 IP 板应用于激光等离子体诊断实验提供一定的数据基础.关键词：成像板,特性研究,光激励发光PACS：52.38.r,07.81.+a,07.77.KaDOI:10.7498/aps.72.202305871引言随着激光技术的发展,目前激光最大功率已经突破皮瓦1,激光脉冲宽度可以达到飞秒水平,超短超强激光与物质相互作用产生强电磁场加速的超热电子,其脉冲宽度与激光脉宽水平相当2,对于激光驱动超热电子的诊断一直以来是激光等离子体中的研究热点.成像板(imagingplate,IP)是一种基于磷光剂成像技术、可重复利用的辐射粒子累计剂量探测介质3,由于其不受电场和磁场的影响4,对辐射粒子的线性动态范围超过 5 个数量级5;易于操作和被动操作,可以被切割成不同尺寸、形状6;IP 板经扫描后获得图像为数字形式便于存储和数据处理7,因此 IP 板作为探测介质广泛应用于激光驱动的辐射粒子探测诊断设备中.IP 板对不同类型、能量的辐射粒子响应不同,并且非常依赖读取设备和使用环境.Bonnet 等8,9刻度了 BAS-SR,BAS-MS 和 BAS-TR 三种类型的 IP 板对 010MeV 内的电子、光子以及 0100MeV4He 粒子的响应,由于重离子最容易损失能量,电子次之,而光子的穿透能力最强,因此 IP板对相同能量而不同类型粒子的响应不同:4He 粒子电子光子.Williams 等10详细研究了一台*国家自然科学基金(批准号:11935008)资助的课题.通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.16(2023)165201165201-1相同扫描仪设置不同的光电倍增管电压值,以及相同实验条件下 3 台扫描仪之间读取的信号差异.Ohuchi 等11系统地探究了 IP 板的信号衰减与时间和温度之间的关系.大量的刻度实验表明,IP 板的响应参数非常依赖实验条件本身6,1215,因此在使用前必须对 IP 板的特性参数进行刻度.IP 板的特性由其存储原理决定,IP 板的荧光层由典型的电子俘获材料 MFX(M=Ca,Sr,Ba;X=Cl,Br,I)碱土金属氟卤化物 BaFBr 构成,当辐射粒子辐照时,在荧光层中沉积能量激发产生大量的自由电子-空穴对,自由电子被电子陷阱捕获.在黑暗环境中一定程度可以保持这种状态,读取信息时,扫描仪发射可见光,电子从陷阱中逃脱与发光中心复合释放存储的信息.1984 年,Takahashi 等16建立导带转移模型描述了电子在信息存储和读取过程中的输运过程,但是导带转移模型的光激励发光强度与辐照剂量的关系和实验中发现的线性关系不符.VonSeggern 等17,18提出了电子隧穿转移模型,其中电子隧穿模型中的激励发光复合中心的形成原因有待发掘,且隧穿态高于激发态的能级与能量弛豫方向相反.赵辉19则认为电子转移既通过导带过程同时也通过隧穿过程,提出了光激励发光并行模型,通过实验结果证实了并行模型的正确性,且光激励发光的强度与入射的辐射粒子的沉积能量成正比,但是该模型无法解释 IP 板的时间衰减特性.基于荧光层的成分组成提出的各种电子转移模型解释了 IP 板表现出的部分特性.本文利用已知活度的90Sr/90Y 电子源对 BAS-SR 和 BAS-TR 两种型号 IP 板的时间衰减特性、能量响应特性以及多次扫描的规律进行研究,利用光激励发光模型阐释这些特性规律,根据递次衰变规律对长时间辐照的时间衰减曲线进行修正.2实验22IP 板特性研究的实验布局见图 1,90Sr/90Y电子源的放射性物质与外壳前表面距离约为 2mm,立体角的活度为 39256Bq(1Bq=1s1),实验中使用了 BAS-SR 和 BAS-TR 两种型号的 IP 板.为了避免使用 Al 膜等挡光介质包裹 IP 板对电子源的能谱和强度的影响,整个实验在暗室中进行.IP板紧贴90Sr/90Y 电子源放置,以确保 立体角内发射的电子几乎全部被 IP 板所接收.IP 板后 1m 内无其他物质,避免了背散射电子的影响.IP 板在辐照后冷却不同时间后,使用 Fly-7000 扫描仪进行扫描读取信息,获取数字化图像.1 cm3 cm3 cmIP板90Sr/90Y图1利用90Sr/90Y放射源标定 IP 板特性参数实验Fig.1.CalibrationexperimentsforIPsbasedona90Sr/90Yradioactivesource.2.1 IP 板的时间衰减曲线刻度IP 板被辐照后冷却不同的时间后,由于自发的电子-空穴对的复合导致 IP 扫描的信号强度随着冷却时间延长而衰减被称为时间衰减.实验中IP 板在辐照结束后到扫描过程中其冷却时间不等,因此非常有必要研究 IP 板在不同冷却时间的信号衰减程度以计算真正测量的数据.f(t)t设 为 IP 板信号的衰减效应时间曲线函数(归一化),表征 IP 板辐照后冷却 时间后剩余信号的百分比.设 Y 为信号的产生率,短时间可认为是常数,由于衰减效应,信号产生的同时伴随着衰减,为了减小衰减曲线对测量信号的计算误差,有必要对测量得到的衰减曲线进行修正.t1)当辐照时间 非常短时,IP 板读取时获得信号表示为(t)=Y tf(t).(1)f(t)通过直接拟合读数信号数据就可以获得 IP 板的衰退效应时间函数 .tl2)当辐照时间不可忽略时,设辐照时间为 t,辐照后冷却时间为 ,此时 IP 板读取的信号变为(,tl)=0Y f(tl t)dt=Y0f(tl t)dt.(2)大量实验结果表明,IP 板的衰减效应函数近似满足双指数函数形式4,9,20,21,即f(t)=A1e(t/B1)+A2e(t/B2),(3)A1A2其中 +=1,将(3)式代入(2)式中,得到:(,tl)=Y A3e(tl/B1)+B3e(tl/B2),(4)其中A3=A1B11e(/B1),B3=A2B21 e(/B2).物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.16(2023)165201165201-2tlf(t)此时通过双曲线拟合读数信号-光激励光(pho-tostimulatedlight,PSL)和冷却时间 的关系,进而求解获得 的 4 个参数 A1,B1,A2,B2.规格为 3cm3cm 的 IP 板被90Sr/90Y 电子源辐照 60s 后冷却 30s24h 等不同时间,保证了辐照时间和冷却时间的误差小于 1.7%,利用扫描仪读取信号并计算 PSL 值.修正后的刻度标定结果见表 1 和图 2:其中 BAS-SR 型的快特征时间常数为 9.3min,BAS-TR 型的快特征时间常数为 11.7min,而二者慢特征时间常数均超过了3700min.其误差来源于计时读数、扫描过程的时间误差和扫描时的统计误差以及置信度设置为95%的拟合误差.2.2 IP 板对电子的绝对灵敏度刻度实验标定了 BAS-SR 和 BAS-TR 两种类型 IP板的响应灵敏度.辐照时间选为 10,20,30,40,50和 60s,冷却时间为 30min(3B1),辐照时间相对于冷却时间来改变入射粒子数,从而获得不同入射粒子数 ne辐照下 IP 板的响应变化.将辐照结束的时间设定为 0 时刻,总信号 PSL 与粒子数之间的关系如图 3 所示,BAS-SR 型的响应灵敏度约为0.033PSL/e(photostimulatedlight,PSL),BAS-TR 型的响应灵敏度约为 0.018PSL/e.BAS-SRBAS-TRSR fittingTR fittingPSL/104e/1050510152025012345678TR:PSL=(0.018+0.0038)eSR:PSL=(0.033+0.0020)e图3BAS-SR 和BAS-TR 型 IP 板的 PSL 与电子数的关系Fig.3.Relationship between PSL and number of electronforBAS-SRandBAS-TR.2.3 IP 板多次扫描实验IP 板上存储的信息经过扫描仪一次扫描后还有大量信息残存在 IP 板上,使用90Sr/90Y 电子源照射 BAS-SR 型 30,60 和 90s,辐照结束后每隔20min 扫描一次,共扫描 10 次.类似地,BAS-TR型 IP 辐照时长为 60,90,120 和 180s,辐照结束后每隔 20min 扫描一次,共扫描 10 次.由于辐照时长不可忽略,依据衰减曲线对其修正,得到了BAS-SR 和 BAS-TR 型 IP 板扫描信号与扫描次数的关系如图 4 和图 5 所示:随着扫描次数的增表1IP 板衰退效应时间函数的参数以及文献中对应参数4,9,20,21Table1.ParametersoffadingtimeeffectforIPsandcorrespondingparameters4,9,20,21.IPA1 B1 /minA2 B2 /minBAS-SR0.559.30.453792.2BAS-TR0.4711.70.533937.2BAS-SR40.2736.00.331338BAS-MS40.1836.00.17288BAS-MS90.2637.60.742604BAS-TR90.4917.90.511482BAS-SR90.4911.90.511390BAS-MS210.1249.00.27335BAS-TR210.3148.00.25295BAS-TR200.3633.00.6420410200400600800 1000 1200 1400 160000.20.40.60.81.01.2BAS-SRBAS-TRSR fittingTR fittingRelative intensityFading time/min()=0.55e(-/9.3)+0.45e(-/3792.2)()=0.47e(-/11.7)+0.53e(-/3937.2)图2BAS-SR 和 BAS-TR 时间衰减曲线Fig.2.FadingtimeeffectcurvesofBAS-SRandBAS-TR.Scanning number01234567891011024681012141618PSL/pixel30 s60 s90 s图4BAS-SR 型 IP 多