热点应用丨X射线激发的时间分辨光谱解析闪烁体能量转移过程

背景介绍

液体闪烁体探测器被广泛用于中微子和天体粒子检测实验。linear alkylbenzene (直链烷基苯 (LAB))这种液体闪烁体被广泛应用于大规模检测测试中。LAB 是一种极具发展潜力的闪烁体，因为它成本低、闪点高、毒性低，使其比之前常用的有毒和易燃有机闪烁体更易处理。LAB 通常与2，5-二苯基氧恶唑（2,5-diphenyloxazole，PPO） 一起使用，可提高发光效率并将发射光谱延长至到更长的波长。LAB/PPO闪烁体探测系统已用于Daya-Bay1和 RENO2中微子检测实验，也是即将推出的 SNO+3和JUNO4探测器的首 选闪烁体。

图 1：LAB/PPO 闪烁过程的示意图

图 1 LAB/PPO闪烁过程的示意图。电离辐射（例如γ射线）穿过 LAB 溶剂并将 LAB 分子激发到高能态。LAB中的多余能量以非辐射方式转移 (FRET) 到附近的 PPO 分子，促进其进入激发态。PPO去激发回到其基态从而可以检测到的紫色/蓝色发光。

由于能量通过 FRET 在 LAB 和 PPO 之间转移，发光行为将取决于 PPO 分子的数量及其与激发的 LAB 分子的距离。较高浓度的 PPO 降低了激发态 LAB 和 PPO 分子之间的平均间距，增加了发光产率，并降低了平均发光寿命。许多检测实验利用时间分辨技术来分析闪烁过程，以区分不同的放射性粒子。

了解闪烁体系统的发光衰减行为对于此类分析至关重要。在此使用爱丁堡FLS1000光致发光光谱仪的时间分辨X射线激发发光光谱研究PPO浓度对LAB/PPO系统发光衰减曲线的影响。

实验设计

PPO (Sigma Aldrich) 以1 g/L至20 g/L的一系列浓度溶解在 LAB (Cepsa Canada) 中，并用移液管移入石英比色皿中。使用爱丁堡仪器 FLS1000 光致发光光谱仪与 XS1 X射线样品室耦合来测量 LAB/PPO 溶液的 X 射线激发发光光谱和衰减光谱（图2）。

XS1 X射线样品室配置有X射线屏蔽外壳，可配备多个 X 射线源，用于研究新型闪烁体材料。为了获得 LAB/PPO 的 X 射线激发发光光谱，XS1配备了60 kV CW X射线源。对于发光衰减测量，LAB/PPO 由 40 kV 脉冲 X 射线源激发，该源使用爱丁堡仪器 HPL-450 脉冲激光器进行光泵浦。来自闪烁体的 X 射线激发发光由液体光导系统收集，液体光导将光信号传至 FLS1000。FLS1000 配备了PMT-900检测器和时间相关单光子计数 (TCSPC) 电子设备。

图 2：FLS1000和XS1 X射线激发发光光谱耦合示意图

结果与讨论

LAB/PPO 的 X 射线激发发光光谱首先使用 CW X 射线源获得，如图 3 所示。发光峰值位于 365 nm，完全来自 PPO 组分，没有直接来自 LAB 的发光。

图 3：LAB/PPO (8 g/L) 的 X 射线激发发光光谱

接下来，研究了 PPO 浓度对 LAB/PPO 发光衰减曲线的影响。使用 40 kV 脉冲 X 射线源激发具有不同浓度 PPO 的八种 LAB/PPO 溶液，并使用 TCSPC 技术测试其衰减曲线（图 4）。衰减的曲线，包括一个瞬态激发部分，然后是一个长拖尾。瞬发组分是由于 PPO 从其单线激发态到单线基态的辐射去激发过程，这是一个快速的跃迁过程。相比之下，被激发到三线态的分子不能直接去激发到基态，而是通过其他的去激发途径进行，例如三线态-三线态湮灭，从图上显示的就是发光衰减的长拖尾。

图 4：使用 TCSPC技术获得的不同 PPO 浓度下 LAB/PPO 的 X 射线激发发光衰减谱图

为了获得时间衰减组分，使用爱丁堡仪器 FAST 寿命分析软件的解卷积拟合（图4中的实线）。每个衰变组分的寿命和强度分数在表1中给出。最快的衰变组分 (τ1) 对应于 PPO 的辐射单线态去激发，并且是对体系的总发光为主要贡献，其在72%至 96 % 之间。

表 1脉冲 X 射线激发后 LAB 中不同 PPO 浓度的衰变时间 (τi) 和衰变组分分数 (f i )

图 5 显示了τ1随 PPO 浓度的变化过程。由于 PPO 分子的激发是通过来自激发的 LAB 分子的非辐射能量转移进行的，因此τ1取决于能量转移速率。随着 PPO 浓度的增加，激发态 LAB 分子和相邻 PPO 分子之间的平均间距减小，这会增加能量转移速率，导致τ1随浓度降低，如图 5 所示。在最 高 PPO 浓度下，能量转移为不再是限速因素，τ1接近 LAB 中 PPO 的固有辐射寿命，小于2 ns。6

图 5：LAB/PPO中τ1随 PPO 浓度的变化图谱

结 论

使用爱丁堡仪器 FLS1000 和 XS1 X射线样品室附件研究了 LAB/PPO 在不同 PPO 浓度下的 X 射线激发发光衰减特性。随着PPO的浓度从1g/L增加到 20 g/L，主要衰变组分的寿命从 7.1ns减少到 1.7 ns。XS1 X射线样品室附件将 FLS1000  PL光谱仪的功能扩展到 X射线领域，为开发新型闪烁体材料创造了强大的表征工具。

致谢

感谢Brookhaven国家实验室的Sasmit Gokhale博士提供的LAB和PPO样品。

参考文献

1. F. An et al., The Daya Bay Collaboration, Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay, Phys. Rev. Lett. 108 171803 (2012)

2. J. Ahn et al., The RENO Collaboration, Observation of Reactor Electron Antineutrinos Disappearance in the RENO Experiment, Phys. Rev. Lett. 108 191802 (2012

3. S. Andringa et al., The SNO+ Collaboration, Current Status and Future Prospects of the SNO+ Experiment, Adv. High Energy Phys. 2016 6194250 (2016)

4. F. An et al., The JUNO Collaboration, Neutrino Physics with JUNO, J. Phys. G 43 030401 (2016)

5. H. M. O’Keffe et al. Scintillation Decay Time and Pulse Shape Discrimination in Oxygenated and Deoxygenated Solutions of Linear Alkylbenzene for the SNO+ Experiment, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 640 119-122 (2011)

6. T. M. Undagoitia et al., Fluorescence Decay-time Constants in Organic Liquid Scintillators, Rev. Sci. Instr. 80 043301 (2009)