【新方法】基于条纹相机和脉冲X射线管的闪烁体表征

什么是闪烁体？

闪烁体是一类吸收高能粒子或射线后能够发光的材料，可用于辐射探测和安全防护。在医学上，闪烁体是核医学影像设备的核心部件，通过它医生可以快速诊断出人体各器官的病变、肿瘤组织的大小和位置，可以帮助病人及早发现疾病并及时预防和治疗。在行李安检、集装箱检查、大型工业设备无损探伤、石油测井、放射性探测、环境监测等领域都发挥着不可替代的作用。

闪烁体的表征参数有什么？

闪烁体的表征参数很多：光输出、能量转移效率、发射光谱、吸收光谱、衰减时间等。其中衰减时间的表征方式可以有几种方式：

· 直接示波法：适用于测量闪烁衰减时间大于10ns的闪烁体

· 平均波形取样示波法：适用于测量闪烁衰减时间为ns级且输出光脉冲幅度的动态范围小于100的闪烁体

· 单光子法：适用于测量闪烁衰减时间为ns级的闪烁体，其输出光脉冲幅度的动态范围可以大于100

基本上基于时间相关单光子计数（TCSPC）的方法是最经典的。

闪烁体表征测量新方法

随着现在生活以及科研对闪烁体的需求越来越多，柔性可弯曲的闪烁体、超短衰减时间的闪烁体等多种研究方向变得越来越火热。其中快速检测是闪烁体的一个主要研究方向，应用于该类型的闪烁体要求具有超短衰减时间的特性，百皮秒量级的测量分辨需求开始越来越多，同时越来越多的科学家需要得到随衰减时间变化的光谱信息，这一点是TCSPC法无法做到的。
于是，一套“冷门”“高贵”但是又非常有效的方法成为了测量闪烁体衰减时间的里程碑式的方法：基于条纹相机以及脉冲X射线管的X射线激发光（XEOL）测试系统。

▲图1

整套系统由皮秒激光器激发脉冲X射线管，脉冲X射线管发出百皮秒量级的脉冲X射线打到样品上，样品的光再通过光谱仪分光进入条纹相机，由条纹相机采集得到图像数据。实物系统如图2所示：

▲图2

此系统最大的特点是基于条纹相机的原理，可以测量时间分辨光谱以及样品的衰减时间曲线。除此以外，此系统可以测量多种类型的样品，无论是粉末、液体、晶体、薄膜等形式，均可以测量，并且所有测量均在环境空气条件和室温下进行。以下是两位客户的案例分享。

客户案例一

纯罗丹明6G溶解在MeOH溶液中至 106 M的浓度，并在脉冲激光激发下在石英比色皿中测量（重复频率 10 MHz；λ= 440 nm）。

▲罗丹明6G的条纹相机结果以及光谱和衰减指数拟合

客户案例二

碘化铯在10吨的压力下被压成颗粒。在脉冲X射线激发（40 kV和1.2 µA）下测量颗粒。

 ▲纯碘化铯条纹相机结果以及光谱和衰减指数拟合

具体的样品结果如下表所示，碘化铯的最大发射波长为310nm（表1），为了确定衰减时间，进行了双指数拟合，两个衰减时间分量为τ0=1.67ns和τ1=10.21ns (χ²=1.0880)。最大发射波长为450nm（表1），衰减时间确定为τ0=2.36ns（单指数拟合，χ²=1.1471）。罗丹明6G的最大发射波长为560nm（表1），衰减时间为4.42ns（单指数拟合，χ²=1.0427）。

▲表1 参考文献中的样品测试结果

这套X射线激发光（XEOL）测试系统所有的核心产品均是来自滨松自家的产品，下面就让我们看看这套系统中都用了哪些滨松的产品：

X射线管的激发光源：PLP-10皮秒激光器

产品特点：

· 皮秒激光器脉宽仅70ps，非常适合用于探测器/闪烁体时间特性检测以及TCSPC系统中；

· 只需要拥有一个控制器，便可以控制多达13个波长激光头；

· 重频可调范围从2Hz到100MHz，总共拥有24个可选档位，满足绝大部份客户对脉冲频率的需求；

· 峰值功率高达百毫瓦，足以激发各类样品；

· 稳定的输出强度以及晶振时序可以让测量结果更加准确。

X射线管主体：N5084无源X射线管

滨松的无源X射线管N5084由光阴极面、电子透镜、靶面以及Be窗组成，输入的脉冲激发光入射至光阴极面产生电子束，电子束经过聚焦入射至靶面上，形成脉冲X射线。N5084的X射线脉宽小于100ps，通过控制输入的脉冲光，可以调整输出的X射线，非常适用于闪烁体瞬态特性的测试。

 ▲PLP-10和N5084配合的结构图

条纹相机 C10910

滨松以其优异的参数、全面的功能以及稳定的性能占据条纹相机的主要市场。其中通用型条纹相机C10910是滨松销售最多的明星产品，其优异的时间分辨率性能（<1ps）以及不同的扫描模块，可以满足超快时间分辨的绝大部分应用。

产品特点：

· 5种光阴极面材料，覆盖从115nm至1600nm，涵盖了大部分荧光材料的发射波段范围；

· 三个扫描模块：同步扫描、快速扫描、慢速扫描，支持1ps-1ms的荧光寿命测试范围；

· 时序控制模块均为0抖动，可以最真实还原激光器信号以及荧光信号；

· 软件自动采集，操作简单，容易上手，配有专业的荧光寿命拟合功能，可进行多种组分分析。

参考文献：

[1] S. Keszthelyilandori, I.Foldvari, R. Voszka, Z. Fodor, Z. Seres, Nucl. Instr. Meth. A 1991, 303, 374.[2] B.C. Grabmaier, IEEE Trans.Nucl. Sci. 1984, 31, 372.

[3] H. Odaka, T. Miura, K.Hatanaka, S. Wiebel, H. Fukumura, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 11969.

[4] W.J. O'Hagan, M. McKenna,D.C. Sherrington, O.J. Rolinski, D.J.S. Birch, Meas. Sci. Technol. 2002, 13,84.