CN103713003A - 测试闪烁材料余辉的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测试闪烁材料余辉的装置及方法。该装置包括：暗箱；设于所述暗箱内的激发光源；用于控制所述激发光源以使其按次数曝光的曝光控制单元；在所述暗箱内位于所述激发光源下方且用于载置闪烁材料的台架；在所述台架上设于所述闪烁材料下方以将所述闪烁材料产生的光信号转换为电信号的光电转换器件；与所述光电转换器件相连以将所述电信号转换为电压信号并放大的放大电路；用于采集所述电压信号的信号采集单元；以及用于将采集到的所述电压信号转换为电子数据并显示的控制单元。采用本发明能够有效地对闪烁材料的中～短余辉进行测试。

Description

测试闪烁材料余辉的装置及方法

技术领域

本发明属于闪烁性能测试技术领域，具体地，涉及一种测试闪烁材料块体、粉体、薄膜余辉的装置及方法。

背景技术

近些年，各类单晶闪烁体、陶瓷闪烁体、玻璃闪烁体、薄膜闪烁体、塑料闪烁体等逐渐被制作成各类闪烁屏或辐射探测器，用于核医学成像、安检设备和产品检验等领域中。为了提高图像质量和检测效率，闪烁屏不仅要有足够的亮度、衬度，而且不能存在图像拖尾现象。因此要求闪烁材料不仅具有高的光输出和能量分辨率等，而且还要有尽可能低的余辉。这样，闪烁材料的余辉强度逐渐成为一个评价闪烁性能的重要指标。

所谓余辉，是指激发停止以后，其发光的延续被称为余辉（徐叙瑢《发光学与发光材料》）。通常用激发停止后、规定时间点处的发光强度（V_t）与激发停止前闪烁体发光强度最大值（V_max）的百分比来表示。根据延续时间的长短，又可将余辉分为极长余辉（>1s）、长余辉（100ms～1s）、中余辉（1ms～100ms）、中短余辉（10μs～1ms）、短余辉（1μs～10μs）、极短余辉（<1μs）等。不同的应用场合，对余辉的要求各不相同。对于应用于照明环境的长余辉材料，希望其余辉持续时间能够达到数小时，甚至数天；而对于应用于成像屏的闪烁材料来说，则是希望其余辉越短越低越好，因此利用闪烁材料制作成像屏前后，都需要对其余辉强度进行有效的检测。

目前市场上已经具备测试荧光材料极长余辉性能的装置，但缺乏对中～短余辉进行测试的仪器。中国专利公开CN 1195217C记载了一种荧光余辉测量装置，该装置采用汞灯、氙灯、荧光灯或金属卤化灯等紫外光为激发光源，以机械旋转的圆盘作为曝光控制器，该测量装置只能用于长余辉荧光材料（比如夜光粉、蓄光粉、夜光指示牌等）的余辉的测量，其采用的曝光控制装置是电动光闸，光路上设置了光漫射板和反光镜等。

美国加州大学报道的一种闪烁材料余辉测试装置（Ali Douraghy等，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 569 （2006） 557–562）采用放射性元素所发射的伽马射线为激发源，以光电倍增管（PMT）为光探测器，用于闪烁晶体的余辉测试。但因PMT的敏感探测区域在蓝光附近，而对于波长较长的黄绿光则灵敏度较低，因此其使用范围有很大的局限性。

美国辐射检测设备公司（Radiation Monitoring Devices Inc.）报道的一种闪烁材料余辉测试装置（C.Brecher等， Suppression of afterglow in CsI（Tl） by codoping with Eu²⁺—I: Experimental），只记载了采用的部件，如用光电倍增管（PMT）作为光电转换元件，以脉冲X射线作为激发源，以示波器作为记录仪，但依然没有解决对长波闪烁材料探测灵敏度偏低的问题。

北京公安部第一研究所报道的一种GY-I型晶体余辉测试仪（ 董加彬等，《安检设备中使用的短余辉碘化铯（铊）晶体》），使用连续X射线作为激发光源，曝光控制采用快门关断式，光电二极管作为信号接收器件。该装置虽然探测效率有所提高，但快门关断式的时间记录方式存在比较大的误差。

在中～短余辉测量中，既需要捕捉到样品发光强度的最大值V₀，又需要监测激发停止后、微秒至百毫秒级时间范围内发光强度随时间的变化关系，尤其是，在激发停止一定时间后，样品发光已变得很弱，探测到的微弱信号极易被淹没在背景和噪声中，导致数据波动剧烈。因此怎样对弱信号进行真实有效的探测，成为余辉测试装置设计的关键。因此设计研制精度高、稳定性和可靠性良好的余辉测试装置成为本领域迫切需要解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种测试闪烁材料余辉的装置及方法，能够有效地对闪烁材料的中～短余辉进行测试。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提供一种测试闪烁材料余辉的装置，包括：暗箱；设于所述暗箱内的激发光源；用于控制所述激发光源以使其按次数曝光的曝光控制单元；在所述暗箱内位于所述激发光源下方且用于载置闪烁材料的台架；在所述台架上设于所述闪烁材料下方以将所述闪烁材料产生的光信号转换为电信号的光电转换器件；与所述光电转换器件相连以将所述电信号转换为电压信号并放大的放大电路；用于采集所述电压信号的信号采集单元；以及用于将采集到的所述电压信号转换为电子数据并显示的控制单元。

根据本发明，通过遥控曝光控制单元，让暗箱内的激发光源按次数曝光，闪烁材料受激后发光，产生的光信号被光电转换器件捕获后转化为电信号，经放大电路转换为电压信号并放大后，实时输出至信号采集单元并在控制单元中显示和转化为电子数据，从而实现了对闪烁材料块体、粉体、薄膜的微秒至百毫秒级余辉强度的精确测量。在本发明中，光电转换器件例如可以是硅光电二极管或者光电倍增管。

在本发明中，也可以是，所述放大电路设于所述暗箱的外部。

根据本发明，放大电路设于所述暗箱外部可以便于调节参数。

在本发明中，也可以是，所述光电转换器件与所述放大电路之间通过同轴电缆相连。

根据本发明，同轴电缆可以快速传输信号（小于20纳秒），且信号受到的干扰小。

在本发明中，也可以是，所述光电转换器件为阵列型硅光电二极管。

根据本发明，可以对阵列型闪烁材料每个像素的余辉强度、各像素间的余辉不均匀性进行精确测量。

在本发明中，也可以是，所述放大电路设于所述暗箱内。

根据本发明，放大电路设于所述暗箱内部可以便于与阵列型硅光电二极管的连接。

在本发明中，也可以是，所述阵列型硅光电二极管安装入所述放大电路的连接插孔中。

根据本发明，阵列型硅光电二极管安装入所述放大电路的连接插孔中，可以简化连接并减小阻抗。

在本发明中，也可以是，所述台架为可升降台架。

根据本发明，采用可升降台架可以满足不同尺寸样品的测试需要，也可满足选择不同激发光源的测试需要。

在本发明中，也可以是，所述放大电路与所述信号采集单元之间通过磁屏蔽同轴电缆相连。

根据本发明，同轴电缆可以快速传输信号（小于20纳秒），且信号受到的干扰小。

在本发明中，也可以是，还包括分别设于所述暗箱的外部且用于对所述激发光源和所述放大电路供电的供电单元。

根据本发明，可通过分别设于所述暗箱外部的供电单元对激发光源和放大电路供电，以使激发光源和放大电路运作。

在本发明中，也可以是，所述曝光控制单元设于所述暗箱的外部。

根据本发明，曝光控制单元设于所述暗箱的外部便于测试操作。

在本发明中，也可以是，所述信号采集单元为垂直分辨率大于10位的数字采集卡、或垂直分辨率大于10位的采集模式下的示波器、或万用表。

根据本发明，采用垂直分辨率大于10位的数字采集卡、或垂直分辨率大于10位的采集模式下的示波器、或万用表有利于对信号的更精密采集，降低余辉曲线的波动幅度。

根据本发明的另一方面，提供一种由上述装置执行的测试闪烁材料余辉的方法，包括：将闪烁材料载置于暗箱内的激发光源下方的台架上；控制所述激发光源使其按次数曝光；将所述闪烁材料受激后产生的光信号转换为电信号；将所述电信号转换为电压信号并放大；采集所述电压信号；以及将采集到的所述电压信号转换为电子数据并显示。

根据本发明，通过实时捕获闪烁材料每次受激后发光信号强度随时间的变化关系，从而实现了对闪烁材料块体、粉体、薄膜的微秒至百毫秒级余辉强度的精确测量。

在本发明中，也可以是，所述激发光源是脉冲X射线光源或连续X射线光源，且在距离出光口10cm处，X射线剂量的稳定性在±15%以内。

根据本发明，脉冲X射线光源或连续X射线光源均可有效地进行按次数曝光。优选地，脉冲X射线光源的X射线脉冲宽度小于100ns，有利于避免闪烁材料发光信号和余辉信号的重叠。此外，对于脉冲X射线光源或连续X射线光源，在距离出光口10cm处，X射线的剂量稳定性在±15%以内，有利于测试结果的稳定。

在本发明中，也可以是，将阵列型闪烁材料以闪烁材料的每个像素分别与阵列型硅光电二极管的每个像素对齐的方式放置在阵列型硅光电二极管上。

根据本发明，可以对阵列型闪烁材料每个像素的余辉强度、各像素间的余辉不均匀性进行精确测量。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述及其他目的、特征和优点。

附图说明

图1是示出根据本发明的测试闪烁材料余辉的装置的一实施形态的结构示意图；

图2是示出利用图1所示的装置测试CsI（Tl）晶体块体得到的测试图谱；

图3是示出利用图1所示的装置测试LYSO：Ce晶体块体得到的测试图谱；

图4是示出根据本发明的测试闪烁材料余辉的装置的另一实施形态的结构示意图；

图5是示出利用图4所示的装置测试CsI（Tl）晶体16像素阵列得到的测试图谱。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例进一步描述本发明的测试闪烁材料余辉的装置及方法。应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是示出根据本发明的测试闪烁材料余辉的装置的一实施形态的结构示意图。如图1所示，本发明的测试闪烁材料余辉的装置包括暗箱1。优选地，该暗箱1例如可以是磁屏蔽暗箱，以降低外界磁场对信号的干扰。在该暗箱1内设有激发光源2。该激光光源2例如可如图1所示吊装在暗箱1的顶部。该激发光源2例如可以是脉冲X射线光源或连续X射线光源。优选地，脉冲X射线光源的X射线脉冲宽度小于100ns。对于脉冲X射线光源或连续X射线光源，在距离出光口10cm处，X射线剂量的稳定性应在±15%以内，但本发明不限于此。

如图1所示，该测试闪烁材料余辉的装置还包括用于控制激发光源2以使其按次数曝光的曝光控制单元10。该曝光控制单元10可设于暗箱1的外部。该曝光控制单元10可以是控制脉冲X射线光源的X射线曝光持续和闪断时间的电子曝光控制***，因而具有非常高的计时精度。

此外，在暗箱1内位于激发光源2下方，设有用于载置闪烁材料样品11的台架3。该台架3例如可以是如图1所示，安装在暗箱1的底部的可升降样品台3，可以满足不同尺寸样品的测试需要，也可满足选择例如不同X射线剂量的测试需要。在该样品台3上位于闪烁材料样品11的下方设有将该闪烁材料样品11所产生的光信号转换为电信号的作为光电转换器件的硅光电二极管4。在本发明中，该光电转换器件也可以是光电倍增管等。

本发明的测试闪烁材料余辉的装置还包括与硅光电二极管4相连以将电信号转换为电压信号并进行放大的放大电路5。该放大电路5如图1所示可设于暗箱1的外部。该硅光电二极管4与放大电路5之间例如可通过同轴电缆相连。

并且，本发明的测试闪烁材料余辉的装置还包括用于采集上述电压信号的信号采集单元7以及用于将采集到的电压信号转换为电子数据并显示的控制单元8。上述放大电路5与该信号采集单元7之间例如可通过磁屏蔽同轴电缆相连。且，该信号采集单元7可以为垂直分辨率大于10位的数字采集卡（PXI）、或垂直分辨率大于10位的采集模式下的示波器、或万用表。该控制单元8例如可以是计算机等控制***，且信号采集单元7可作为插件安装在计算机上。

根据本发明，通过在曝光控制单元上设置曝光次数（例如1次），按启动键后，脉冲X射线源会发射一个X射线脉冲，闪烁材料样品11受激后发光，产生的光信号被硅光电二极管4捕获转化为电信号，经放大电路5转换为电压信号并放大后，实时输出至信号采集单元7并在控制单元8中显示和转化为电子数据，并在该控制单元8中以强度——时间的关系二维连续显示，通过读取相关数据，经计算，即可得到某个时间点的余辉强度值。从而可实现对闪烁材料块体、粉体、薄膜的微秒至百毫秒级余辉强度的精确测量。本发明的测试闪烁材料余辉的装置测量精度高、仪器稳定性和可靠性良好。

此外，本发明的测试闪烁材料余辉的装置也可以还包括分别设于暗箱1的外部且用于对激发光源2和放大电路5供电的供电单元9、6。通过供电单元9、6可分别对激发光源2和放大电路5提供低压直流电源，以使激发光源2和放大电路5运作。

以下以实施例1详细说明采用图1所示的本发明的测试闪烁材料余辉的装置的一实施形态进行测试的具体过程。

实施例1：

在使用本发明的测试闪烁材料余辉的装置测试闪烁材料块体、粉体和薄膜余辉时，将硅光电二级管4固定在激发光源2正下方的样品台3上，硅光电二极管4的上端面距离激发光源2的出光口15cm，样品台3和硅光电二极管4的安装应水平稳定，且调节硅光电二极管4中轴线与X射线管出光口中轴线重合。放大电路5置于磁屏蔽暗箱1的外部，暗箱1内应完全避光，无任何杂杂散光干扰。检查各方面连接正确后开机，预热10分钟后，待仪器稳定，在不放样品11条件下，对该装置做零点调节。调节完毕后，把待测块体样品11用反射材料包覆（粉体材料需经过压片；而薄膜材料不用包覆）后，直接放置在硅光电二极管4上，关闭暗箱门。在计算机8上设置合适的测量参数，然后用遥控装置控制曝光控制单元10以使脉冲X射线光源产生一个脉冲X光，样品11受激后发光，光信号被硅光电二极管4捕获为电流信号，经放大电路5转换电压信号并放大后，实时被采集卡7采集和记录。

图2是示出利用图1所示的装置测试CsI（Tl）晶体块体得到的测试图谱、即余辉曲线图。图2中两个样品尺寸均为φ25×25mm，除出光面外，其余面均包覆9层0.175mm厚Teflon。从图2可以看出，在激发停止后15ms～35ms时间范围内，两个样品的发光强度是不同的，其中1号样品发光较强，2号样品发光较弱，通过读取起始零点处的最高值V_max，以及15～35ms时间范围内某个固定点（比如20ms）处的发光强度值V_t，通过算式A=V_t/V_max，计算可得20ms处的余辉强度值。通过与标样对比，可以判断出样品的余辉强度的等级。

图3是示出利用图1所示的装置测试LYSO：Ce晶体块体得到的测试图谱、即余辉曲线图。图3中两个样品尺寸均为17mm×17mm×17mm，除出光面外，其余面均包覆5层0.134mm厚Tyvek。从图3可以看出，LYSO：Ce晶体的余辉比CsI（Tl）晶体的余辉短。在激发停止后0.5ms～3ms时间范围内，两个样品的发光强度是不同的，通过读取起始零点处的最高值V_max，以及0.5～3ms时间范围内某个固定点（比如2ms）处的发光强度值V_t，通过算式A=V_t/V_max，计算可得2ms处的余辉强度值。通过与标样对比，可以判断出样品的余辉强度的等级。

此外，图4是示出根据本发明的测试闪烁材料余辉的装置的另一实施形态的结构示意图。图4所示的装置与图1所示的装置的结构大致相同，其区别在于硅光电二极管4为阵列型硅光电二极管。且放大电路5可设于暗箱1内。由此，该阵列型硅光电二极管4可安装入放大电路的连接插孔中。其余结构与图1的装置类似，在此不再赘述。

通过图4所示的实施形态可以对阵列型闪烁材料每个像素的余辉强度、各像素间的余辉不均匀性进行精确测量。

以下以实施例2详细说明采用图4所示的本发明的测试闪烁材料余辉的装置的另一实施形态进行测试的具体过程。

实施例2：

将阵列型硅光电二极管4安装入放大电路5的连接插孔中，整体置于激发光源2的正下方，该阵列型硅光电二极管4的上端面距离激发光源2的出光口10cm。放大电路5应安装水平稳定，有良好的绝缘和接地措施，确保无静电干扰。应调节该阵列型硅光电二极管4中轴线与X射线管出光口中轴线重合。暗箱1内应完全避光，无任何杂杂散光干扰。检查各方面连接正确后开机，预热10分钟后，在不放样品条件下，对装置做偏移调节。调节完毕后，把制作好的闪烁材料阵列样品11放置在该阵列型硅光电二极管4上，确保闪烁体的每个像素分别与该阵列型硅光电二极管4的每个像素对齐，关闭暗箱门。在计算机8上设置合适的测量参数，用遥控装置控制曝光控制单元10以使脉冲X射线光源产生一个脉冲X光，样品11受激后发光，信号被该阵列型硅光电二极管4捕获，经放大电路5放大后，实时记录在软件中。

图5是示出利用图4所示的装置测试CsI（Tl）晶体16像素阵列得到的测试图谱、即余辉曲线图。图5中显示在激发停止后，16个像素同时间歇性显示的结果，通过调节振荡器频率，每组信号之间的时间间隔是360μs。从图5中显示的第4组或者第5组数据，我们可以得到每个像素的余辉强度值，并判断出该阵列中每个像素间的余辉强度不均匀性。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围、或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (15)

1.一种测试闪烁材料余辉的装置，其特征在于，包括：

暗箱；

设于所述暗箱内的激发光源；

用于控制所述激发光源以使其按次数曝光的曝光控制单元；

在所述暗箱内位于所述激发光源下方且用于载置闪烁材料的台架；

在所述台架上设于所述闪烁材料下方以将所述闪烁材料产生的光信号转换为电信号的光电转换器件；

与所述光电转换器件相连以将所述电信号转换为电压信号并放大的放大电路；

用于采集所述电压信号的信号采集单元； 以及

用于将采集到的所述电压信号转换为电子数据并显示的控制单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电转换器件为硅光电二极管或者光电倍增管。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述放大电路设于所述暗箱的外部。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光电转换器件与所述放大电路之间通过同轴电缆相连。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电转换器件为阵列型硅光电二极管。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述放大电路设于所述暗箱内。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述阵列型硅光电二极管安装入所述放大电路的连接插孔中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述台架为可升降台架。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述放大电路与所述信号采集单元之间通过磁屏蔽同轴电缆相连。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，还包括分别设于所述暗箱的外部且用于对所述激发光源和所述放大电路供电的供电单元。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述曝光控制单元设于所述暗箱的外部。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述信号采集单元为垂直分辨率大于10位的数字采集卡、或垂直分辨率大于10位的采集模式下的示波器、或万用表。

13.一种由上述权利要求1至12中任一项所述的装置执行的测试闪烁材料余辉的方法，其特征在于，包括：

将闪烁材料载置于暗箱内的激发光源下方的台架上；

控制所述激发光源使其按次数曝光；

将所述闪烁材料受激后产生的光信号转换为电信号；

将所述电信号转换为电压信号并放大；

采集所述电压信号；以及

将采集到的所述电压信号转换为电子数据并显示。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述激发光源是脉冲X射线光源或连续X射线光源，且在距离出光口10cm处，X射线剂量的稳定性在±15%以内。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将阵列型闪烁材料以闪烁材料的每个像素分别与阵列型硅光电二极管的每个像素对齐的方式放置在阵列型硅光电二极管上。

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