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书书书 第２０卷第１２期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１２ ２００８年１２月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＤｅｃ．，２００８ 文章编号： １００１４３２２（２００８）１２２０８８０３犣狀犗：犌犪晶体对硬犡射线的时间及能量响应马彦良１， 欧阳晓平１， 陈 亮１， 张忠兵１， 张景文２，全 林１， 罗剑辉１， 周海生１， 郭耀军１（１．西北核技术研究所，西安７１００２４； ２．西安交通大学电子与信息工程学院，西安７１００４９） 摘 要： 介绍了ＺｎＯ：Ｇａ晶体对重复频率快脉冲硬Ｘ射线的时间响应，利用Ｘ射线荧光分析仪测量了ＺｎＯ：Ｇａ晶体对１０～１００ｋｅＶ硬Ｘ射线的能量响应。结果表明：ＺｎＯ：Ｇａ晶体对硬Ｘ射线响应的上升时间为３１６ｐｓ，半高宽为４４０ｐｓ；对４０ｋｅＶ以上的Ｘ射线的能量响应很平坦。该晶体可以作为一种新颖的硬Ｘ射线探测元件。 关键词： ＺｎＯ：Ｇａ晶体； 无机晶体； 硬Ｘ射线； 时间响应； 能量响应 中图分类号： ＴＬ８１６＋．１； Ｏ７３９ 文献标志码： Ａ Ｔｉｒｓｅｌｌ等人［１］利用波长为１．０６μｍ，周期为１５０ｐｓ，能量为１Ｊ的激光聚焦到Ｆｅ靶上激发产生低能脉冲Ｘ射线，Ｘ射线与ＺｎＯ：Ｇａ晶体作用产生的荧光由条纹相机记录，对数据反褶积后得到ＺｎＯ：Ｇａ晶体的上升时间为（１００±２５）ｐｓ，半宽为（２５０±２５）ｐｓ。另外，Ｄｅｒｅｎｚｏ等人［２］对ＺｎＯ：Ｇａ晶体闪烁衰减时间特性进行了研究，发现在０．６ｎｓ的时间内发光产额达到了９７．５％，沉积单位能量光子的发光强度是ＮａＩ：Ｔｌ的２／５。由此可见，ＺｎＯ：Ｇａ晶体作为一种新型的无机闪烁体，显著的特点是同时具备非常快的时间响应和较高的光输出，在超快脉冲辐射测量方面应当具有非常广阔的应用前景。西安交通大学利用磁控溅射的方法研制出了直径为５０ｎｍ，厚度为５０μｍ的ＺｎＯ：Ｇａ晶体；溅射靶材选用掺Ｇａ（摩尔分数为０．０１％）的ＺｎＯ：Ｇａ靶，靶材纯度为５Ｎ；生长基底选用Ａｌ２Ｏ３（００１）面晶体，还要在氧气中作退火处理以提高其光学性能。 西北核技术研究所通过二极管产生脉冲电子束打Ｔａ靶的方法最新研制出了重复频率快脉冲硬Ｘ射线源［３４］。硬Ｘ射线能谱测量在辐射源性能诊断、辐射效应实验和等离子体硬Ｘ射线辐射诊断上具有重要的意义［５］。我们测量了ＺｎＯ：Ｇａ晶体对脉冲硬Ｘ射线源的时间响应特性，并利用Ｘ射线荧光分析仪对ＺｎＯ：Ｇａ晶体的硬Ｘ射线能量响应进行了测量，并对能量响应波形进行了分析。１ 测量方法及系统 ＺｎＯ：Ｇａ晶体对脉冲硬Ｘ射线的时间响应测量系统如图１（ａ）所示，能量响应实验系统如图１（ｂ）所示。图１（ａ）中门选通型微通道板光电倍增管提供触发信号，并监测源强的变化。Ｘ射线入射到ＺｎＯ：Ｇａ晶体上时，射Ｆｉｇ．１ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎｔｉｍｅｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｅｎｅｒｇｙｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆＺｎＯ：ＧａｃｒｙｓｔａｌｔｏｐｕｌｓｅｄｈａｒｄＸｒａｙ图１ ＺｎＯ：Ｇａ晶体对脉冲硬Ｘ射线的时间响应和能量响应实验系统示意图收稿日期：２００８０７３０； 修订日期：２００８０９１７作者简介：马彦良（１９７５—），男，博士研究生，副研究员，从事脉冲辐射探测技术研究；ｍａｙａｎｌｉａｎｇ＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ。书书书线产生的电子在闪烁体中沉积能量转化为闪烁光，闪烁光入射到光电倍增管的光阴极上产生光电子，在高压电源给光电倍增管提供的工作电压下，光电子被阳极收集形成电流信号，电流信号通过数字示波器（带宽为４ＧＨｚ）记录。散射及本底干扰是通过在光电倍增管前挡黑纸测得。电缆的长度为６ｍ。 图１（ｂ）中ＥＭＩ９８１３光电倍增管的输出信号由Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６５１７Ａ型小电流计记录，并通过ＩＥＥＥ４８８卡输入计算机作统计测量。高压由ＰＳ３５０提供。Ｘ射线荧光分析仪是荷兰Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生产的高稳定度Ｘ射线分析设备，输出的Ｘ射线能量为１０～１００ｋｅＶ。由于存在低能和高能散射，测量的难度很大。实际标定时，采用了多吸收片组合的方法来提高辐射源的单色性和减小低能散射，对辐射源强度监测探头灵敏度也进行了理论修Ｆｉｇ．２ Ｔｉｍｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅ“ＺｎＯ：Ｇａ＋ＰＭＴ”ｓｙｓｔｅｍｔｏｐｕｌｓｅｄｈａｒｄＸｒａｙ图２ “ＺｎＯ：Ｇａ晶体＋光电倍增管”对脉冲硬Ｘ射线的时间响应波形正，对Ｘ射线源的Ｋ荧光进行了等效计算，对环境散射进行了监测和扣除。２ 犣狀犗：犌犪晶体对脉冲硬犡射线时间响应 图２所示的是ＺｎＯ：Ｇａ晶体和光电倍增管构成的探测单元对脉冲硬Ｘ射线时间响应波形。波形１记录的是门选通型微通道板光电倍增管的触发信号；波形２是光电倍增管记录到的ＺｎＯ：Ｇａ晶体的荧光信号。波形２表示的是整个测量系统对脉冲硬Ｘ射线的时间响应狋ｓｙｓ，其中包括Ｘ射线源、ＺｎＯ：Ｇａ晶体、光电倍增管、传输电缆和示波器。波形１和波形２的峰值到达的时间差约２．３２ｎｓ，且具有重复性。这个时间差来自于两种光电倍增管的渡越时间的差别和信号电缆长度的不同。值得说明的是对于波形１，其脉冲电压波形达到了１Ｖ，输出电流达到２００ｍＡ，不过仍工作在光电倍增管的线性电流范围内（＞５００ｍＡ）。 光电倍增管前挡一黑纸后，由ＺｎＯ：Ｇａ晶体产生的闪烁光进入不到光电倍增管中，这样测量得到的是光电倍增管对散射Ｘ射线的时间响应狋ｓｃ。通过简单的平方关系，我们得到了ＺｎＯ：Ｇａ晶体的时间响应的半高宽为狋ＦＷＨＭ，ＺｎＯ：Ｇａ＝（狋２ＦＷＨＭ，ｓｙｓ－狋２ＦＥＨＭ，ｓｃ）１／２＝４４０．２３ｐｓ（１） ＺｎＯ：Ｇａ晶体的时间响应的上升时间为狋ｒ，ＺｎＯ：Ｇａ＝（狋２ｒ，ｓｙｓ－狋２ｒ，ｓｃ）１／２＝３１５．７９ｐｓ（２）３ 犣狀犗：犌犪晶体对硬犡射线的能量响应 为了测量ＺｎＯ：Ｇａ晶体对１０～１００ｋｅＶ硬Ｘ射线的能量响应，我们分别选取Ｚｒ，Ｓｎ，Ｎｄ，Ｄ，Ｔａ，Ａｕ和Ｐｂ作为靶材。图３显示的是测量得到的Ａｕ特征Ｘ射线能谱。根据４个峰值的相对强度，可以计算得出Ａｕ的特征Ｘ射线的平均能量为７０．７８ｋｅＶ。同理我们可以计算得到Ｚｒ，Ｓｎ，Ｎｄ，Ｄｙ，Ｔａ和Ｐｂ对应的平均能量分别为１６．４１，２６．８３，３９．８５，４７．９５，６０．００ｋｅＶ和７６．７０ｋｅＶ。由文献［６］可知不同能量的光子对应的注量和照射量犇之间的转换因子，通过插值计算，进而把监测的照射量转换成光子的注量，那么单位面积、单位时间、单位能量的输出电流值用犛Ｘ表示，实验结果如图４所示。 Ｆｉｇ．３ ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＸｒａｙｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆＡｕ 图３ Ａｕ的特征Ｘ射线能谱 Ｆｉｇ．４ ＥｎｅｒｇｙｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆＺｎＯ：ＧａｃｒｙｓｔａｌｔｏｈａｒｄＸｒａｙ 图４ ＺｎＯ：Ｇａ晶体对硬Ｘ射线的能量响应曲线９８０２第１２期马彦良等：ＺｎＯ：Ｇａ晶体对硬Ｘ射线的时间及能量响应 图４中光滑线为拟合曲线，可知ＺｎＯ：Ｇａ无机晶体对４０ｋｅＶ以上的Ｘ射线的能量响应很平坦，Ｘ射线的能量越大，相对光输出越小。图４也可理解为ＺｎＯ：Ｇａ晶体和光电倍增管构成的探测系统的探测效率与能量的关系。４ 结 论 我们测量得到ＺｎＯ：Ｇａ晶体对脉冲硬Ｘ射线时间响应半高宽为４４０ｐｓ，上升时间为３１５ｐｓ。实验结果虽然与文献［１］中报道的有一定差距，但是已经比常见晶体的性能要优异很多。这种差距一方面是来自于光电转换器件，１００ｐｓ级ＧＤＢ６１５型光电倍增管当然要比ｐｓ级条纹相机带来更大的测量不确定度；另一方面值得指出的是ＺｎＯ：Ｇａ晶体的发光性能与其生长方法、条件，掺杂浓度等有着必然的联系。另外，ＺｎＯ：Ｇａ晶体对４０ｋｅＶ以上的Ｘ射线的能量响应很平坦，是一种新颖的硬Ｘ射线能谱测量材料。参考文献：［１］ ＴｉｒｓｅｌｌＫＧ，ＴｒｉｐｐＧＲ，ＬｅｎｔＥＭ，ｅｔａｌ．ＳｕｂｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｐｌａｓｔｉｃｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｔｉｍｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｔｕｄｉｅｓｕｓｉｎｇｌａｓｅｒｐｒｏｄｕｃｅｄＸｒａｙｐｕｌｓｅｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．犐犈犈犈犜狉犪狀狊狅狀犖狌犮犾犲犪狉犛犮犻犲狀犮犲，１９７７，２４（１）：２５０２５４．［２］ ＤｅｒｅｎｚｏＳＥ，ＭｏｓｅｓＷＷ，ＣａｈｏｏｎＪＬ，ｅｔａｌ．Ｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒａｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ，ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｓｅａｒｃｈｆｏｒｆａｓｔ，ｈｅａｖｙｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＭａｔｅｒｉａｌＲｅｓｅａｒｃｈＳｏｃｉｅｔｙ：ＳｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒａｎｄＰｈｏｓｐｈｏｒＭａｔｅｒｉａｌｓ．１９９４，３４８：３９４９．［３］ ＳｈｐａｋＶＧ，ＳｈｕｎａｉｌｏｖＳＡ，ＵｌｍａｓｋｕｌｏｖＭＲ．ｅｔａｌ．ＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｂｒｏａｄｍａｇｎｅｔｉｃｐｕｌｓｅｗｉｔｈＰＲＦｏｆ１００ｐｓ［Ｃ］／／Ｔｈｅ１０ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｕｌｓｅｄＰｏｗｅｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１９９５：６６６６７１．［４］ 樊亚军．高功率亚纳秒电磁脉冲产生［Ｄ］．西安：西安交通大学，２００５．（ＦａｎＹＪ．Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｓｕｂｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍｐｕｌｓｅ．Ｘｉ＇ａｎ：Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００５）［５］ 项志遴，俞昌旋．高温等离子体诊断技术［Ｍ］．上海：上海科学技术出版社，１９８２．（ＸｉａｎｇＺＬ，ＹｕＣＸ．Ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｌａｓｍａｄｉａｇｎｏｓｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｓｈａｎｇｈａｉ：ＳｈａｎｇｈａｉＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｅｓｓ，１９８２）［６］ 韩奎初，丁声耀．实用电离辐射计量学［Ｍ］．北京：原子能出版社，１９９６：２５３．（ＨａｎＫＣ，ＤｉｎｇＳＹ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｒａｄｉａｔｉｏｎｍｅｔｒｏｌｏｇｙ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙＰｒｅｓｓ，１９９６：２５３）犜犻犿犲犪狀犱犲狀犲狉犵狔狉犲狊狆狅狀狊犲狅犳犣狀犗：犌犪犮狉狔狊狋犪犾狋狅犺犪狉犱犡狉犪狔ＭＡＹａｎｌｉａｎｇ１， ＯＵＹＡＮＧＸｉａｏｐｉｎｇ１， ＣＨＥＮＬｉａｎｇ１， ＺＨＡＮＧＺｈｏｎｇｂｉｎｇ１，ＺＨＡＮＧＪｉｎｇｗｅｎ２， ＱＵＡＮＬｉｎ１， ＬＵＯＪｉａｎｈｕｉ１， ＺＨＯＵＨａｉｓｈｅｎｇ， ＧＵＯＹａｏｊｕｎ１（１．犖狅狉狋犺狑犲狊狋犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犖狌犮犾犲犪狉犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犡犻’犪狀７１００２４，犆犺犻狀犪；２．犆狅犾犾犲犵犲狅犳犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮犪狀犱犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犡犻’犪狀犑犻犪狅狋狅狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犡犻’犪狀７１００４９，犆犺犻狀犪） 犃犫狊狋狉犪犮狋： ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｔｉｍｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆａｎｅｗｔｙｐｅＺｎＯ：ＧａｃｒｙｓｔａｌｔｏａｆａｓｔｒｅｐｒａｔｅｐｕｌｓｅｈａｒｄＸｒａｙ．ＴｈｅｈａｒｄＸｒａｙｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｕｍ（ｆｒｏｍ１０ｋｅＶｔｏ１００ｋｅＶ）ｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＸｒａｙｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓａｐｐａｒａｔｕｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｉｓｅｔｉｍｅｉｓ３１６ｐｓ，ｔｈｅＦＷＨＭｉｓ４４０ｐｓ，ａｎｄｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｈａｒｄＸｒａｙｉｓｆｌａｔｗｈｅｎｔｈｅＸｒａｙｅｎｅｒｇｙｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ４０ｋｅＶ．ＴｈｅＺｎＯ：ＧａｃｒｙｓｔａｌｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄａｓａｃｏｍｐｏｎｅｎｔｆｏｒｈａｒｄＸｒａｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎ． 犓犲狔狑狅狉犱狊： ＺｎＯ：Ｇａｃｒｙｓｔａｌ； ｉｎｏｒｇａｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ； ｈａｒｄＸｒａｙ； ｔｉｍｅｒｅｓｐｏｎｓｅ； ｅｎｅｒｇｙｒｅｓｐｏｎｓｅ０９０２强激光与