一种评估钨酸铅晶体的抗辐照性能的检测方法

摘要

本发明涉及一种评估钨酸铅晶体的抗辐照性能的检测方法，本发明利用PWO晶体在特定γ射线辐照剂量下与紫外线辐照下的辐照诱导吸收系数之间的线性关系，通过紫外线辐照晶体结果直接估算该晶体在γ射线辐照后的辐照诱导系数，从而对PWO晶体的抗γ射线辐照性能进行快速评估。本发明提供的方法采用简便、安全的紫外线辐照来模拟γ射线辐照效果，大大简化了PWO晶体抗辐照性能的检测过程。

说明书

所属领域

本发明涉及一种评估钨酸铅晶体的抗辐照性能的检测方法，属于高能物理 领域。

技术背景

无机闪烁晶体因能够有效地把高能辐射转换为光能而被用作高能粒子探测 材料。近年来，随着核物理和高能物理的迅速发展，对高性能无机闪烁晶体材 料的需求非常迫切，需要量愈来愈大。尤其当前国际上多个高能物理对撞机工 程的陆续兴建；核医学医疗设备的大规模兴起，如正电子发射成像技术(PET) 等在医学领域的应用。采用新型快速闪烁晶体代替传统闪烁晶体将会大大提高 探测效率和分辨率，因而研制高性能闪烁晶体材料是一项具有重大现实意义的 研究工作。

近年来对钨酸铅晶体材料(PbWO₄，PWO)进行了大量的开发研究工作。 钨酸铅晶体本身具有密度大(8.28g/cm³)、辐射长度小(0.89cm)、发光衰减 时间短(90％的发光衰减时间小于20ns)和价格低廉等特点，是一种极具应用 潜力的闪烁晶体材料。经过多年研究，该晶体的光输出及抗辐照能力已大为提高， 欧洲核子研究中心(CERN)建造的大型强子对撞机(LHC)晶体电磁量能器 (ECAL)已使用80000余根大尺寸钨酸铅闪烁晶体。

由于LHC是一个高流强的质子—质子对撞机，工作在LHC上的探测元件必 然要经受大剂量的辐照。而PWO晶体经高剂量高能粒子长时间辐照后，其内 部会形成色心造成吸收，将会减少闪烁发光，从而影响量能器的能量响应特性 和工作性能。因而ECAL对PWO晶体的抗辐照性能也提出了很高的要求。由于 PWO晶体的蓝发光位于420nm附近，要提高钨酸铅晶体的光产额就必须使得 晶体在这一发射波长范围内具有高的透过率，因而通常要根据光吸收系数公式 $\mu =\frac{1}{d}\ln \left(\frac{T_O}{T}\right)$(其中T₀和T分别是辐照前后晶体的透过率，d是晶体的长度)，计 算PWO晶体在420nm波长处的辐照诱导吸收系数，作为衡量晶体的抗辐照性 能强弱的指标。

为了检测钨酸铅晶体的抗辐照性能，一般需要对每一根晶体做某一剂量率 的γ射线辐照测试。此辐照测试要求在20-30Gy/h剂量率、1000-1500Gy总 辐照剂量下，其μ_exp(γ₄₂₀)值应该不大于1.60m^-1。该测试通常需要在专业的辐 照环境中进行，且检测过程复杂耗时，成本极高。

发明内容

本发明目的在于一种评估钨酸铅晶体的抗辐照性能的检测方法，以紫外线 为辐照源。首先通过下述方案对γ射线辐照诱导吸收系数μ_exp(γ₄₂₀)与紫外线辐 照诱导吸收系数μ(uv₄₂₀)之间的关系式进行推导。

将钨酸铅晶体送往上海辐照中心进行γ射线辐照，辐照源为Co⁶⁰，辐照计 量率20-30Gy/h，辐照时间40—70h，总辐照剂量1000-1500Gy。辐照后测 试纵向透过光谱，根据光吸收系数公式计算每根晶体的γ射线辐照诱导吸收系 数μ_exp(γ₄₂₀)。

经退火处理后，将钨酸铅晶体纵向垂直于紫外灯管方向进行紫外辐照，晶 体端面距离灯管5～20cm。辐照源为主波长200～500nm，功率范围100— 500W的直管型紫外线高压汞灯，辐照时间10-72h。辐照后测试纵向透过光谱， 根据光吸收系数公式计算每根晶体的紫外线辐照诱导吸收系数μ(uv₄₂₀)。

发明使用的钨酸铅晶体六面抛光，目视透明，无宏观缺陷，尺寸为 30*220*30mm³。将钨酸铅晶体的μ_exp(γ₄₂₀)与对应的μ(uv₄₂₀)作图(如图1所示)， 由图1拟合得到两者之间的线性关系式为μcal(γ₄₂₀)＝A+Bμ(uv₄₂₀)，式中 A＝-1.13±0.21，B＝8.52±0.73。

本发明提出的评估钨酸铅晶体的抗辐照性能的检测方法包括下述步骤：

(1)将晶体纵向垂直于紫外灯管方向进行紫外线辐照，晶体端面距离灯管 5～20cm。辐照源为主波长200～500nm，功率范围100—500W的直管型紫 外线高压汞灯，辐照时间10-72h。辐照后测试纵向透过光谱，根据光吸收系数 公式计算晶体的紫外线辐照诱导吸收系数μ(uv₄₂₀)。

(2)根据关系式μ_cal(γ₄₂₀)＝A+Bμ(uv₄₂₀)，式中A＝-1.13±0.21， B＝8.52±0.73。可计算得到μ_cal(γ₄₂₀)值的大致范围。

附图说明

图1为PWO晶体样品γ射线辐照诱导吸收系数μ(γ₄₂₀)对紫外线辐照诱导 吸收系数μ(uv₄₂₀)的关系图，横坐标为μ(uv₄₂₀)，纵坐标为μexp(γ₄₂₀)。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但非仅限于实施例。

实施例1

将γ射线辐照诱导吸收系数μ_exp(γ₄₂₀)为1.65m^-1(辐照剂量率23.9Gy/h， 辐照时间47.5h)的1#晶体纵向垂直于紫外灯管方向放置在样品盒中，灯管距 离晶体端面约10cm，经主波长365nm，功率300W的直管形紫外线高压汞灯 辐照约22h后，测试其纵向透过光谱，根据光吸收系数公式计算1#晶体的 420nm波长处的紫外线辐照诱导吸收系数μ(uv₄₂₀)为0.30m^-1，分别代入式 μ_cal(γ₄₂₀)＝-1.34+7.79μ(uv₄₂₀)和μ_cal(γ₄₂₀)＝-0.92+9.25μ(uv₄₂₀)，得到μ_cal(γ₄₂₀) 大致范围1.00—1.86m^-1。

实施例2

将γ射线辐照诱导吸收系数μ_exp(γ₄₂₀)为1.49m^-1(辐照剂量率24.5Gy/h， 辐照时间42.5h)的2#晶体经紫外线辐照后(辐照条件同实施例1)，测试其纵向 透过光谱，根据光吸收系数公式计算2#晶体的420nm波长处的紫外线辐照诱 导吸收系数μ(uv₄₂₀)为0.26m^-1。分别代入式μ_cal(γ₄₂₀)＝-1.34+7.79μ(uv₄₂₀)和 μ_cal(γ₄₂₀)＝-0.92+9.25μ(uv₄₂₀)，得到μ_cal(γ₄₂₀)大致范围0.68—1.48m^-1。

实施例3

将γ射线辐照诱导吸收系数μ_exp(γ₄₂₀)为1.10m^-1(辐照剂量率25.2Gy/h， 辐照时间45h)的3#晶体经紫外线辐照后(辐照条件同实施例1)，测试其纵向透 过光谱，根据光吸收系数公式计算3#晶体的420nm波长处的紫外线辐照诱导 吸收系数μ(uv₄₂₀)为0.22m^-1。分别代入式μ_cal(γ₄₂₀)＝-1.34+7.79μ(uv₄₂₀)和 μ_cal(γ₄₂₀)＝-0.92+9.25μ(uv₄₂₀)，得到μ_cal(γ₄₂₀)大致范围0.37—1.11m^-1。

实施例4

将γ射线辐照诱导吸收系数μ_exp(γ₄₂₀)为0.68m^-1(辐照剂量率25.1Gy/h， 辐照时间44.5h)的4#晶体经紫外线辐照后(辐照条件同实施例1)，测试其纵 向透过光谱，根据光吸收系数公式计算4#晶体的420nm波长处的紫外线辐照 诱导吸收系数μ(uv₄₂₀)为0.23m^-1。分别代入式μ_cal(γ₄₂₀)＝-1.34+7.79μ(uv₄₂₀) 和μ_cal(γ₄₂₀)＝-0.92+9.25μ(uv₄₂₀)，得到μ_cal(γ₄₂₀)大致范围0.45—1.20m^-1。

实施例5

将γ射线辐照诱导吸收系数μ_exp(γ₄₂₀)为2.52m^-1(辐照剂量率25Gy/h，辐 照时间58h)的5#晶体经紫外线辐照后(辐照条件同实施例1)，测试其纵向透过 光谱，根据光吸收系数公式计算5#晶体的420nm波长处的紫外线辐照诱导吸 收系数μ(uv₄₂₀)为0.38m^-1。分别代入式μ_cal(γ₄₂₀)＝-1.34+7.79μ(uv₄₂₀)和 μ_cal(γ₄₂₀)＝-0.92+9.25μ(uv₄₂₀)，得到μ_cal(γ₄₂₀)大致范围1.62—2.59m^-1。