γ-n混合輻射場中的強流脈沖γ射線測量是脈沖輻射探測技術研究的重要內容之一.測量中使用的閃爍探測器工作在電流模式，一般使用無機閃爍晶體，以便獲得較高的γ射線探測效率和γ-n分辨能力。但目前常用的無機閃爍晶體的時間響應一般在幾十到幾百ns,不能滿足具有更快時間特征的γ射線測量需要.
20世紀80年代，研究發現BaF2晶體具有0.6ns的快響應成分,該晶體很快在相關研究領域引起高度重視。但BaF2晶體中存在630ns的慢發光成分，大大限制了應用該晶體的探測器性能的提高。為了解決這一問題，國內外陸續發展了幾種BaF2晶體熒光慢成分抑制技術，主要有摻鑭抑制慢成分產額、加載透射濾光膜、使用盲管光電探測器等。這些方法可在一定程度上抑制慢成分的影響，但效果并不理想.
本文基于BaF2晶體兩種熒光成分光譜中心波長和衰減時間的差異，提出一種采用反射濾光方法的濾光器設計，研制了基于該濾光器的快響應γ射線探測器，并通過實驗測量了探測器的響應時間和靈敏度，考核了探測器的綜合性能。
1 BaF2晶體熒光光譜測量與分析
BaF2是一種重要的無機閃爍晶體，具有較高的γ-n分辨本領和很快的發光成分，且抗輻照能力強，因此在混合輻射場快信號測量中具有極高的應用價值。
BaF2晶體的部分特性參數如表1所列?！颈?】
本文以2 000Ci的60Co放射源為γ射線激勵源，建立如圖1所示的光譜測量系統，對BaF2晶體熒光光 譜 特 性 進 行 了 測 量。
γ射 線 平 均 能 量 為1.25MeV,源強穩定。對相對發光光譜測量而言，無需掌握源強度的準確數據。測量時對人員、單色儀電路及光電倍增管進行輻射屏蔽?！緢D1】
在光譜掃描過程中，放射源及晶體發光都具有很高的穩定性，綜合考慮單色儀狹縫、分光光柵和光電倍增管光譜響應等因素，得到BaF2晶體激發光譜如圖2所示?！緢D2】
一般認為，閃爍晶體發光中心所發射的熒光能量以發光中心激發態能級與基態能級之差為中心呈高斯分布形式。因此對BaF2晶體的激發光譜可按多個高斯分布之和的形式進行解譜，從而得到其光譜構成，如圖3所示，圖中實線為經過數據處理后的BaF2晶體光譜，虛線為BaF2晶體發光譜的三個主發光峰擬合譜?！緢D3】
為了便于反映晶體的光譜特征，選取對BaF2晶體光譜進行擬合的函數為高斯函數的變形，即：【1】
式中，λ為波長，nm;λc為峰值波長，nm;w為半高寬，nm;A為譜峰高度相對值；f0為本底基線相對值。對處理后數據有，f0=0.
經以上處理所得BaF2晶體光譜的三個主發光峰波長分別為（198±4）nm,（224±4）nm,（298±4）nm.為了便于研究BaF2晶體各發光成分的相互關系，定義其快慢發光成分的發光強度之比為“快慢比”
R.對光譜進行波長積分可得到相對發光強度，利用單峰分解譜的相對發光強度，可以得到在任意波長范圍λ1~λ2內的晶體發光快慢比R為：【2】
式中，f1、f2為兩個快成分發光光譜；f3為慢成分發光光譜。計算得圖3光譜之快慢比約為0.127.
特別地，對理想的“短波通”型濾光片（其透過率曲線如圖4所示），可以利用式（3）計算其濾光后的晶體發光快慢比：【3】
此函數即表征光譜波長小于λ0部分的快慢比，計算結果如圖5所示。從圖中可以看出，在220nm左右，快慢比達到100左右，而對于實際的波形來說，波長小于220nm的部分慢成分比例已經很小，發光強度和系統噪聲相當，考察更短波長光譜的快慢比已失去意義?！緢D4.圖5】
一般地，對透射率函數為g（λ）的濾光片，BaF2晶體發光快慢比可用下式表示：【4】
利用數值積分方法可以很方便地求出R值，并據此設計濾光系統的通光特性。
2 反射式濾光器的設計及研制
傳統的BaF2晶體光譜調制技術一般采用短波長的紫外濾光膜，該方法的效果并不理想?；诜瓷錇V光方法，即，在對紫外光具有高反射特性的基底表面鍍制濾光膜系，使光在通過濾光膜系被基底表面反射的過程中其光譜得到調制，我們設計了具有多次反射和多個光學通道的濾光器。該技術的主要優點是濾光器對遠紫外光具有較大的反射率，同時可通過多次反射減小截止波長，提高通光快慢比，從而通過相應的反射光路設計，獲得更好的光譜調制性能。
利用氘燈光源和光譜儀對單片反射膜的光譜響應曲線進行了測量，理論計算了經過反射膜2次、3次、4次反射得到的光譜響應曲線，結果如圖6（a）所示。經過4次反射的濾光器樣品光譜反射率曲線如圖6（b）所示。比較圖6（a）與圖6（b）可以看出，二者通光范圍基本一致，但濾光器樣品的實測反射率低于理論值，這是由于光波長越接近真空紫外界限（195nm），空氣對光的吸收越強；同時，加工工藝過程中的不確定因素也對其光學性能產生了一定影響?！緢D6】
綜合考慮實際應用中對光學效率和晶體發光快慢比的要求以及工程可行性，我們設計了4次反射多通道濾光器，如圖7所示。多次反射可以提高快慢比，采用多通道并聯的結構可以減小每一個光學通道的光程，從而提高光的傳遞效率?！緢D7】
對該多通道濾光器實測表明，單片濾光膜的反射率不低于0.8,反射光譜區中心波長在225nm附近，光譜截止區>250nm,在截止區的反射率低于0.02.濾光器的光譜透過率在中心波長附近接近40%,在波長>250nm的光譜區內相對光傳遞效率已經小于1%.參見圖8.圖9為經濾光器調制后的BaF2晶體γ射線激發光譜和BaF2晶體本征光譜的比較，可以看到晶體的慢成分基本被濾掉，而快成分保留了約40%.【圖8.9】
3 基于濾光器和BaF2晶體的γ射線探測器性能測試及研究
3.1探測器研制
為應用BaF2晶體的熒光快成分，發展快響應無機閃爍探測器技術，基于上述濾光器的設計技術，進行了器件系統集成。通過綜合分析濾光器和現有光電器件的性能，采用GD40-ZP型光電管或光電倍增管作為光電轉換器件，與濾光器緊湊集成，配合相應的支撐屏蔽結構，研制了γ射線探測器系統，并對其探測性能進行了研究。探測器結構如圖10所示?！緢D10】
3.2 時間響應
考核探測器系統的時間響應特性是評價濾光器性能與實用性的最直接和最重要的手段。利用宇宙射線對探測系統進行了時間響應實驗，宇宙射線與閃爍體作用可視為近似的δ信號源，合理調整探測系統靈敏度，可利用捕捉的宇宙射線信號評價探測系統的時間響應和濾光器的作用效果。
實驗采用符合法，布局如圖11所示，實驗結果如圖12所示?！緢D11.12】
與圖12（b）相比，圖12（a）中可以在波形后沿看到明顯的慢成分。
利用西北核技術研究所提供的四用輻射儀ps通道和脈沖X光機對帶濾光器的探測系統時間響應特性進行了測試，測試結果如圖13所示。使用PMT的探測系統測量得到的時間響應上升沿約為2ns,半高寬約為4ns;使用光電管的探測系統得到的時間響應上升沿約為0.9ns,半高寬約1.6ns,未見明顯的慢成分影響?！緢D13】
3.3 綜合性能考核實驗
在西北核技術研究所“晨光號”加速器上進行了探測器系統的綜合性能考核實驗，實驗布局如圖14所示。兩只同型號光電管相對放置，BaF2晶體置于中間，其中一支光電管與晶體之間放置濾光器，同時利用ST401閃爍體探測器和光電管組成監測探測器，監測源信號。實驗獲得的結果如圖15所示?！緢D14.15】
圖15（a）為監測探測器的測量波形，該探測器響應時間約為4.5ns,源脈沖時間寬度大于24ns,可以忽略探測器響應對脈沖形狀的影響。圖15（b）為帶濾光器的BaF2探測器測量波形，與圖15（a）中測量波形形狀基本一致，而圖15（c）為不帶濾光器的BaF2探測器測量波形，后沿可見明顯的慢成分波形，說明濾光器有效濾除了BaF2晶體的慢響應熒光成分。以圖15（a）波形為輸入信號，模擬計算了BaF2晶體的時間特性及濾光器的性能。計算模型中，晶體快 慢 成 分 的 衰 減 時 間 常 數 分 別 取0.6ns和630ns,快慢比分別取0.05和40.得到結果如圖16所示，其中，圖16（a）為BaF2晶體快慢兩種成分對輸入信號的響應波形及其合成結果，與圖15（c）符合良好；圖16（b）為帶濾光器系統對輸入信號的響應結果，與圖15（a）、圖15（b）相近，充分說明了濾光器的作用效果?！緢D16】
綜合考核實驗的結果表明，濾光器很好地抑制了BaF2晶體的發光慢成分，探測器系統可以在較復雜的環境下正常工作。
4 結語
提出了一種反射式紫外帶通濾光器的設計思想，研制了應用于BaF2晶體光譜調制的濾光器，將BaF2晶體的熒光快慢成分之比由約0.05提高到40,有效抑制了BaF2晶體熒光慢成分的影響。研制了基于該濾光器的探測器。實驗表明， 探測器系統具有ns級的時間響應性能，能夠滿足快脈沖γ射線探測的需要，為脈沖輻射探測領域提供了一種新的探測器設計方法。
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