热点应用丨X射线激发的时间分辨光谱解析闪烁体能量转移过程

液体闪烁体探测器被广泛用于中微子和天体粒子检测实验。linear alkylbenzene (直链烷基苯 (LAB))这种液体闪烁体被广泛应用于大规模检测测试中。LAB 是一种极具发展潜力的闪烁体，因为它成本低、闪点高、毒性低，使其比之前常用的有毒和易燃有机闪烁体更易处理。LAB 通常与2，5-二苯基氧恶唑（2,5-diphenyloxazole，PPO） 一起使用，可提高发光效率并将发射光谱延长至到更长的波长。LAB/PPO闪烁体探测系统已用于Daya-Bay¹和 RENO²中微子检测实验，也是即将推出的 SNO+³和JUNO⁴探测器的首选闪烁体。

图 2：FLS1000和XS1 X射线激发发光光谱耦合示意图

LAB/PPO 的 X 射线激发发光光谱首先使用 CW X 射线源获得，如图 3 所示。发光峰值位于 365 nm，完全来自 PPO 组分，没有直接来自 LAB 的发光。

接下来，研究了 PPO 浓度对 LAB/PPO 发光衰减曲线的影响。使用 40 kV 脉冲 X 射线源激发具有不同浓度 PPO 的八种 LAB/PPO 溶液，并使用 TCSPC 技术测试其衰减曲线（图 4）。衰减的曲线，包括一个瞬态激发部分，然后是一个长拖尾。瞬发组分是由于 PPO 从其单线激发态到单线基态的辐射去激发过程，这是一个快速的跃迁过程。相比之下，被激发到三线态的分子不能直接去激发到基态，而是通过其他的去激发途径进行，例如三线态-三线态湮灭，从图上显示的就是发光衰减的长拖尾。

图 4：使用 TCSPC技术获得的不同 PPO 浓度下 LAB/PPO 的 X 射线激发发光衰减谱图

表 1脉冲 X 射线激发后 LAB 中不同 PPO 浓度的衰变时间 (τi) 和衰变组分分数 (f i )

图 5 显示了τ1随 PPO 浓度的变化过程。由于 PPO 分子的激发是通过来自激发的 LAB 分子的非辐射能量转移进行的，因此τ1取决于能量转移速率。随着 PPO 浓度的增加，激发态 LAB 分子和相邻 PPO 分子之间的平均间距减小，这会增加能量转移速率，导致τ1随浓度降低，如图 5 所示。在最高 PPO 浓度下，能量转移为不再是限速因素，τ1接近 LAB 中 PPO 的固有辐射寿命，小于2 ns。⁶

图 5：LAB/PPO中τ1随 PPO 浓度的变化图谱

使用爱丁堡仪器 FLS1000 和 XS1 X射线样品室附件研究了 LAB/PPO 在不同 PPO 浓度下的 X 射线激发发光衰减特性。随着PPO的浓度从1g/L增加到 20 g/L，主要衰变组分的寿命从 7.1ns减少到 1.7 ns。XS1 X射线样品室附件将 FLS1000  PL光谱仪的功能扩展到 X射线领域，为开发新型闪烁体材料创造了强大的表征工具。

感谢Brookhaven国家实验室的Sasmit Gokhale博士提供的LAB和PPO样品。

1. F. An et al., The Daya Bay Collaboration, Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay, Phys. Rev. Lett. 108 171803 (2012)

2. J. Ahn et al., The RENO Collaboration, Observation of Reactor Electron Antineutrinos Disappearance in the RENO Experiment, Phys. Rev. Lett. 108 191802 (2012

3. S. Andringa et al., The SNO+ Collaboration, Current Status and Future Prospects of the SNO+ Experiment, Adv. High Energy Phys. 2016 6194250 (2016)

4. F. An et al., The JUNO Collaboration, Neutrino Physics with JUNO, J. Phys. G 43 030401 (2016)

5. H. M. O’Keffe et al. Scintillation Decay Time and Pulse Shape Discrimination in Oxygenated and Deoxygenated Solutions of Linear Alkylbenzene for the SNO+ Experiment, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 640 119-122 (2011)

6. T. M. Undagoitia et al., Fluorescence Decay-time Constants in Organic Liquid Scintillators, Rev. Sci. Instr. 80 043301 (2009)