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熱點應(yīng)用丨X射線激發(fā)的時間分辨光譜解析閃爍體能量轉(zhuǎn)移過程
背景介紹
液體閃爍體探測器被廣泛用于中微子和天體粒子檢測實驗。linear alkylbenzene (直鏈烷基苯 (LAB))這種液體閃爍體被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模檢測測試中。LAB 是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ拈W爍體，因為它成本低、閃點高、毒性低，使其比之前常用的有毒和易燃有機閃爍體更易處理。LAB 通常與2，5-二苯基氧惡唑（2,5-diphenyloxazole，PPO） 一起使用，可提高發(fā)光效率并將發(fā)射光譜延長至到更長的波長。LAB/PPO閃爍體探測系統(tǒng)已用于Daya-Bay1和 RENO2中微子檢測實驗，也是即將推出的 SNO+3和JUNO4探測器的首選閃爍體。
圖 1：LAB/PPO 閃爍過程的示意圖
圖 1 LAB/PPO閃爍過程的示意圖。電離輻射（例如γ射線）穿過 LAB 溶劑并將 LAB 分子激發(fā)到高能態(tài)。LAB中的多余能量以非輻射方式轉(zhuǎn)移 (FRET) 到附近的 PPO 分子，促進其進入激發(fā)態(tài)。PPO去激發(fā)回到其基態(tài)從而可以檢測到的紫色/藍色發(fā)光。
由于能量通過 FRET 在 LAB 和 PPO 之間轉(zhuǎn)移，發(fā)光行為將取決于 PPO 分子的數(shù)量及其與激發(fā)的 LAB 分子的距離。較高濃度的 PPO 降低了激發(fā)態(tài) LAB 和 PPO 分子之間的平均間距，增加了發(fā)光產(chǎn)率，并降低了平均發(fā)光壽命。許多檢測實驗利用時間分辨技術(shù)來分析閃爍過程，以區(qū)分不同的放射性粒子。
了解閃爍體系統(tǒng)的發(fā)光衰減行為對于此類分析至關(guān)重要。在此使用愛丁堡FLS1000光致發(fā)光光譜儀的時間分辨X射線激發(fā)發(fā)光光譜研究PPO濃度對LAB/PPO系統(tǒng)發(fā)光衰減曲線的影響。
實驗設(shè)計
PPO (Sigma Aldrich) 以1 g/L至20 g/L的一系列濃度溶解在 LAB (Cepsa Canada) 中，并用移液管移入石英比色皿中。使用愛丁堡儀器 FLS1000 光致發(fā)光光譜儀與 XS1 X射線樣品室耦合來測量 LAB/PPO 溶液的 X 射線激發(fā)發(fā)光光譜和衰減光譜（圖2）。
XS1 X射線樣品室配置有X射線屏蔽外殼，可配備多個 X 射線源，用于研究新型閃爍體材料。為了獲得 LAB/PPO 的 X 射線激發(fā)發(fā)光光譜，XS1配備了60 kV CW X射線源。對于發(fā)光衰減測量，LAB/PPO 由 40 kV 脈沖 X 射線源激發(fā)，該源使用愛丁堡儀器 HPL-450 脈沖激光器進行光泵浦。來自閃爍體的 X 射線激發(fā)發(fā)光由液體光導(dǎo)系統(tǒng)收集，液體光導(dǎo)將光信號傳至 FLS1000。FLS1000 配備了PMT-900檢測器和時間相關(guān)單光子計數(shù) (TCSPC) 電子設(shè)備。
圖 2：FLS1000和XS1 X射線激發(fā)發(fā)光光譜耦合示意圖
結(jié)果與討論
LAB/PPO 的 X 射線激發(fā)發(fā)光光譜首先使用 CW X 射線源獲得，如圖 3 所示。發(fā)光峰值位于 365 nm，完全來自 PPO 組分，沒有直接來自 LAB 的發(fā)光。
圖 3：LAB/PPO (8 g/L) 的 X 射線激發(fā)發(fā)光光譜
接下來，研究了 PPO 濃度對 LAB/PPO 發(fā)光衰減曲線的影響。使用 40 kV 脈沖 X 射線源激發(fā)具有不同濃度 PPO 的八種 LAB/PPO 溶液，并使用 TCSPC 技術(shù)測試其衰減曲線（圖 4）。衰減的曲線，包括一個瞬態(tài)激發(fā)部分，然后是一個長拖尾。瞬發(fā)組分是由于 PPO 從其單線激發(fā)態(tài)到單線基態(tài)的輻射去激發(fā)過程，這是一個快速的躍遷過程。相比之下，被激發(fā)到三線態(tài)的分子不能直接去激發(fā)到基態(tài)，而是通過其他的去激發(fā)途徑進行，例如三線態(tài)-三線態(tài)湮滅，從圖上顯示的就是發(fā)光衰減的長拖尾。
圖 4：使用 TCSPC技術(shù)獲得的不同 PPO 濃度下 LAB/PPO 的 X 射線激發(fā)發(fā)光衰減譜圖
為了獲得時間衰減組分，使用愛丁堡儀器 FAST 壽命分析軟件的解卷積擬合（圖4中的實線）。每個衰變組分的壽命和強度分數(shù)在表1中給出。最快的衰變組分 (τ1) 對應(yīng)于 PPO 的輻射單線態(tài)去激發(fā)，并且是對體系的總發(fā)光為主要貢獻，其在72%至 96 % 之間。
表 1脈沖 X 射線激發(fā)后 LAB 中不同 PPO 濃度的衰變時間 (τi) 和衰變組分分數(shù) (f i )
圖 5 顯示了τ1隨 PPO 濃度的變化過程。由于 PPO 分子的激發(fā)是通過來自激發(fā)的 LAB 分子的非輻射能量轉(zhuǎn)移進行的，因此τ1取決于能量轉(zhuǎn)移速率。隨著 PPO 濃度的增加，激發(fā)態(tài) LAB 分子和相鄰 PPO 分子之間的平均間距減小，這會增加能量轉(zhuǎn)移速率，導(dǎo)致τ1隨濃度降低，如圖 5 所示。在最高 PPO 濃度下，能量轉(zhuǎn)移為不再是限速因素，τ1接近 LAB 中 PPO 的固有輻射壽命，小于2 ns。6
圖 5：LAB/PPO中τ1隨 PPO 濃度的變化圖譜
結(jié) 論
使用愛丁堡儀器 FLS1000 和 XS1 X射線樣品室附件研究了 LAB/PPO 在不同 PPO 濃度下的 X 射線激發(fā)發(fā)光衰減特性。隨著PPO的濃度從1g/L增加到 20 g/L，主要衰變組分的壽命從 7.1ns減少到 1.7 ns。XS1 X射線樣品室附件將 FLS1000 ?PL光譜儀的功能擴展到 X射線領(lǐng)域，為開發(fā)新型閃爍體材料創(chuàng)造了強大的表征工具。
致謝
感謝Brookhaven國家實驗室的Sasmit Gokhale博士提供的LAB和PPO樣品。
參考文獻
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