ANDOR SR-500型光柵光譜儀的波長(zhǎng)校準(zhǔn)方法

/ 西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

SR-500型光柵光譜儀是ANDOR公司生產(chǎn)的先進(jìn)光譜測(cè)量?jī)x器（實(shí)物圖如圖1），具有測(cè)量波長(zhǎng)范圍寬（190 nm～10 μm），波長(zhǎng)分辨力高（0.05 nm），波長(zhǎng)測(cè)量重復(fù)性好（±0.05 nm）等特點(diǎn)，且可搭配光電倍增管或ICCD相機(jī)記錄，靈敏度較高[1]，適用于測(cè)量閃爍體在X射線照射下的發(fā)射光譜，對(duì)閃爍體性能進(jìn)行評(píng)估。譜儀較為精密，當(dāng)位置移動(dòng)或結(jié)構(gòu)件重新安裝后，光譜的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生漂移，在使用前需要對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)。譜儀配套軟件只提供了波長(zhǎng)平移的修正項(xiàng)，無法使測(cè)量譜線的全部波長(zhǎng)與標(biāo)準(zhǔn)燈一一對(duì)應(yīng)。文獻(xiàn)[2、3]中給出了較詳細(xì)的波長(zhǎng)校準(zhǔn)算法，然而，算法給出的是波長(zhǎng)與步距、光柵轉(zhuǎn)角參數(shù)的關(guān)系，實(shí)際使用中該參數(shù)很難測(cè)量，且校準(zhǔn)過程較為復(fù)雜。本文采用MATLAB[4]數(shù)值處理技術(shù)，分析測(cè)量波長(zhǎng)與標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系，研究由測(cè)量波長(zhǎng)直接給出實(shí)際波長(zhǎng)的校準(zhǔn)方法，并用校準(zhǔn)后的譜儀測(cè)量評(píng)估了上海硅酸鹽研究所最新研制的LSO：Ce閃爍體受到X射線照射時(shí)的發(fā)射光譜。

1 實(shí)驗(yàn)原理

采用低壓汞燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源，常用可識(shí)別的特征譜線波長(zhǎng)如表1所示[5]。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2所示。采用ANDOR公司生產(chǎn)的SR-ASZ-0054型光電倍增管和SR-ASZ-0053型高壓電源作為記錄裝置。高壓電源電壓設(shè)為-1000 V。光譜儀掃描間隔為0.1 nm，掃描范圍為240 ～ 600 nm，采集時(shí)間為5 ms。光柵設(shè)為3號(hào)，分辨力為1 200 lp/mm。實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行，關(guān)閉汞燈，采集數(shù)據(jù)作為本底。開啟汞燈，預(yù)熱15 min，待汞燈工作狀態(tài)穩(wěn)定后開始測(cè)量，扣除本底后得到汞燈的測(cè)量譜。

圖1 SR-500光柵光譜儀

2 校準(zhǔn)方法

光譜儀未校準(zhǔn)時(shí)，汞燈的測(cè)量譜如圖3所示。箭頭給出了常用特征譜線的波長(zhǎng)。在光譜儀使用手冊(cè)中選擇了546.075 nm處的特征峰作為基準(zhǔn)[1]（虛線箭頭），由576.960 nm和579.066 nm兩個(gè)相鄰波長(zhǎng)特征峰可以判斷，測(cè)量譜特征峰波長(zhǎng)偏小26 nm。按照光譜儀手冊(cè)中給出的平移校準(zhǔn)方法，設(shè)置平移參數(shù)為26 nm。測(cè)量譜如圖4所示。校準(zhǔn)后測(cè)量譜中546.075 nm處的峰值波長(zhǎng)較準(zhǔn)確，其他峰值波長(zhǎng)與特征譜線波長(zhǎng)仍有較大偏差。253.652 nm處的測(cè)量結(jié)果偏差達(dá)14 nm，需要探索更優(yōu)的校準(zhǔn)方法。由圖3讀取未校準(zhǔn)時(shí)測(cè)量譜各峰值波長(zhǎng)λ測(cè)，由MATLAB軟件中fit函數(shù)曲線擬合得到表1中標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)λ標(biāo)與λ測(cè)之間的函數(shù)關(guān)系，嘗試線性擬合，擬合優(yōu)度達(dá)0.999 998 6，兩者之間具有很好的線性關(guān)系，均方根誤差為0.15 nm。因而測(cè)量波長(zhǎng)與校準(zhǔn)波長(zhǎng)之間變換關(guān)系由式（1）給出：

測(cè)量譜經(jīng)線性變換法校準(zhǔn)后如圖5所示。測(cè)量譜峰值波長(zhǎng)與表1結(jié)果一致性明顯改善，最大偏差為0.3 nm。

圖3 汞燈測(cè)量譜（光譜儀未校準(zhǔn)）

圖4 汞燈測(cè)量譜（光譜儀平移法校準(zhǔn)）

圖5 汞燈測(cè)量譜（光譜儀線性變換法校準(zhǔn)）

3 LSO:Ce閃爍體發(fā)射光譜測(cè)量

在中子、γ射線、X射線等輻射源圖像測(cè)量中，圖像轉(zhuǎn)換屏作為圖像測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，可將輻射源圖像轉(zhuǎn)換成熒光圖像，然后由光學(xué)系統(tǒng)記錄。LSO：Ce是一種綜合性能優(yōu)良的無機(jī)閃爍體，具有發(fā)光強(qiáng)度高、衰減時(shí)間較短、中子和γ射線分辨能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于中子與γ射線混合輻射場(chǎng)中測(cè)量γ射線[6]。γ射線和X射線的產(chǎn)生機(jī)制不同，與閃爍體作用機(jī)制相同，通常在圖像測(cè)量中不進(jìn)行區(qū)分。測(cè)量LSO：Ce閃爍體的發(fā)射光譜對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估閃爍體發(fā)光與后端光學(xué)系統(tǒng)記錄耦合效率具有重要意義。2002年起上海硅酸鹽研究所開始研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LSO：Ce閃爍體生長(zhǎng)技術(shù)[7]。2016年起該所與西北核技術(shù)研究所合作研究用于圖像測(cè)量的大尺寸LSO：Ce閃爍體（約20 cm×20 cm）。本文測(cè)量對(duì)象是該所生產(chǎn)的小尺寸LSO：Ce樣品。測(cè)量原理、實(shí)驗(yàn)參數(shù)與校準(zhǔn)時(shí)一致，將低壓汞燈換為L(zhǎng)SO：Ce閃爍體，并采用恒流X射線源照射。波長(zhǎng)校準(zhǔn)后測(cè)量結(jié)果如圖6所示，可以看出，測(cè)量光譜與文獻(xiàn)結(jié)果整體變化趨勢(shì)一致性很好，僅后端稍有翹尾，峰值波長(zhǎng)偏差小于2 nm。線性變換法校準(zhǔn)后的SR-500光譜儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量LSO：Ce閃爍體的發(fā)射光譜。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)特征譜線波長(zhǎng)與測(cè)量值關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文介紹了ANDOR SR-500型光柵光譜儀測(cè)量汞燈和LSO：Ce發(fā)射光譜實(shí)驗(yàn)的基本原理。以汞燈常用的特征譜線為基準(zhǔn)，比較了光譜儀不校準(zhǔn)、平移法校準(zhǔn)和線性變換法校準(zhǔn)后的汞燈測(cè)量譜。結(jié)果表明，光譜儀不校準(zhǔn)時(shí)，所有特征譜線均存在20 nm以上的測(cè)量偏差；平移法校準(zhǔn)后，546.075 nm特征譜線較準(zhǔn)確，其他特征譜線仍有較大偏差，253.652 nm特征譜線偏差達(dá)14 nm；線性變換法校準(zhǔn)后，各常用特征譜線波長(zhǎng)測(cè)量偏差減小為0.3 nm。線性變換法校準(zhǔn)后的光譜儀測(cè)量了LSO：Ce閃爍體的發(fā)射光譜（見圖7），得到了與文獻(xiàn)中一致的結(jié)果，驗(yàn)證了波長(zhǎng)校準(zhǔn)方法的有效性。

圖7 LSO:Ce閃爍體發(fā)射光譜

[1]Users Guide for Andor Shamrock SR-500. [OL]. http：// www. andor.com, 2008.

[2]張帆，李新，劉輝.基于MATLAB的光纖光譜儀校準(zhǔn)的測(cè)試方法[J].光子學(xué)報(bào)，2009，38（9）：2283- 2287.

[3]苗春安，馬仁宏.光譜儀器的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度及波長(zhǎng)校準(zhǔn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1997，18（6）：591- 595.

[4]蘇金明，張蓮花，劉波，等. MATLAB工具箱應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：489- 512.

[5]楊小虎.汞燈輻射性能研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2015，11（31）：163- 164.

[6]謝紅衛(wèi)，李如榮，宋顧周，等. LSO晶體射線熒光圖像轉(zhuǎn)換屏性能研究[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2011，31（3）：302- 305.

[7]崔素賢，鄭燕青，施爾畏，等.高溫閃爍晶體LSO： Ce的生長(zhǎng)研究[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2002，31（6）：521- 524.