用于HL-2A裝置的新型硬X射線探測器

趙艷鳳 范偉偉 袁 晨 蔣春雨 孫 姍 張 偉 陰澤杰

用于HL-2A裝置的新型硬X射線探測器

趙艷鳳 范偉偉 袁 晨 蔣春雨 孫 姍 張 偉 陰澤杰

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系 合肥 230027）

介紹了一種應(yīng)用于托卡馬克等離子診斷領(lǐng)域的新型硬X射線探測器，該探測器主要由硅酸釔镥(Lutetium-yttrium Oxyorthosilicate, LYSO)閃爍體和硅光電倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)組成?；陧?xiàng)目應(yīng)用需求，對探測器的選型和基于粒子輸運(yùn)蒙特卡羅仿真軟件GEANT4的探測器設(shè)計(jì)加以闡述，并搭建了前端的探測系統(tǒng)，在HL-2A托卡馬克裝置上進(jìn)行了現(xiàn)場診斷實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了硬X射線空間能譜和輻射強(qiáng)度分布的診斷測量。實(shí)驗(yàn)表明該探測器陣列具有10 ms的時(shí)間分辨率，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便等特點(diǎn)，能夠滿足等離子體診斷中硬X射線動(dòng)態(tài)能譜和強(qiáng)度分布測量的診斷需求。

硅酸釔镥閃爍晶體，硅光電倍增管，HL-2A托卡馬克裝置，硬X射線診斷

核工業(yè)西南物理研究所的中國環(huán)流器二號A裝置(HL-2A)是中國首個(gè)具有偏濾器位形的托卡馬克磁約束核聚變裝置，它于1998年立項(xiàng)， 2002年12月通過了項(xiàng)目竣工驗(yàn)收，并一直運(yùn)行至今。為國內(nèi)的磁約束核聚變研究提供了大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是國內(nèi)目前主要的托卡馬克裝置之一。在它的眾多等離子體診斷裝置中，硬X射線診斷系統(tǒng)一直是其中一項(xiàng)重要診斷手段。在低雜波驅(qū)動(dòng)(Lower Hybrid Current Drive, LHCD)或者電子回旋加熱(Electron Cyclotron Resonance Heating, ECRH)模式下，等離子體中的快電子與離子和其他電子相互作用產(chǎn)生軔致輻射、復(fù)合輻射，從而產(chǎn)生硬X射線，測量該硬X射線的能譜和強(qiáng)度分布情況，可以獲取快電子的空間分布、能量分布以及隨時(shí)間的變化等重要信息，進(jìn)而可以推導(dǎo)出射頻功率沉積和快電子電流等物理特性，為托卡馬克等離子體物理研究提供了重要的途徑[1]。硬X射線診斷是測量快電子的最便捷手段，對于托卡馬克裝置的診斷和監(jiān)控具有重要意義，其中診斷系統(tǒng)中探測器的性能是實(shí)現(xiàn)提高診斷性能的關(guān)鍵[2]。

本文提出了基于硅酸釔镥(Lutetium Yttrium Oxyorthosilicate Scintillator, LYSO)閃爍晶體和硅光電倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)的新型硬X射線探測器，并在該探測器構(gòu)成的陣列基礎(chǔ)上為托卡馬克裝置設(shè)計(jì)了多通道一體化診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對等離子反應(yīng)區(qū)豎直剖面上12條弦的硬X射線的能譜和強(qiáng)度及其演變過程的測量，并在10-200 keV的硬X射線目標(biāo)能區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)10 ms的時(shí)間分辨率和2 cm的空間分辨率能力。

1 探測器

如今國內(nèi)外通常使用的硬X射線探測器通常有碘化鈉(NaI)閃爍體探測器、碘化汞(HgI2)探測器和碲化鎘(CdTe)半導(dǎo)體探測器，NaI和HgI2需要大量繁雜的中子屏蔽和磁屏蔽，而相對表現(xiàn)較好的CdTe半導(dǎo)體探測器卻由于載流子收集不完全、壽命不夠長等因素使測得的能量偏低，在能譜上體現(xiàn)為低能尾巴。以上探測器的性能局限，使得在托卡馬克硬X射線診斷領(lǐng)域的應(yīng)用中具有一定的局限性[3]。

1.1 探測器結(jié)構(gòu)

LYSO閃爍晶體發(fā)光衰減時(shí)間僅為41 ns，其脈沖成形時(shí)間相對于CdTe能有大幅提升，發(fā)光產(chǎn)額高約為NaI(Tl)晶體的76%，具有較大的有效原子序數(shù)和高密度，因而其X射線阻止能力也較強(qiáng)，物理化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定等特點(diǎn)使得LYSO能夠有力地保障托卡馬克裝置硬X射線的探測性能，表1為LYSO晶體與其他晶體材料的比較[4]。

表1 幾種閃爍晶體的物理特性比較Table1 Comparison of physical properties of several scintillating crystals.

項(xiàng)目選用SiPM作為光電轉(zhuǎn)換裝置，它是一種新型的光電探測器件，由工作在蓋革模式的雪崩二極管陣列組成。硅光電倍增管對磁場不敏感，適用于托卡馬克裝置周圍的復(fù)雜電磁環(huán)境；增益較高（約106），靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)單光子探測；結(jié)構(gòu)簡單且無需高壓[5]。

綜上，提出將LYSO結(jié)合硅光電倍增管研制成一體化緊湊型探測器的方案，整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖1所示，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)外光子隔絕，閃爍體外包裹一層鋁箔。該探測器相對于其他探測裝置可具備更高的時(shí)間分辨率，脈沖寬度窄并且無需高壓，系統(tǒng)復(fù)雜程度大大下降，便于陣列化使用，同時(shí)SiPM的高增益也提高了探測器輸出脈沖信號幅度，增強(qiáng)了其抗干擾能力，提高了信噪比。

圖1 探測器結(jié)構(gòu)Fig.1 Detector structure.

1.2 探測器尺寸模擬

為了確定LYSO探測器的最佳結(jié)構(gòu)，采用粒子輸運(yùn)蒙特卡羅仿真軟件GEANT4（版本10.2）對探測器進(jìn)行了模擬，以期達(dá)到最佳的探測性能[6]，調(diào)用GEANT4中適合于高能物理和核物理的G4EmStandardPhysics_option3光子物理過程庫。具體的模擬結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中X射線從前方平行射入被鋁箔覆蓋的LYSO閃爍晶體，鋁箔厚度和LYSO尺寸等參數(shù)均可以調(diào)節(jié)，后部的SiPM與LYSO之間耦合的光導(dǎo)材料硅油被省略，為了保持仿真的一致性，X射線一直被直徑1 mm的原型孔所準(zhǔn)直。在仿真中，鋁箔的材料為純鋁，密度為2.7 g·cm?3，LYSO閃爍晶體材料為Lu0.6Y1.397Ce0.003(SiO4)O，密度為7.1 g·cm?3。

圖2 探測器GEANT4仿真結(jié)構(gòu)Fig.2 Detector simulation structure for GEANT4.

首先是確定鋁箔的最佳厚度，鋁箔不僅起到隔絕內(nèi)外光子的作用，還要盡可能吸收10keV以下非目標(biāo)區(qū)域低能X射線，且能夠最大程度保留10keV以上的待測量的X射線。在仿真中選取0.01mm、0.05mm、0.1mm以及0.2mm不同厚度的鋁箔，在每種鋁箔厚度下，都研究其不同能量的X射線的吸收效率，具體是將能量1-200 keV設(shè)置了200個(gè)等間隔的離散能量點(diǎn)，對每種鋁箔厚度在每個(gè)能量點(diǎn)時(shí)都分別入射500萬個(gè)X射線粒子，收集LYSO的能量沉積，進(jìn)而計(jì)算出鋁箔的X射線吸收效率，得到4種鋁箔厚度下X射線的吸收效率能量變化的曲線，如圖3所示。可以看出0.05 mm的鋁箔最符合項(xiàng)目需求，0.01 mm對于10 keV以下的X射線吸收不夠徹底，而0.1 mm和0.2 mm的鋁箔吸收了過多的10 keV以上目標(biāo)探測區(qū)域的X射線，所以最佳的鋁箔厚度定位0.05 mm。

圖3 鋁箔厚度對不同能量X射線能量沉積Fig.3 Stopping efficiency of aluminum foil at various thicknesses for different X-ray energy.

探測器另外一個(gè)重要的尺寸是LYSO的長度，閃爍體太短會因X射線吸收不完全而影響探測效率，過長會影響多通道探測器的空間排布。將入射X射線能量設(shè)置為目標(biāo)能量區(qū)域10-200keV內(nèi)的隨機(jī)能量值，在鋁箔厚度不變時(shí)，使LYSO長度不斷變化，研究它的探測效率隨其長度的變化趨勢。由于LYSO閃爍晶體的光產(chǎn)出是恒定的，每MeV約8000個(gè)，研究探測效率時(shí)，僅需要獲取其LYSO中能量沉積即可，如果依據(jù)實(shí)際情況打開GEANT4中的光產(chǎn)出功能，會大大降低仿真效率，提高仿真所需的時(shí)間。能量沉積和入射射線總能量的比值即為探測效率，對從0-16mm長度的閃爍體的探測效率進(jìn)行了研究，長度每隔0.5mm進(jìn)行一次探測效率的仿真。入射500萬個(gè)從10-200keV隨機(jī)能量的X射線粒子，收集LYSO的能量沉積，計(jì)算探測效率。如圖4所示，可以看出，在閃爍體長度為11 mm的時(shí)候，探測效率提升就漸漸趨于平緩，因而將11 mm確定為最佳尺寸。

圖4 LYSO長度仿真曲線Fig.4 LYSO length simulation curve.

1.3 探測器組裝

根據(jù)確定的LYSO最佳尺寸，在中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所定制了LYSO閃爍晶體產(chǎn)品，大小為3mm×3mm×11mm，外層包裹鋁箔（圖5中標(biāo)注2）。為了與之相適配，硅光電倍增管選擇的是SensL的最新型的B-series系列，型號MicroFB-30035-SMT（圖5中標(biāo)注3），其最大光子探測效率為40%，快信號輸出端口上升時(shí)間最快可達(dá)到0.6ns，脈寬可達(dá)1.5ns，其光敏探測曲線和LYSO 420nm的發(fā)光波長相契合。兩者組合成射線探測器，其最終輸出信號寬度主要取決于LYSO的衰減時(shí)間（約40ns）以及前置放大器對脈寬的影響。有利于提高計(jì)數(shù)率，提升探測的動(dòng)態(tài)范圍。探測器整體再使用熱縮管（圖5中標(biāo)注1）封裝，防止外部可見光子漏入其中造成干擾，分別將高壓、信號輸出、快信號三個(gè)管腳信號通過導(dǎo)線引出（圖5中標(biāo)注4），組裝好的探測器如圖5所示（圖5中標(biāo)注5），可以看出該探測器較為小巧緊湊，有利于大規(guī)模探測陣列的排布。

圖5 探測器組裝1: 熱縮管，2: 鋁箔，3: 硅光電倍增管，4: 導(dǎo)線，5: 完整探測器Fig.5 Detector assembly.1: Heat shrinkable tube, 2: Aluminum foil, 3: Silicon photomultiplier tube, 4: Wire, 5: Detector

該探測器輸出端口結(jié)構(gòu)及快輸出信號如圖6所示，相比于其他探測器可以看出該信號信噪比高，脈沖沿上升陡峭，下降沿較為平緩，波形寬度窄，僅為50ns。但是信號幅度較低，約為42mV，需進(jìn)一步進(jìn)行放大，如圖6所示，由于SiPM快輸出端口是交流耦合，因此快輸出端口信號存在一定過沖。

圖6 探測器輸出端口結(jié)構(gòu)及快輸出信號Fig.6 Detector output port structure and fast output signal.

2 前端探測器陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 準(zhǔn)直體

為了更為精確地測量等離子反應(yīng)區(qū)豎直剖面上12條弦的硬X射線的能譜和強(qiáng)度，探測器前端需添加準(zhǔn)直裝置。X射線準(zhǔn)直的常用材料是鉛，但由于鉛的密度較大，鉛一體化準(zhǔn)直體的重量可能導(dǎo)致機(jī)械固定困難。因此，考慮定制金屬筒來提供準(zhǔn)直作用，這樣大大減小了準(zhǔn)直體的重量。使用GEANT4模擬鐵、銅、鋁三種材料對空間分辨率的影響，如圖7所示，鋁材料空間分辨率相對較差，在表現(xiàn)較好的銅和鐵中，選擇了密度小穩(wěn)定性好的銅材料做準(zhǔn)直管。在空間分辨率小于2cm的項(xiàng)目需求下，仿真確定準(zhǔn)直管長度不得小于75mm，管內(nèi)徑定為2 mm，外徑定為4 mm。

圖7 銅、鐵、鋁的空間分辨率模擬結(jié)果Fig.7 Simulation spatial resolution’s results of Cu, Fe and Al.

前端探測陣列采用扇形結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)直分別對準(zhǔn)相應(yīng)的弦，以水平線為界，上下非對稱結(jié)構(gòu)以增加空間分布角。這種扇形的設(shè)計(jì)可以在一次試驗(yàn)中盡可能多地獲取硬X射線的空間分布信息。通過GEANT4模擬我們也得到了通道間X射線的串?dāng)_情況，方法是讓X射線射入其中某一個(gè)孔，觀察相鄰的準(zhǔn)直孔內(nèi)探測器因串?dāng)_而得到的能量沉積。定義相鄰的探測器串?dāng)_X射線能量沉積比上X射線射入孔的探測器能量沉積為串?dāng)_比例，當(dāng)X射線200keV時(shí)（此時(shí)康普頓效應(yīng)最為劇烈，串?dāng)_相應(yīng)最為嚴(yán)重），該值最大為0.019%，這樣程度的通道間串?dāng)_可以忽略，說明該結(jié)構(gòu)有著較為優(yōu)良的抗串?dāng)_特性。

2.2 前端探測陣列

圖8是最終定型的硬X射線診斷的前端探測陣列，為了實(shí)現(xiàn)磁屏蔽，整個(gè)系統(tǒng)都固定在標(biāo)注為1的316L型不銹鋼盒子中，盒子前部的圓形開口，對準(zhǔn)鈹窗，用以引入托卡馬克裝置等離子反應(yīng)區(qū)的硬X射線，再經(jīng)過上文介紹的準(zhǔn)直體和探測器（圖8中標(biāo)注2）進(jìn)入12通道電流型前置放大器，對信號進(jìn)行放大和驅(qū)動(dòng)，如圖8中標(biāo)注4；為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，且確保準(zhǔn)直體對準(zhǔn)圓心，整個(gè)探測裝置固定在一塊聚四氟乙烯底板上，即圖8中標(biāo)注3，盒子的尾部用于信號輸出和供電。

圖8 硬X射線前端診斷陣列1: 不銹鋼盒子，2: 準(zhǔn)直體和探測器，3: 底板，4: 前置放大器Fig.8 Hard X-ray front-end diagnostic array.1: Stainless steel box, 2: Collimator and detector, 3: Baseboard, 4: Preamplifier

前端陣列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固，能夠適應(yīng)HL-2A托卡馬克裝置運(yùn)行環(huán)境中的持續(xù)震動(dòng)和干擾的惡劣條件，為系統(tǒng)的持久運(yùn)行提供了保障。

3 硬X射線實(shí)驗(yàn)

3.1 探測系統(tǒng)介紹

探測系統(tǒng)是在HL-2A托卡馬克裝置上運(yùn)行，在該裝置側(cè)面開了一個(gè)鈹窗，將組合好的前端探測陣列通過螺絲固定在鈹窗外側(cè)的法蘭盤上，準(zhǔn)直銅管對準(zhǔn)鈹窗中心，精確獲取相應(yīng)弦上的硬X射線信息，鉛準(zhǔn)直體中的LYSO探測器探測到硬X射線后，前置放大器將其放大，經(jīng)過5 m的傳輸線后在脈沖處理主電子學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行主放大、幅值比較、能譜計(jì)算[7]等處理后，將數(shù)據(jù)通過面向儀器系統(tǒng)的外圍組件互連擴(kuò)展(Peripheral Component Interconnection extensions for Instrumentation, PXI)總線實(shí)時(shí)傳至上位機(jī)進(jìn)行處理、顯示和存儲等操作，圖9是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在此系統(tǒng)上，我們實(shí)現(xiàn)了硬X射線的強(qiáng)度分布和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)能譜測量的實(shí)驗(yàn)。探測器安裝如圖10(a)所示，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖10(b)所示，圖10中，標(biāo)注1為顯示屏；標(biāo)注2為置于NI標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱的主電子系統(tǒng)；標(biāo)注3為信號傳輸線；標(biāo)注4為前置放大器供電電源；標(biāo)注5為探測器供電電源。3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 硬X射線探測系統(tǒng)Fig.9 Schematic diagram of the hard X-ray detection system.

圖10 硬X射線探測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖1: 顯示屏，2: 主電子系統(tǒng)，3: 信號傳輸線，4: 前置放大器供電電源，5: 探測器供電電源Fig.10 Photograph of hard X-ray detection experiment.1: Display, 2: Master electronic system, 3: Signal transmission line, 4: Preamplifier power supply, 5: Detector power supply

首先使用該探測器的測量了137Cs放射源及241Am放射源的128道能譜圖如圖11所示，測量結(jié)果與理論能譜相符合。該探測器實(shí)際測量的能區(qū)較廣，為標(biāo)定全面，根據(jù)Cs和Am放射源全能峰的理論能量值對托卡馬克上的硬X射線測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。

根據(jù)上述標(biāo)定結(jié)果，該探測器在HL-2A托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置上穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了硬X射線的強(qiáng)度和能譜測量，圖12是HL-2A托卡馬克裝置在本次測量實(shí)驗(yàn)中LHCD功率與的時(shí)間關(guān)系，圖13為該次實(shí)驗(yàn)測量中所測到的硬X射線的強(qiáng)度，時(shí)間分辨率為10ms。

圖11 137Cs與241Am能譜Fig.11 Energy spectra of 137Cs and 241Am.

圖12 托卡馬克LHCD功率-時(shí)間關(guān)系Fig.12 Diagram of time-Tokamak device’s power.

圖13 實(shí)驗(yàn)測到的硬X射線強(qiáng)度圖Fig.13 Hard X-ray intensity plot measured in experiment.

圖14 為該次測量實(shí)驗(yàn)中所測到10?200keV的分時(shí)能譜的三維顯示圖，x軸為時(shí)間，分時(shí)時(shí)間為10ms；y軸為能量，能量最小刻度間隔為10keV；z軸是該能量段在此次分時(shí)時(shí)間中所測到的計(jì)數(shù)。隨著LHCD功率的增加，托卡馬克裝置產(chǎn)生大量的硬X射線，系統(tǒng)在對應(yīng)的時(shí)間探測得到硬X射線相應(yīng)的計(jì)數(shù)和強(qiáng)度。其他通道均得到類似結(jié)果。

圖14 硬X射線分時(shí)能譜Fig.14 Hard X-ray time-interval energy spectra.

4 結(jié)語

基于LYSO閃爍體加硅光電管的硬X射線探測器，在HL-2A托卡馬克裝置上實(shí)現(xiàn)了硬X射線的強(qiáng)度分布和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)能譜測量的實(shí)驗(yàn)測量，該系統(tǒng)具有較好的時(shí)間和空間分辨率并在試驗(yàn)中取得了較好的成果，驗(yàn)證了該探測器陣列及整個(gè)探測系統(tǒng)具有較好的可行性和優(yōu)越性。特別是前端探測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于陣列化集成，可在其他等離子診斷和正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像(Positron Emission Computed Tomography, PET)成像中拓展應(yīng)用。

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Study of a new type of hard X-ray detector for HL-2A device

ZHAO Yanfeng FAN Weiwei YUAN Chen JIANG Chunyu SUN Shan ZHANG Wei YIN Zejie
(Department of Modern Physics, University of Science amp; Technology China, Hefei 230027, China)

Background: The hard X-ray diagnostic system is important for HL-2A Tokamak experimental facility. In order to improve the diagnostic performance, a new hard X-ray detector with better precision is required. Purpose: This study aims to design a new type of hard X-ray detector to measure X-ray spatial energy spectrum and radiation intensity distribution for HL-2A. Methods: The new hard X-ray detection system is composed of lutetium-yttrium oxyorthosilicate (LYSO) scintillator and silicon photomultiplier (SiPM). Selection of the detector and detector design based on the Monte Carlo particle transport simulation tool GEANT4 are effectuated to meet the application requirements of the project. Corresponding front-end electronics was implemented together with the detector to measure the hard X-ray spatial energy spectrum and radiation intensity distribution on site. Results: The hard X-ray spatial energy spectrum with time resolution of 10 ms was successfully obtained in the experimental test using proposed new type of hard X-ray detector on the HL-2A Tokamak facility. Conclusion: Experimental results show that the detector array has good time resolution and meets the high-precision measurement demand of hard X-ray dynamic spectrum and intensity distribution in plasma diagnose for HL-2A Tokamak facility. It has the advantages of compact structure and easy to use as well.

LYSO, SiPM, HL-2A Tokamak, Hard X-ray detection

ZHAO Yanfeng, female, born in 1991, graduated from Yunnan University in 2014, master student, engaged in nuclear information acquisition and processing

YIN Zejie, E-mail: zjyin@ustc.edu.cn

TL812+.1

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.040402

No.11375195、No.11575184)、國家磁約束核聚變發(fā)展研究專項(xiàng)(No.2013GB104003)資助

趙艷鳳，女，1991年出生，2014年畢業(yè)于云南大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，從事核信息采集和處理方向

陰澤杰，E-mail: zjyin@ustc.edu.cn

2016-11-03，

2016-11-30

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11375195, No.11575184), National Magnetic Confinement Fusion Research

(No.2013GB104003)

Received date: 2016-11-03, accepted date: 2016-11-30