基于Si-PIN探測器的電流型計數(shù)式α粒子測量

田 耕，歐陽曉平，劉金良，李海濤，張顯鵬，2，渠紅光

（1.西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024；

2.西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710049）

基于Si-PIN探測器的電流型計數(shù)式α粒子測量

田 耕1，歐陽曉平1，劉金良1，李海濤1，張顯鵬1，2，渠紅光1

（1.西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024；

2.西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710049）

Si-PIN；電流型計數(shù)；α粒子測量；數(shù)字濾波器；脈沖輻射場

脈沖輻射場測量工作廣泛開展于粒子加速器、脈沖式反應(yīng)堆、托卡馬克裝置及ICF裝置等大型設(shè)施的物理過程的診斷中，對于物理機制的認(rèn)知具有重要意義。Si-PIN半導(dǎo)體探測器具有時間響應(yīng)快、能量分辨率高和體積小的特點，適合測量低能γ射線和X射線，及電子、α粒子和質(zhì)子等帶電粒子，配合使用轉(zhuǎn)換靶時還可測量中子，廣泛用于組建電流型測量系統(tǒng)實現(xiàn)脈沖輻射場測量［1－2］。但當(dāng)被測輻射場的強度較低時，此類電流型測量系統(tǒng)不再適用，因為探測器事件率相對較低，事件堆積不足，無法形成足夠強度的電流信號輸出。此時若使用基于Si-PIN探測器的計數(shù)型測量系統(tǒng)，同樣難以達到良好的測量效果。因為該類系統(tǒng)中，探測器輸出的信號在輸入多道分析儀（MCA）前需經(jīng)過前置放大器和脈沖成形主放大器處理［3］。由于主放大器輸出的成形脈沖的寬度較寬（通常為1～10μs量級），因此系統(tǒng)的計數(shù)率受到限制，一般上限為105s－1。同時對于持續(xù)時間在μs～s量級的脈沖輻射場，若使用屏蔽等方法降低探測器事件率以適應(yīng)系統(tǒng)的計數(shù)率，會使總計數(shù)太少而失去統(tǒng)計意義。脈沖輻射場測量中往往需要實現(xiàn)場強隨時間變化的測量，場強較低時可通過測量每個粒子的入射時刻來實現(xiàn)，但在計數(shù)型測量系統(tǒng)中由于成形脈沖的上升時間較長，不能精確反應(yīng)粒子的入射時刻，因此測量粒子時間信息時需使用額外的電路［4］，這就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，且也無法提高能譜測量的計數(shù)率。

1 測量原理

α粒子入射Si-PIN探測器時在探測器中產(chǎn)生的電子-空穴對，在外加電場的作用下向探測器兩極漂移并在探測器的輸出回路中產(chǎn)生感生電流，形成脈沖信號輸出。在載流子完全收集的情況下，該脈沖包含的電荷反映了入射粒子的能量。Si-PIN等半導(dǎo)體探測器在單粒子入射時輸出的電流信號強度微弱、無法直接傳輸和記錄，故需使用前置放大器進行放大。普通的基于半導(dǎo)體探測器的數(shù)字式探測系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的電荷型前置放大器及主放大器進行脈沖信號調(diào)理，給系統(tǒng)的計數(shù)率帶來限制［5－7］。電流型計數(shù)系統(tǒng)使用高帶寬電流型前置放大器對Si-PIN探測器輸出信號進行線性放大并盡量減小探測器輸出回路時間常數(shù)，使放大后的脈沖寬度無明顯展寬，以利于達到較高的計數(shù)率。放大后的脈沖信號通過阻抗匹配的傳輸線輸入超高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行記錄。使用脈沖幅度提取和時間信息分析算法統(tǒng)計各粒子的波形數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)能譜和時間信息的聯(lián)合測量。

在普通的數(shù)字式探測系統(tǒng)中，脈沖幅度提取算法主要有直接比較法、曲線擬合法和濾波成形法等，其中最常用的是以梯形成形濾波為代表的成形算法，但其適用對象通常是電荷靈敏型前置放大器輸出的負(fù)指數(shù)信號［8－10］，對于電流型前置放大器輸出的高速電流脈沖并不適用。由于脈沖波形的面積表征了脈沖所包含的電荷量，因此對波形進行數(shù)值積分可獲得入射粒子的能量信息。對于α粒子測量，在采樣率較高的情況下還可使用直接比較法統(tǒng)計脈沖信號的幅度來獲得脈沖幅度譜。這是由于α粒子等重帶電粒子在Si-PIN探測器中的射程較短且射程歧離很小，對于電荷收集來說，載流子漂移的情況相近，因此探測器輸出的電流脈沖形狀相近。該情況下脈沖的幅度主要由入射粒子的能量決定，且較小的射程歧離使彈道虧損較小。

2 實驗

利用Si-PIN探測器、電流型前置放大器和高帶寬示波器組建電流型計數(shù)測量系統(tǒng)。該探測器的靈敏區(qū)直徑φ＝20 mm、厚度d＝300μm，工作偏壓Vd＝90 V。測量時探測器與源置于真空腔體中，以消除空氣對α粒子的吸收并屏蔽電磁干擾。采用具有密封性能的BNC電纜座為探測器提供信號輸出及供電輸入接口。其中，信號輸出通過長15 cm、阻抗50Ω的同軸電纜輸入電流型前置放大器，該段電纜外部利用銅網(wǎng)屏蔽以減小電磁干擾和電子學(xué)噪聲。采用帶屏蔽的電池組為探測器供電以降低電源噪聲對測量的影響。電流型前置放大器輸出的信號由高帶寬示波器在計算機控制下記錄并存儲。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖1。

圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of measurement system

由于受到輸出回路電容和α粒子入射的等離子體時間等因素的影響，探測器輸出電流波形的形狀難以解析描述，但根據(jù)Si的載流子平均漂移速率、工作偏壓和靈敏區(qū)厚度等參數(shù)可估算出電流脈沖信號的底部寬度約為20 ns?？紤]到等離子體時間和輸出回路電容對波形上升時間的展寬，可認(rèn)為上升時間的量級約為10 ns，因此電子學(xué)設(shè)備的帶寬上限（－3 dB）應(yīng)達到100 MHz。據(jù)此設(shè)計基于2級運算放大器的800倍增益、100 MHz帶寬、50Ω輸入阻抗的電流型前置放大器，實現(xiàn)脈沖信號的線性放大。采用帶寬1 GHz、最大采樣率20 GS／s的高帶寬數(shù)字示波器記錄波形數(shù)據(jù)；使用C＋＋語言開發(fā)實驗控制軟件，實現(xiàn)采集窗和連續(xù)記錄兩種數(shù)據(jù)記錄模式及自動測量功能［11］。測量系統(tǒng)的最大計數(shù)率與探測器輸出脈沖的寬度及可接受的脈沖堆積程度相關(guān)。利用輸出脈沖底寬約100 ns的LaBr3：Ce無機閃爍體探測器，在不同強度的137Cs源上對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄功能和計數(shù)率進行考核，得到的結(jié)果為：當(dāng)輸入脈沖底寬不大于100 ns、堆積不超過20%時，系統(tǒng)的計數(shù)率在采集窗模式下約達到2× 105s－1，連續(xù)記錄模式下約達到2×106s－1，因此適用于相應(yīng)計數(shù)率的低強度脈沖輻射場測量。由于Si-PIN探測器輸出脈沖寬度僅約20 ns，因此系統(tǒng)的理論計數(shù)率將高于上述實驗值。在堆積不超過20%時，系統(tǒng)的計數(shù)率理論上限約為107s－1。

3 數(shù)據(jù)處理

在傳統(tǒng)的計數(shù)型測量系統(tǒng)中，電荷靈敏型前置放大器和脈沖成形主放大器的參數(shù)通常針對噪聲進行優(yōu)化，因此成形后的脈沖具有較高的信噪比（SNR）。在電流型計數(shù)測量系統(tǒng)中，由于電流型前置放大器對較寬頻段的信號進行線性放大，因此輸出信號的SNR通常不如傳統(tǒng)系統(tǒng)的，但可利用數(shù)字濾波算法處理原始數(shù)據(jù)來抑制電子學(xué)噪聲，提高能譜統(tǒng)計時的能量分辨率。采樣率較高時，Si-PIN探測器輸出的電流脈沖信號的頻譜位于相對低頻的部分，因此可使用數(shù)字低通濾波器（LPF）算法去除噪聲。常用LPF算法可分為FIR和IIR兩類，其在計算量和穩(wěn)定性上各有優(yōu)勢。主要的FIR型濾波算法有Hann、Hamming、Blackman和滑動平均濾波等算法；IIR型濾波算法有Butterworth、ChebyshevⅠ型與Ⅱ型、Bessel和橢圓濾波等。

實驗中，測量系統(tǒng)記錄的單粒子的典型波形示于圖2，可看出，波形上疊加有較大噪聲。對該波形進行能譜分析，得其主要能量處于30 MHz以下的頻率范圍內(nèi)。按照通帶邊緣頻率ωp＝30 MHz，設(shè)計實現(xiàn)上述4種FIR和5種IIR的LPF算法，實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的去噪處理，在處理實驗數(shù)據(jù)中反復(fù)調(diào)整濾波器參數(shù)以獲得較優(yōu)的結(jié)果。

圖2241Am－244Cm 源α粒子波形Fig.2 Waveform ofα－particle of241Am-244Cm source

利用239Pu源測量得到的原始波形數(shù)據(jù)，采用直接比較法進行脈沖幅度譜統(tǒng)計，得到α峰的能量分辨率僅約17%（圖4a）；使用傳統(tǒng)MCA進行對比測量，得到的α峰能量分辨率為2.9%（圖4b）。

圖3241Am-244Cm 源α能譜的電流型計數(shù)測量結(jié)果Fig.3 α－particle spectra of241Am-244Cm measured by current-mode-counting method

圖4239Pu源α能譜的電流型計數(shù)測量原始結(jié)果Fig.4 α－particle spectra of239Pu measured by current-mode-counting method

圖5 數(shù)據(jù)經(jīng)LPF處理后獲得的241Am-244Cm 源α能譜Fig.5 α－particle spectra of241Am-244Cm with data processed by LPF

為評價濾波算法的效果，定義兩個峰的區(qū)分參數(shù)FOM如下：

其中：H1為241Am的α峰計數(shù)；L1為能譜曲線在241Am的α峰與244Cm的α峰之間的計數(shù)最小值。

利用上述各種LPF處理原始數(shù)據(jù)后，使用直接比較法統(tǒng)計能譜，得到的能譜曲線經(jīng)雙高斯擬合后判讀出H1和L1，根據(jù)式（1）計算得到的區(qū)分參數(shù)列于表1。

對于239Pu源測量，F(xiàn)IR和IIR濾波器的典型處理效果示于圖6。利用各種LPF處理原始數(shù)據(jù)后使用直接比較法統(tǒng)計能譜，得到的能譜曲線經(jīng)高斯擬合后，獲得α峰能量分辨率的典型值為6.1%～6.4%（表2）。

表1241Am-244Cm 源α粒子測量中數(shù)字濾波算法效果Table 1 Effect of digital filter with data of241Am-244Cm αsource measurement

圖6 數(shù)據(jù)經(jīng)LPF處理后獲得的239Pu源α能譜Fig.6 α－particle spectra of239Pu with data processed by LPF

表2239Pu源α粒子測量中數(shù)字濾波算法效果Table 2 Effect of digital filter with data of239Puαsource measurement

利用數(shù)字式梯形成形、三角形成形和高斯濾波等算法處理數(shù)據(jù)，得到241Am-244Cm能譜曲線的FOM為0.61～0.75，239Pu能譜α峰的能量分辨率為8.0%～11.1%，低于上述除滑動平均濾波外的所有數(shù)字LPF算法，說明在處理此類線性放大的脈沖信號時傳統(tǒng)算法的幅度信息提取能力有限。利用波形面積數(shù)值積分方法進行能譜統(tǒng)計，獲得與直接比較法一致的結(jié)果，但能量分辨率略低，這是由于實驗中波形采集時的采樣率遠(yuǎn)高于信號的帶寬，有利于直接比較法。且對于單能的入射粒子來說，較小的射程歧離使電流脈沖強度峰值的彈道虧損較小，直接比較法獲得的脈沖幅度能較好表征事件能量。利用SRIM-2006計算得到的4.5～5.5 Me V的α粒子入射Si的射程與縱向歧離列于表3。可見，4.5～5.5 MeV的α粒子射程差為7.06μm。對于靈敏體積厚度為300μm的Si-PIN探測器，射程差占總厚度的比例約為2.4%，可認(rèn)為射程差對輸出脈沖幅度的影響較小。

表3 α粒子在Si中的射程與縱向歧離Table 3 Project range and longitudinal straggling ofα－particle in Si

圖7239Pu源α粒子測量5 000個事件的時間分布Fig.7 Time distribution of 5 000 measured events for239Puα－particle

4 結(jié)論

本文利用電流型Si-PIN探測器、電流型前置放大器和高帶寬示波器組建了電流型計數(shù)式α粒子測量系統(tǒng)，最大計數(shù)率達2×106s－1，能實現(xiàn)相應(yīng)計數(shù)率的脈沖輻射場的測量；電流型計數(shù)測量的計數(shù)率上限與探測器速度和測量中可接受的脈沖堆積程度相關(guān)，本文利用Si-PIN探測器建立的測量系統(tǒng)在堆積20%時計數(shù)率理論上限約為107s－1。在241Am－244Cm和239Pu源上開展實驗，獲得了α粒子入射探測器時產(chǎn)生的電流波形和入射時刻信息，實現(xiàn)了α粒子能量和入射時間分布的聯(lián)合測量。在能譜測量中，通過使用FIR和IIR等數(shù)字LPF算法對原始波形進行數(shù)字濾波，有效抑制了噪聲，得到了接近于傳統(tǒng)MCA的能量分辨率。

基于Si-PIN探測器的電流型計數(shù)測量方法適用于低強度脈沖輻射場測量，有望為大型物理研究設(shè)施的物理過程診斷提供有效測量手段。

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Current-mode-counting Measurement ofα－particle with Si-PIN Detector

TIAN Geng1，OUYANG Xiao-ping1，LIU Jin-liang1，LI Hai-tao1，ZHANG Xian-peng1，2，QU Hong－guang1
（1.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，China；2.School of Nuclear Science and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

The current-mode-counting measurement method was proposed to overcome the shortcomings of traditional counting system with Si-PIN detector such as relatively low count rate and the inconvenience of time information measurement of particles in low intensity pulsed radiation measurement.In the method，the pulse generated by Si-PIN detector as induced by incident particle was amplified linearly and then digitized at high speed，and the spectrum was acquired by digital signal processing algorithms with the waveform data.The current-mode-counting measurement system was developed with Si-PIN detector，current-sensitive preamplifier and wideband digital oscilloscope.Experiments were carried out with241Am-244Cm and239Pu sources，and spectra and time distributions of incidentα－particles were acquired.The energy resolution of spectra wasenhanced by FIR and IIR digital filters in data processing.The count rate is up to 2× 106s－1，and the system is suitable for the measurement of low intensity pulsed radiation field.

Si-PIN；current-mode-counting；α－particle measurement；digital filter；pulsed radiation field

O571.53；TN152

A

1000-6931（2015）09-1678-07

10.7538／yzk.2015.49.09.1678

2015-02-04；

2015-03-18

國家自然科學(xué)基金資助項目（11305129）

田 耕（1978—），男，河北保定人，高級工程師，碩士，從事脈沖射線束測量及核電子學(xué)研究