一種便攜式硅光電倍增器模塊及其在射線探測儀中的應用

張國青,高秀秀,劉漢臣

(西安工程大學 理學院, 陜西 西安 710048)

0 引 言

便攜式射線探測儀在核物理、高能物理、環(huán)境檢測等領(lǐng)域有重要應用,傳統(tǒng)的射線探測儀所用探頭多為氣體探測器[1-3]．這類探測器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點,然而由于該類探測器需要高工作電壓和玻璃腔體,在遭遇碰撞或震動時容易發(fā)生碎裂,長時間使用后,其真空度會下降,從而影響了探測器性能．文獻[4]報道的便攜式射線探測儀所用的探頭為玻璃腔體,并充有稀有氣體的蓋革計數(shù)器,需要上千伏的工作電壓,增加了電路的復雜程度,不易于體積微型化．因此,實際應用中希望發(fā)展和使用性能更好,更加結(jié)實耐用的探測器作為便攜式射線探測儀的探頭．雖然有文獻報道了采用離子注入技術(shù)研制的便攜式半導體核輻射儀[5],但這類探測器內(nèi)部沒有增益,使其檢測靈敏度受到一定限制．近年來得到迅速發(fā)展的SiPM[6-9],由于具有結(jié)實耐用,體積小巧,光子數(shù)分辨能力強,對磁場不敏感等優(yōu)點[10-12],在核探測、核醫(yī)學成像等領(lǐng)域逐漸得到了較為廣泛的應用[13-18]．文中研制了一種便攜式的SiPM模塊, 并將該模塊應用于便攜式射線探測儀中,對其主要參數(shù)性能進行測試,同時配合閃爍體,替代了商品化便攜式射線探測儀的探頭,對利用所研制的便攜式SiPM模塊進行射線探測的可行性進行了實驗研究．

1 實 驗

1.1 儀器

所用的SiPM型號為S12571-025C,日本濱松公司生產(chǎn)．射頻信號放大電路使用R25型射頻晶體管進行兩級放大．高壓電路使用XTHV-201P型高壓模塊,成都新核泰科公司生產(chǎn)．測試SiPM模塊輸出信號的特性使用了高速數(shù)字存儲示波器,型號DPO4102B-L,美國泰克公司生產(chǎn)．所用射線探測儀為便攜式乙丙種射線探測儀,型號為67型,北京核儀器廠生產(chǎn)．所用外置射頻低噪聲放大器電壓增益為40dB(推薦工作電壓下), 2 GHz帶寬,型號為HSA-Y-2-40,德國Femto公司生產(chǎn)．所用閃爍體為添加了鉈元素的碘化鈉閃爍體(NaI(TI)),尺寸10 mm(直徑)×10 mm(高),長沙蓋革電子科技有限公司生產(chǎn)．

1.2 原理與方法

所研制的便攜式SiPM模塊內(nèi)部工作原理圖如圖1所示,由SiPM探測器件、高壓電路、射頻信號放大電路、光收集接口、金屬屏蔽盒組成,光收集接口是標準視頻C接口,既可以接C接口的鏡頭,進行自由空間光探測,也可以通過C轉(zhuǎn)FC接口耦合FC光纖．SiPM探測器由高壓電路模塊加偏壓,工作電壓高于SiPM的擊穿電壓若干伏,使其工作在蓋革雪崩模式下[5]．SiPM輸出的雪崩脈沖信號通過串聯(lián)的50 Ω取信號電阻獲取,該信號通過低噪聲射頻信號放大電路進行放大,通過50 Ω特征阻抗的同軸電纜由BNC接口輸出信號,方便進行后續(xù)的放射事件計數(shù)或波形分析等操作．在偏壓電路中并聯(lián)的電容和串聯(lián)的電阻構(gòu)成阻容濾波器,用以濾除電子學噪聲,提高信號波形的信噪比．通過高速數(shù)字存儲示波器的集成測量功能選項可以測量SiPM模塊輸出的信號波形的上升下降時間、波形半高寬、暗計數(shù)率、最大光子計數(shù)率．通過自編的Labview程序獲取波形數(shù)據(jù)可以對SiPM模塊的增益等參數(shù)進行測量和分析．SiPM模塊的輸出雪崩脈沖的增益可以使用示波器的波形面積測量功能對時間窗口內(nèi)的波形面積進行積分來獲得．該雪崩脈沖信號可以用電流I或電壓V隨時間t變化的函數(shù)I(t)或V(t)表示．將I(t)或V(t)對時間積分后,即可得到電脈沖信號對應的輸出電荷量Q,即

(1)

式中:Rs是負載(取信號)電阻值；A是電壓波形的積分值,即波形面積值.很顯然,在Rs一定的情況下,Q和波形積分值A(chǔ)成正比,兩者具有一一對應的關(guān)系;

將式(1)除以一個載流子的電量e(即元電荷的電量),就能得到器件的增益G的大小,即

(2)

在用數(shù)字示波器或ADC測量波形時,實際獲得的是離散序列值,波形面積值A(chǔ)可以由式(3)獲得[17]:

(3)

式中:V(ti)是在時間點ti測量的電脈沖波形信號的電壓值,Δt是采樣時間間隔,Ta和Tb分別是采樣時間的起始時刻和終止時刻．

為了提高增益測量的置信度,通常對一系列波形面積值A(chǔ)進行直方圖統(tǒng)計,從而獲得平均增益．

圖 1 SiPM模塊的內(nèi)部工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of internal working principle of the SiPM module

為了研究利用SiPM模塊進行射線探測的可行性,給模塊裝配了碘化鈉(NaI(TI))閃爍體,用以將輻照到閃爍體的射線轉(zhuǎn)換為SiPM可響應的熒光[18]．所用碘化鈉閃爍體為10 mm×10 mm直徑的圓柱體,外用鋁合金工件包裹密封,防止受潮．碘化鈉閃爍體放入鋁制光耦合工件中,通過小透鏡與SiPM模塊光敏面耦合．將裝配了碘化鈉閃爍晶體的SiPM模塊替換一種商品化的便攜式射線探測儀的蓋革計數(shù)器探頭．為了達到射線探測儀輸入信號的接收閾值,將SiPM模塊輸出的信號,經(jīng)過一個外置的高倍射頻放大器進一步放大(本實驗所用放大器的放大倍數(shù)為100倍)．經(jīng)過放大后的信號與探測儀主機的信號輸入端相連,即可對60Co放射源的放射強度進行檢測,并與原配探頭的測量結(jié)果進行比較．通過調(diào)節(jié)SiPM模塊和外置射頻放大器的工作偏壓,可以改變SiPM模塊輸出脈沖的幅度,配合射線探測儀自身的閾值可以優(yōu)化射線探測儀的信噪比．這是因為射線在閃爍體中隨機激發(fā)產(chǎn)生脈沖光,當照射到SiPM的脈沖光信號弱到單光子量級時,其光子數(shù)分布遵循泊松分布[19]:

(4)

式中：pps(k)表示探測到k個光子的概率；s,b表示某種射線激發(fā)的光子到達SiPM模塊的平均光子數(shù)；η表示SiPM的光子探測效率；Kd表示暗計數(shù)．當發(fā)生N次射線脈沖事件時, 被SiPM探測到的預期事件數(shù)Ns為

(5)

圖 2 SiPM模塊輸出的雪崩信號的示波器波形截圖Fig.2 The oscilloscope waveform of the avalanche signal output from the SiPM module

式中：Th表示SiPM的等效光子數(shù)探測閾值．當沒有射線信號,由于噪聲而被誤判為有射線信號的預期事件數(shù)Nn為

(6)

將式(5)，(6)代入信噪比的定義式,得

(7)

則可以計算不同閾值下的信噪比．

2 結(jié)果與分析

圖2 為該SiPM模塊輸出雪崩信號的波形示波器截圖, 其中橫坐標每格為40 ns，縱坐標每格1 mV.從圖2中可見,脈沖波形有明顯的層次感和倍數(shù)關(guān)系,說明該模塊有良好的光子數(shù)分辨能力．一倍幅度的脈沖的幅度約2 mV,對應著一個探測到的光子．通過改變?nèi)肷涔馔?發(fā)現(xiàn)在光強不很強的情況下,信號脈沖的計數(shù)頻率隨著入射光通量的增加而增加,說明該模塊具有良好的單光子響應能力和光子計數(shù)能力．表1是測量得到的該SiPM模塊的主要的光電特性． 從表1和圖2可以看出SiPM模塊輸出的雪崩脈沖型號的上升時間和光響應脈沖半高寬(FWHM)均在納秒量級,說明SiPM的原始雪崩脈沖經(jīng)過模塊內(nèi)的射頻放大電路放大后沒有明顯失真[20]．其光響應度高達106V/W量級,最高光子計數(shù)速率可以達到80 MHz,而暗計數(shù)率在20 ℃和推薦偏壓下只有100 kHz左右,意味著該SiPM模塊具有較大的隨機脈沖計數(shù)動態(tài)范圍,適合于隨機的射線信號的探測．

表 1 便攜式硅光電倍增器模塊的光電特性

注：1,2項數(shù)據(jù)來自SiPM分立器件的出廠報告

圖 3 裝配了閃爍體的SiPM模塊對60Co放射源放射射線的響應信號Fig.3 The response of the SiPM module assembled with scintillator to the radioactive radiation of the 60Co radioactive source

圖3為裝配了碘化鈉閃爍體的SiPM模塊對60Co放射源放射的射線的響應信號的示波器截圖,其中橫坐標為每格200ns，縱坐標為每格5mV．從圖3中可以看出射線響應信號幅度遠高于左側(cè)的暗脈沖信號,說明SiPM模塊對60Co放射源發(fā)射的射線響應良好．當射線探測儀的相對閾值小于5倍的光子等效閾值[21]時,射線事件淹沒在SiPM模塊的暗計數(shù)中,無法分辨,當其相對閾值在5～8倍的光子等效閾值內(nèi)變化時,從主機儀表盤中讀出的放射強度約為0.07mR/hr,并保持穩(wěn)定,這一方面說明SiPM模塊在該幅度區(qū)間內(nèi)的輸出信號不是暗計數(shù),另一方面說明適當提高光子等效閾值可以提高信噪比．為了確認該放射強度讀數(shù)確實是由放射源造成的,將放射源移開并放入了一個鉛屏蔽盒,此時從主機儀表盤中讀出的放射強度在0.00～0.01mR/hr間,該讀數(shù)是射線探測儀的靈敏度極限,因此可以認為未檢測到有效的射線計數(shù)．為了與射線檢測儀的原配探頭進行比較,在輻射源方位和距離相同的條件下,換回原配探頭進行了相同的實驗．用原配探頭測得的結(jié)果約為0.09mR/h,兩者基本一致,說明用SiPM模塊測得的放射強度數(shù)值是可信的．而使用SiPM模塊的測量值偏小可能是由于閃爍體和SiPM的耦合效率低造成的,倘若使用光敏面積更大的SiPM,應該會提高與閃爍體的耦合效率,從而提高放射強度測量的準確度．

3 結(jié)束語

所研制的SiPM模塊性能良好,配合了閃爍體的SiPM模塊可以進行射線測量．裝配了碘化鈉閃爍體的SiPM模塊對60Co放射源放射的射線響應明顯,放射強度測量結(jié)果與用原配探測頭測得的結(jié)果基本一致,說明將SiPM模塊應用于便攜式射線探測儀是可行的．