大面積高靈敏度編碼相機(jī)探測(cè)器的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

李 巖 王 強(qiáng) 黃先超 帥 磊 曹大泉 張譯文 楊 曜,3 胡選侯梁秀佐,3 吳 俊 曾國強(qiáng) 章志明,3

1（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610059）

2（中國科學(xué)院高能物理研究所北京市射線成像技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心 北京 100049）

3（中國科學(xué)院大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100049）

核事故及核活動(dòng)的失控具有廣域性、災(zāi)難性、長期性的特征，如何有效對(duì)放射性物質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、快速的監(jiān)測(cè)，防止放射性物質(zhì)進(jìn)入我國領(lǐng)土，是核輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。γ相機(jī)廣泛應(yīng)用于核設(shè)施，以在給定的視野內(nèi)定位輻射源，以幫助進(jìn)行凈化、維護(hù)、修理或退役［1］。傳統(tǒng)的孔徑編碼γ相機(jī)一般由較小的位置靈敏探測(cè)器（γ事例數(shù)據(jù)獲?。?shù)據(jù)采集卡（模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化以及傳輸）以及上位機(jī)軟件（圖像重建）組成［2-3］。然而由于其探測(cè)面積較小，探測(cè)效率較低，無法對(duì)移動(dòng)的放射源進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，高靈敏度編碼孔徑γ射線成像系統(tǒng)進(jìn)一步增大了探測(cè)效率，可遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)輻射熱點(diǎn)實(shí)時(shí)定位，給出放射性分布情況的二維實(shí)時(shí)圖像。近些年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、田納西大學(xué)和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制了一款小型船載γ射線成像系統(tǒng)［4］，用于打擊海上非法核材料走私，有效探測(cè)面積為0.74 m2；美國加利福尼亞大學(xué)等單位研制了一款車載核輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)RadMAP［5］，它包含了一套基于編碼孔徑的γ射線成像系統(tǒng)，探測(cè)器的有效面積為1.03 m2，但是他們均未公布具體的技術(shù)細(xì)節(jié)。目前，國際上針對(duì)高靈敏度γ射線成像技術(shù)的研究主要是通過增加探測(cè)器的有效探測(cè)面積實(shí)現(xiàn)。本文中的探測(cè)器是根據(jù)之前中國科學(xué)院高能物理研究所研制的γ相機(jī)的探測(cè)器尺寸以及成像能力來研制的［6］，之前研制的γ相機(jī)的探測(cè)器面積為45.6 mm×45.6 mm，晶體條的長度為10 mm。將1.12×106Bq的137Cs點(diǎn)源放置在γ相機(jī)的正前方1 m處，其成像時(shí)間為100 s，而高靈敏度γ相機(jī)的成像時(shí)間在相同情況下至少降低50倍，即探測(cè)器的探測(cè)效率要增大至少50倍，考慮到性能和成本，設(shè)計(jì)了一款基于CsI（Tl）晶體陣列耦合光電倍增管（PhotoMultiplier Tube，PMT）陣列的探測(cè)面積為330 mm×330 mm的高探測(cè)效率以及高位置分辨的探測(cè)器，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，評(píng)價(jià)該探測(cè)器系統(tǒng)用于高靈敏度編碼孔徑γ相機(jī)的可行性。

1 探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及測(cè)試系統(tǒng)

CsI（Tl）晶體是一種具有高光輸出較高密度的晶體，光子數(shù)產(chǎn)額為54 keV-1，發(fā)射光譜峰位波長為550 nm。CsI（Tl）晶體相對(duì)其他晶體有較多的優(yōu)點(diǎn)：1）密度較高，射線阻止本領(lǐng)強(qiáng)，探測(cè)效率較高；2）CsI（Tl）晶體無自發(fā)放射性，LYSO（Ce）、LuAG（Pr）等閃爍晶體中含有自發(fā)的放射性，會(huì)引起誤觸發(fā)，降低探測(cè)器的探測(cè)下限［7］；3）CsI（Tl）晶體光輸出高，有利于提高信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）和能量分辨率；4）隨著制作工藝的發(fā)展，CsI（Tl）晶體的成本也越來越低，其性價(jià)比較高。因此，本文將基于CsI（Tl）晶體陣列開展位置靈敏探測(cè)器的設(shè)計(jì)工作。

1.1 CsI(Tl)晶體陣列與PMT陣列

CsI（Tl）晶體陣列由11×11根晶體組成，每根晶體條的尺寸為15 mm×15 mm×15 mm，晶體之間用高反膜隔開，晶體陣列表面用聚四氟乙烯包裹，整個(gè)晶體陣列尺寸為167.5 mm×167.5 mm×15 mm。

光電轉(zhuǎn)換器件為北京濱松公司生產(chǎn)的CR-173PMT，其增益為2.7×105，光陰極直徑為46 mm，輸入最大電壓為1 500 V。將9根PMT放進(jìn)由聚四氟乙烯材質(zhì)做成的固定外殼中拼成3×3的PMT陣列，相鄰PMT之間的間距為56.5 mm，整個(gè)固定外殼的面積為169 mm×169 mm。在晶體和PMT陣列之間填充了一塊20 mm厚的井型玻璃光導(dǎo)，通過光學(xué)硅脂將晶體陣列和閃爍體陣列耦合在一起，這有利于提高光分配的均勻性，并且減少了PMT在拼接過程中間隔造成的光子損失。一共4個(gè)探測(cè)器模塊，組成2×2的陣列，整個(gè)探測(cè)器為22×22的閃爍體陣列，36路PMT信號(hào)輸出。最后將四個(gè)探測(cè)器模塊放進(jìn)鋁制外殼中進(jìn)行避光和固定，如圖1所示。

1.2 前端讀出電子學(xué)設(shè)計(jì)以及測(cè)試系統(tǒng)

由于CR-173PMT的增益相對(duì)較小，離散定位電路（Discretized Positioning Circuit，DPC）［8］和均勻電荷分配電路（Symmetric Charge Division Circuit，SCDC）［9］都會(huì)降低信號(hào)的信噪比，且會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，故讀出電子學(xué)采用獨(dú)立的36路放大濾波以及單端轉(zhuǎn)差分電路，如圖2所示。雖然這種方式會(huì)導(dǎo)致通道數(shù)較多，但是相比較其他的前端電路設(shè)計(jì)，其信噪比最佳且不會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。

圖1 探測(cè)器整體示意圖Fig.1 Schematic diagram of the detector system

PMT陣列共輸出36路陽極信號(hào)，通過36路獨(dú)立放大電路進(jìn)行放大，經(jīng)過放大后的信號(hào)，為了便于后端的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，同時(shí)抑制信號(hào)噪聲，通過Sallen-Key電路進(jìn)行濾波成型處理［10］。考慮模擬讀出電路和數(shù)據(jù)采集卡是使用線纜進(jìn)行連接，為了降低共模干擾，在濾波成型電路之后再加一個(gè)單端轉(zhuǎn)差分電路，可以很大程度降低共模干擾，電路原理圖如圖3所示。

圖2 前端電路原理Fig.2 Schematic of front-end circuit

圖3 放大、Sallen-Key濾波成型以及單端轉(zhuǎn)差分電路Fig.3 Schematic of amplification,Sallen-Key filtering and single-to-differential conversion circuit

探測(cè)器性能的測(cè)試系統(tǒng)由探測(cè)器模塊、數(shù)據(jù)采集卡以及上位機(jī)數(shù)據(jù)處理3部分組成，整個(gè)邏輯處理過程如圖4所示。36路能量信號(hào)經(jīng)過放大、成型等處理后，進(jìn)入項(xiàng)目組自主研發(fā)的高速連續(xù)采樣系統(tǒng)中（該數(shù)據(jù)采集卡可同時(shí)采集64通道的模擬信號(hào)，在本論文中，只用到了36通道）。其中，數(shù)據(jù)采集卡的ADC采樣率為40 MHz，將前端模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣，并傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）進(jìn)行計(jì)算，然后通過千兆網(wǎng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端處理。36路信號(hào)共分為4個(gè)模塊，每個(gè)模塊獨(dú)立地計(jì)算位置信息以及能量信息。各個(gè)模塊（A、B、C、D）的PMT編號(hào)如圖5所示。以模塊A為例，散點(diǎn)圖位置（x，y）和沉積能量E可由式（1）～式（3）得到。

圖4 探測(cè)器模塊測(cè)試系統(tǒng)Fig.4 The testing system of detector module

圖5 光電倍增管編號(hào)圖Fig.5 The diagram of photo multiplier tube number

2 主要性能測(cè)試與討論

2.1 位置分辨能力

探測(cè)器系統(tǒng)的位置分辨能力指的是各個(gè)晶體條相互區(qū)分開來的能力，探測(cè)器散點(diǎn)圖能夠反映出探測(cè)器的位置分辨性能。在測(cè)試的過程中，處于室溫環(huán)境下，PMT的工作電壓為-1 100 V，前端模擬電路以及高速數(shù)據(jù)采集卡由±5 V線性電源供電。放射源采用活度為9.25×105Bq的137Cs點(diǎn)源，置于晶體陣列正前方40 cm。在662 keV的γ射線激發(fā)下，第一個(gè)探測(cè)器模塊的散點(diǎn)圖以及x、y軸投影圖如圖6所示。圖6中每個(gè)點(diǎn)與晶體條一一對(duì)應(yīng)，從圖6中可以看出各個(gè)晶體單元都可以實(shí)現(xiàn)很好的分辨，x軸投影的平均峰谷比為3.73：1，y軸投影的平均峰谷比為3.69：1。

2.2 能量分辨

在測(cè)試晶體條陣列的位置分辨能力時(shí)，同時(shí)獲取各個(gè)晶體條的能譜。在137Cs點(diǎn)源放出662 keV的γ射線激發(fā)下，晶體陣列單根晶體條能譜如圖7所示，邊緣位置晶體條的能量分辨率為11.8%，中心位置晶體條的能量分辨率為9.1%，平均能量分辨率為9.4%。

2.3 峰位一致性

探測(cè)器模塊的峰位一致性表示各個(gè)晶體條對(duì)相同能量γ射線的響應(yīng)情況。第一個(gè)模塊各個(gè)晶體條對(duì)137Cs點(diǎn)源放出的662 keV的能譜峰位如圖8所示。圖8中的數(shù)字表示該晶條的峰位道址，其中最大的道址為509道，最小的道址為258道。從圖8還可以得知中間某些晶體條的峰位相比較其周邊明顯較小，這主要是由PMT增益一致性的差異造成的，而邊緣晶體條相比較中間晶體條的峰位普遍較小是由于邊緣晶體對(duì)光的收集不完全引起的。從各個(gè)晶體條的峰位來看，其差異較大。在編碼孔徑γ相機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中會(huì)對(duì)能窗進(jìn)行選擇，如果不進(jìn)行峰位一致性校正，則會(huì)造成真實(shí)事例的丟失，即探測(cè)效率的下降，進(jìn)而影響成像效果，因此需要將各個(gè)晶體條進(jìn)行能譜峰位一致性的校正。

2.4 探測(cè)效率一致性

將3.7×107Bq的137Cs點(diǎn)源置于距離第一個(gè)模塊晶體陣列正中心2 m處，為了反映探測(cè)器陣列對(duì)662 keV γ射線的探測(cè)效率一致性的情況，數(shù)據(jù)采集程序的能量閾值為500～800 keV，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。圖9中數(shù)字表示每個(gè)晶體條的光子計(jì)數(shù)，該模塊中單根晶體條最大光子計(jì)數(shù)為438，最小為230。從圖9可以看出探測(cè)器模塊邊緣部分的晶體探測(cè)效率較低，這是由于邊緣的晶體單元對(duì)光的收集不完全導(dǎo)致其信號(hào)幅度較小，達(dá)不到能窗的閾值，因此計(jì)數(shù)較小，后續(xù)會(huì)在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行校正。

圖6 第一個(gè)探測(cè)器模塊的二維散點(diǎn)圖以及x軸、y軸投影圖Fig.6 Two-dimensional flood images,x-axis projection and y-axis projection of the first detector

圖7 邊緣晶體條(a)和中間晶體條(b)的137Cs能譜Fig.7 137Cs energy spectrum of single crystal strip at the edge position(a)and in the intermediate position(b)

圖8 第一個(gè)探測(cè)器模塊的峰位一致性Fig.8 Peak position uniformity of the first detector module

圖9 第一個(gè)探測(cè)器模塊探測(cè)效率一致性Fig.9 Detection efficiency uniformity of the first detector module

2.5 討論

SiPM的增益一致性好，對(duì)于晶體陣列的探測(cè)效率一致性以及峰位一致性會(huì)有更好的效果，且采用單根晶體條耦合單片SiPM的讀出方式，不存在分光求取位置信息，可直接讀取該事例發(fā)生在具體某根晶體條上，進(jìn)而減小了事例誤判造成的噪聲。目前完成了單路的設(shè)計(jì)，單根15 mm×15 mm×15 mm的CsI（Tl）晶體單元耦合單片SensL公司生產(chǎn)的C-60035單點(diǎn)型SiPM。測(cè)試系統(tǒng)使用的是ORTEC的主放（型號(hào)為572）、多道脈沖幅度分析儀以及Maestro-MCB軟件，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示能量分辨率為13.5%，能譜圖如圖10所示。能量分辨率滿足高靈敏度編碼相機(jī)的探測(cè)器要求，后續(xù)會(huì)繼續(xù)完成整體探測(cè)器系統(tǒng)的研制以及性能的評(píng)價(jià)工作。

圖10 662 keV γ射線激發(fā)下能譜Fig.10 Energy spectrum under 662 keV gamma ray excitation

3 結(jié)語

為了進(jìn)一步提高編碼孔徑γ相機(jī)的探測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位放射性物質(zhì)，本文研制了高靈敏度編碼相機(jī)的探測(cè)器系統(tǒng)，并對(duì)探測(cè)器系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：該探測(cè)器系統(tǒng)在位置分辨、能量分辨率、峰位一致性以及探測(cè)效率一致性等關(guān)鍵性能上能滿足高靈敏度編碼相機(jī)成像的需求。完成了基于SiPM的單路前端探測(cè)器的研制，并對(duì)其能量分辨率進(jìn)行了測(cè)試，在能量分辨率方面滿足孔徑編碼γ相機(jī)的要求。