基于MPPC和CsI(Tl)閃爍體的小型化γ劑量率測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

周煜杰，龔春慧，周 程，朱曉翔，劉 穎，王 鵬?，楊 毅

(1. 南京理工大學(xué) 環(huán)境與生物工程學(xué)院；2. 江蘇省化工污染控制與資源化高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室: 南京 210094;3. 江蘇省核與輻射安全監(jiān)督管理中心，南京 210019)

目前已有的輻射劑量?jī)x大部分使用GM計(jì)數(shù)管作為探頭，但GM計(jì)數(shù)管工作電壓較高，固有偏差較大，為保證劑量測(cè)量的準(zhǔn)確率而增加了GM計(jì)數(shù)管的體積[1]。因此，本文采用閃爍體探測(cè)器代替GM計(jì)數(shù)管，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)劑量率系統(tǒng)小型化與輕量化，選擇多像素光子計(jì)數(shù)器(multi-pixel photon counter，MPPC)，即硅光電倍增管(silicon photo multiplier，SiPM)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電倍增管(photo multiplier tube，PMT)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)[2]。與傳統(tǒng)光電倍增管相比，MPPC體積和重量大幅降低，工作電壓和功耗較低，適用于小型化便攜式設(shè)備[3-5]。此前已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)閃爍體和MPPC探頭進(jìn)行了深入研究，Berra等[6]和Moutinho等[7]分別將MPPC和閃爍光纖研制探測(cè)器，應(yīng)用于高能γ放射治療的實(shí)時(shí)劑量測(cè)量；林立等[8]利用SiPM和YSO∶Ce，BGO晶體，研制了一種用于場(chǎng)所的便攜式γ劑量?jī)x，在5～100 μSv ·h-1范圍內(nèi)具有較好的線(xiàn)性特性；李晨等[9]使用塑料閃爍體和MPPC制作劑量率監(jiān)測(cè)儀，在小型化方面取得了較好的效果，高劑量下較為穩(wěn)定，但在低劑量時(shí)偏差較大。本文旨在保持儀器小型化和低功耗的同時(shí)，使測(cè)量?jī)x在低劑量γ輻射條件下仍具有較高的測(cè)量精度。

為減小低劑量時(shí)的測(cè)量偏差，本文使用探測(cè)效率較高的CsI(Tl)閃爍體作為輻射探測(cè)材料，針對(duì)小型化劑量率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)要求，采用MPPC與CsI(Tl)閃爍體耦合制作劑量率測(cè)量?jī)x的探頭，設(shè)計(jì)探頭的配套硬件電路，并對(duì)設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，最終通過(guò)Arduino單片機(jī)處理后得到實(shí)時(shí)劑量率。使用137Cs放射源對(duì)制作完成的劑量率測(cè)量?jī)x進(jìn)行劑量率響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，新型劑量率測(cè)量?jī)x能對(duì)放射源的輻射劑量率進(jìn)行有效探測(cè)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1 方法與材料

1.1 劑量率測(cè)量方法

劑量率測(cè)量?jī)x測(cè)量輻射劑量率的原理一般是通過(guò)對(duì)電離輻射產(chǎn)生的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)并加以能量響應(yīng)校正，測(cè)量原理可表示為

D=kN

(1)

H=WRD

(2)

(3)

1.2 光電轉(zhuǎn)換器件

采用多MPPC作為光電轉(zhuǎn)換器件，MPPC具有十分優(yōu)秀的光子探測(cè)能力，可用于光子計(jì)數(shù)與弱光領(lǐng)域的光子探測(cè)[10]。每一個(gè)MPPC由多個(gè)像素組成，單個(gè)像素通常包含一個(gè)工作在蓋革模式下的雪崩二極管(avalanche photodiode，APD)與一個(gè)淬滅電阻。在一段選定的工作電壓范圍內(nèi)，MPPC的輸出電流信號(hào)與APD雪崩單元數(shù)成正比，存在線(xiàn)性關(guān)系。本文設(shè)計(jì)選用的MPPC為美國(guó)安森美公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的C-SERIES SIPM，傳感器尺寸為6 mm×6 mm，C-SERIES SIPM在25 ℃工作溫度下的參數(shù)指標(biāo)如表1所列。

表1 C-SERIES SIPM參數(shù)指標(biāo)Tab.1 C-SERIES SIPM parameters

1.3 CsI(Tl)閃爍體

CsI(Tl)閃爍體為無(wú)色透明的立方晶體，本文使用CsI(Tl)晶體長(zhǎng)為10 mm，寬為10 mm，高為7 mm。CsI(Tl)閃爍體折射率為1.79，衰減時(shí)間為1 000 ns，平均原子序數(shù)高，密度為4.53 g·cm-3,具有較好的γ阻止本領(lǐng)，抗輻照性能與均勻性較好，因此常被用于閃爍體探測(cè)器。與NaI晶體相比，CsI(Tl)晶體不易潮解，機(jī)械強(qiáng)度大，使用方便。CsI(Tl)閃爍體的主要發(fā)光峰位于550 nm[11]，與MPPC 300～950 nm的光譜響應(yīng)范圍匹配很好，在所有閃爍材料中與MPPC耦合時(shí)光輸出最大。

2 設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 探頭設(shè)計(jì)

探頭的設(shè)計(jì)制作過(guò)程主要為：首先，在CsI(Tl)閃爍體與MPPC表面均勻涂抹硅脂耦合劑，將CsI(Tl)閃爍體與MPPC耦合到一起，排除它們之間存在的空氣，減少全反射造成的光子損失；然后，在CsI(Tl)閃爍體表面包覆聚四氟乙烯反射膜增加閃爍光子的收集效率；其次，使用3D打印制作用于包覆在CsI(Tl)閃爍體和MPPC外側(cè)的不透光外殼，防止外部光線(xiàn)入射干擾的同時(shí)也對(duì)內(nèi)部的聚四氟乙烯反射膜起到一定的保護(hù)作用。探頭主要元件及探頭模塊外觀如圖1所示。

(a) CsI(Tl) scintillation

(b) MPPC

(c) Probe

2.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

使用Arduino單片機(jī)對(duì)探測(cè)信號(hào)輸出電路輸出的3.3 V脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，得到劑量率信息。圖2為程序流程圖。單片機(jī)將連續(xù)讀取信號(hào)輸入引腳的狀態(tài)，檢測(cè)到出現(xiàn)高電平時(shí)觸發(fā)中斷服務(wù)程序，獲得脈沖計(jì)數(shù)，將1 s內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)求和后存入儲(chǔ)存數(shù)組。可通過(guò)設(shè)置數(shù)組的長(zhǎng)度改變平滑時(shí)間，本文平滑時(shí)間設(shè)置為5 s，當(dāng)數(shù)組存滿(mǎn)后對(duì)數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)求平均即可得到計(jì)數(shù)率。使用計(jì)數(shù)率-劑量率轉(zhuǎn)換測(cè)試得到的擬合算法求出劑量率，最后顯示并存儲(chǔ)劑量率信息。

圖2 程序流程圖Fig.2 Flow chart of program

2.3 電路設(shè)計(jì)

圖3為電路總體設(shè)計(jì)框圖。本文設(shè)計(jì)的電路主要分為電源電路、信號(hào)放大電路和比較器電路。電源電路為整個(gè)電路系統(tǒng)供電，通過(guò)變壓芯片滿(mǎn)足電路各部分電壓需求，其中,信號(hào)放大電路需±5 V同時(shí)供電；信號(hào)放大電路用于放大探頭部分的輸出信號(hào)；比較器電路用于將放大后的信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，如信號(hào)幅度大于參考電壓，比較器將輸出3.3 V CMOS邏輯電平進(jìn)入Arduino單片機(jī)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。依據(jù)信號(hào)電路芯片設(shè)計(jì)帶寬、傳播時(shí)延、CsI(Tl)閃爍體衰減時(shí)間和MPPC響應(yīng)時(shí)間。在使用模擬信號(hào)輸入時(shí)，本文設(shè)計(jì)的γ輻射脈沖計(jì)數(shù)率理論最大值約為28 000 s-1。

圖3 電路總體設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Block diagram of circuit overall design

電源電路中的+5 V與+3.3 V穩(wěn)壓使用AMS1117穩(wěn)壓芯片，該芯片只有3個(gè)引腳，分別為輸入、輸出和接地，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)能力和有效的噪聲抑制性能，使用方便。+28 V升壓與-5 V變壓均采用開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源，轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、不易發(fā)熱及穩(wěn)壓范圍較寬[12]，適用于小型化劑量率測(cè)量?jī)x的硬件電路。+28 V升壓電路使用MT3608電流模式升壓轉(zhuǎn)換芯片，典型內(nèi)部參考電壓Vref=0.6 V。為得到更好的電壓濾波，需在輸入輸出端放置22 μF電容。放大器所需的-5 V電壓由以TPS6735IDR芯片為核心構(gòu)成的負(fù)電源電壓產(chǎn)生電路提供，TPS6735IDR芯片能輸出固定-5 V直流電壓，在輸入電壓較低的情況下能達(dá)到足夠的輸出電流。輸入和GND之間使用一個(gè)1 μF陶瓷電容和一個(gè)47 μF的旁路電容，最大限度地提高抗噪聲能力。

探測(cè)信號(hào)輸出電路由信號(hào)放大電路和比較器電路組成，如圖4所示。該電路硬件設(shè)計(jì)的目的是放大探頭模塊，使其能探測(cè)到γ射線(xiàn)輻照后MPPC輸出的微弱信號(hào)，得到線(xiàn)性放大的輸出信號(hào)，再通過(guò)比較器幅度甄別后轉(zhuǎn)換為數(shù)字邏輯脈沖，輸入單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)脈沖的計(jì)數(shù)。放大器使用AD8531單軌道軌對(duì)軌輸入和輸出放大器。為方便比較器對(duì)輸入信號(hào)的幅度進(jìn)行比較，信號(hào)放大電路采用同相放大設(shè)計(jì)，探頭模塊的輸出信號(hào)從放大器同相輸入端輸入，通過(guò)調(diào)整反饋電阻R4和補(bǔ)償電阻R5的大小調(diào)整電路的增益，獲得合適的放大倍數(shù)。為防止MPPC處過(guò)大的電壓損壞信號(hào)放大器電路，在MPPC輸出端與信號(hào)放大器電路的輸入端之間放置隔直電容C1。放大器輸出與比較器輸入端之間放置隔直電容C2，電阻R6幫助隔直電容C2放電，防止存在較高的偏置電壓導(dǎo)致比較器一直輸出高電平，無(wú)法進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。比較器使用MAX9140，經(jīng)放大器放大的信號(hào)從比較器的同相輸入引腳輸入，通過(guò)調(diào)整R7與R8阻值的比值來(lái)確定參考電壓，幅度大于參考電壓的信號(hào)將觸發(fā)比較器輸出3.3 V電平，并輸入單片機(jī)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，防止誤計(jì)數(shù)。

圖4 探測(cè)信號(hào)輸出電路Fig.4 Detection signal output circuit

2.4 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

測(cè)試主要分為硬件電路信號(hào)測(cè)試和劑量率響應(yīng)測(cè)試。

硬件電路信號(hào)測(cè)試內(nèi)容包括探頭模塊輸出信號(hào)波形與信噪比測(cè)量、放大器信號(hào)仿真、信號(hào)放大電路輸出信號(hào)波形與信噪比測(cè)量、比較器輸出信號(hào)測(cè)量及整體硬件電路功耗測(cè)量。在探測(cè)信號(hào)輸出電路中選取3個(gè)信號(hào)測(cè)量位置，如圖4所示。①為探頭模塊輸出信號(hào)，測(cè)量信號(hào)幅度與脈沖寬度，通過(guò)獲得的信號(hào)幅度與信號(hào)噪聲幅度的比可計(jì)算得出信噪比。當(dāng)噪聲一定時(shí)，信噪比與輸入信號(hào)幅度成正相關(guān)，表示為

(4)

其中:Vs為信號(hào)有效幅度；Vn為噪聲電壓有效幅度。信號(hào)放大電路需將探頭模塊的輸出信號(hào)放大，使用NI Multisim對(duì)信號(hào)放大電路進(jìn)行模擬仿真，調(diào)整放大器反饋電阻和補(bǔ)償電阻，得到合適放大增益的放大器輸出信號(hào)仿真波形圖，在仿真中添加噪聲，檢驗(yàn)增加噪聲后是否能看到明顯的信號(hào)脈沖波形。②為信號(hào)放大電路輸出信號(hào)，測(cè)量信號(hào)幅度與脈沖寬度，計(jì)算信噪比，與探頭模塊輸出信號(hào)進(jìn)行比較確定信號(hào)放大電路功能是否正常。③為比較器的輸出信號(hào)，測(cè)試當(dāng)放大器輸出的信號(hào)幅度大于比較器設(shè)定的參考電壓時(shí)，是否輸出數(shù)字邏輯電平輸入單片機(jī)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。最后對(duì)電路功耗進(jìn)行測(cè)量，使用雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源調(diào)整輸入電壓至電路最佳工作狀態(tài)，計(jì)算電路總功率。

硬件電路信號(hào)測(cè)試完成后對(duì)設(shè)計(jì)的小型化劑量率測(cè)量?jī)x進(jìn)行劑量率響應(yīng)測(cè)試，分為計(jì)數(shù)率-劑量率轉(zhuǎn)換和平方反比測(cè)試。通過(guò)劑量率測(cè)量原理可得脈沖計(jì)數(shù)率與劑量率成正比，使用Arduino單片機(jī)對(duì)來(lái)自比較器的3.3 V脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)已知的輻射場(chǎng)劑量率進(jìn)行刻度，擬合出本文計(jì)數(shù)率與劑量率的轉(zhuǎn)換關(guān)系。使用137Cs放射源與標(biāo)準(zhǔn)劑量率測(cè)量?jī)x測(cè)量137Cs放射源距標(biāo)準(zhǔn)劑量率測(cè)量?jī)x5～20 cm處的劑量率，測(cè)量間距為1 cm，探測(cè)器探頭均正對(duì)放射源，取多次測(cè)量的平均值。標(biāo)準(zhǔn)劑量率測(cè)量?jī)x使用CM5001 X，γ輻射巡檢儀，該儀器采用金屬薄壁GM探頭，劑量率測(cè)量范圍為10-9～10-3Sv·h-1，能量范圍為0.03～3 MeV，相對(duì)偏差小于等于5%，具有良好的能量響應(yīng)。將本文設(shè)計(jì)的劑量率測(cè)量?jī)x在相同距離上得到的計(jì)數(shù)率與標(biāo)準(zhǔn)劑量率測(cè)量?jī)x進(jìn)行擬合即可得到計(jì)數(shù)率-劑量率轉(zhuǎn)換關(guān)系。最后，使用137Cs放射源對(duì)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)率-劑量率轉(zhuǎn)換的小型化劑量率測(cè)量?jī)x進(jìn)行距離平方反比測(cè)試，選取放射源不同距離位置測(cè)量得到的劑量率，同樣取多次測(cè)量的平均值以減小測(cè)量偏差，并對(duì)劑量率隨距離的變化關(guān)系進(jìn)行擬合。

3 結(jié)果分析討論

3.1 硬件電路測(cè)試結(jié)果

圖5為探頭輸出信號(hào)波形。由圖5可見(jiàn)，探頭模塊輸出信號(hào)的脈沖寬度約為2 μs，上升沿寬度為0.2～0.5 μs，信號(hào)幅度約為80 mV，噪聲幅度小于5 mV。計(jì)算得到探頭模塊輸出信號(hào)的信噪比約為24 dB。探頭模塊輸出的信號(hào)幅度與信噪比都較低，信號(hào)放大電路需將信號(hào)放大5倍以上。

圖5 探頭輸出信號(hào)波形Fig.5 Probe output signal waveform

使用NI Multisim對(duì)信號(hào)放大電路進(jìn)行模擬仿真，設(shè)定輸入信號(hào)幅度為60 mV。調(diào)整放大器反饋電阻和補(bǔ)償電阻，最后確定反饋電阻為3 kΩ，補(bǔ)償電阻為1 kΩ，仿真后得到信號(hào)放大電路輸出波形，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，信號(hào)脈沖高度約為400 mV，在增加噪聲后依然能看到明顯的信號(hào)脈沖波形。

(a) Without noise

(b) With noise

信號(hào)放大電路實(shí)際的輸出信號(hào)波形如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，信號(hào)幅度大于450 mV，最大能達(dá)到480 mV，信號(hào)放大6倍。信號(hào)脈沖寬度與上升沿寬度不變，信號(hào)噪聲幅度小于5 mV，最大信噪比在40 dB左右，平均信噪比也可達(dá)到36 dB。從探頭模塊到放大器電路的信號(hào)放大性能良好。

圖7 信號(hào)放大器實(shí)際的輸出信號(hào)波形Fig.7 Experimental output waveform of the signal amplifier circuit

比較器輸出信號(hào)波形如圖8所示。當(dāng)放大器輸出的信號(hào)幅度大于比較器設(shè)定的參考電壓時(shí)，比較器經(jīng)甄別后輸出幅度為3.3 V的CMOS邏輯電平，脈沖寬度為0.6～0.8 μs，輸入單片機(jī)觸發(fā)中斷服務(wù)程序進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，得到脈沖計(jì)數(shù)率。當(dāng)電路處于正常工作狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)壓穩(wěn)流電源顯示電壓為5.2 V，電流為0.02 A，電路總功率為104 mW。電路功耗較低，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖8 比較器輸出信號(hào)波形Fig.8 Output signal waveforms of comparator

3.2 劑量率精確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

計(jì)數(shù)率-劑量率轉(zhuǎn)換測(cè)試后得到的數(shù)據(jù)存在明顯的線(xiàn)性關(guān)系，如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，存在放射源的條件下計(jì)數(shù)率約為101.65～27 000 s-1，與實(shí)驗(yàn)預(yù)期接近，轉(zhuǎn)換后劑量率為0.36～195.66 μSv·h-1。線(xiàn)性擬合結(jié)果為

y=0.007 24x-0.419 51

(5)

其中：y為劑量率，μSv·h-1；x為計(jì)數(shù)率，s-1。線(xiàn)性擬合優(yōu)度R2為0.999 2。單片機(jī)可通過(guò)該轉(zhuǎn)換關(guān)系將脈沖計(jì)數(shù)率轉(zhuǎn)換為輻射劑量率，且相對(duì)偏差小于5%，測(cè)量精度優(yōu)良。

圖9 計(jì)數(shù)率與劑量率的擬合曲線(xiàn)Fig.9 Fitting curve of counting rate and dose rate

圖10為劑量率隨放射源與儀器距離的變化關(guān)系。為體現(xiàn)儀器在低劑量時(shí)的探測(cè)精度，使用活度較低的137Cs放射源進(jìn)行測(cè)試。由圖10可見(jiàn)，探測(cè)劑量率同放射源與儀器的距離符合平方反比規(guī)律，擬合優(yōu)度R2為0.994 81，具有較高的一致性。表明，本文設(shè)計(jì)的小型化劑量率測(cè)量?jī)x在低劑量情況下能對(duì)放射源的輻射劑量率進(jìn)行有效探測(cè)，對(duì)輻射劑量率有較高精度的響應(yīng)。

圖10 劑量率隨距離的變化關(guān)系Fig.10 Dose rate vs. distance

4 結(jié)論

本文以MPPC與CsI(Tl)閃爍體為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制作了探測(cè)器探頭和適用于小型化劑量率測(cè)量?jī)x的硬件電路，并測(cè)試了硬件電路的相關(guān)性能。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能有效放大來(lái)自探測(cè)器探頭中MPPC的輸出信號(hào)，最大信號(hào)幅度為480 mV，最大信噪比為40 dB，噪聲抑制性能良好，能通過(guò)比較器輸出3.3 V的CMOS邏輯電平，避免誤計(jì)數(shù)。使用單片機(jī)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)率-劑量率轉(zhuǎn)換算法擬合后得到輻射劑量率，劑量率響應(yīng)測(cè)試表明該劑量率測(cè)量?jī)x對(duì)放射源的探測(cè)工作正常，且精度較好，劑量率測(cè)量最大值為200 μSv·h-1，相對(duì)偏差小于5%，電路總功耗為104 mW。

本文設(shè)計(jì)的小型化劑量率測(cè)量?jī)x滿(mǎn)足低電壓，低功耗，較高的脈沖信號(hào)幅度與信噪比等設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可看到MPPC作為新型光電倍增器件在劑量率測(cè)量?jī)x小型化和低功耗輻射探測(cè)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。