大面積塑料閃爍體適合閾值電壓研究

陳久濤 宋玉收 許蕤 宋潤州 陳聲強(qiáng)

（哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 哈爾濱 150001）

塑料閃爍體的能譜沒有全能峰，通常不用于光譜學(xué)研究，主要用于輻射水平計(jì)數(shù)。其具有衰減時間短、響應(yīng)快、成本低等特點(diǎn)，常用于γ 檢測。大面積塑料閃爍體探測器應(yīng)用廣泛，在核電站等場所出入口的人員放射性監(jiān)測、車輛污染監(jiān)測、大型工具污染測量及反恐放射性測量等輻射儀器上普遍采用大面積塑料閃爍體［1-2］，用于鑒別物品是否存在放射性污染。通常采用塑料閃爍體與光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）組合的方式進(jìn)行輻射探測［3］，塑料閃爍體在射線作用下發(fā)光，光子收集進(jìn)入PMT收集，轉(zhuǎn)換為電信號。信號進(jìn)入后續(xù)處理電路中，處理電路包括信號放大電路和比較電路，最終將信號接入計(jì)數(shù)器，記錄高于閾值電壓的脈沖信號個數(shù)［4］，待后續(xù)相關(guān)研究。

大面積塑料閃爍體的尺寸比PMT 光陰極尺寸大很多時，要實(shí)現(xiàn)對光子的有效收集和不同位置光子的收集效率一致性較好并不簡單［5-6］。由于收集端對不同位置光子的收集效率不同，導(dǎo)致入射在不同位置的射線最終在PMT 陽極輸出的信號的大小也不同。當(dāng)閾值電壓確定時，由于入射在大面積塑料閃爍體不同位置的射線產(chǎn)生的信號大小不同，存在探測效率一致性差異。

大面積塑料閃爍體探測器對不同位置（特別是遠(yuǎn)離收集端）入射的射線有效探測的同時，減小不同位置探測效率一致性差異，盡可能降低探測器的最小可探測活度，選取合適的閾值電壓，成為有待研究的問題。

本文采用大面積塑料閃爍體探測器模塊，利用CAEN DT5742 數(shù)字化儀，采集了本底信號和60Co、137Cs 源在大面積塑料閃爍體不同位置的信號，通過峰值提取算法得到本底能譜和60Co、137Cs 源在大面積塑料閃爍體不同位置的能譜，對探測器進(jìn)行了康普頓邊緣（Compton Edge，CE）能量刻度［7］，根據(jù)本底能譜與60Co源在大面積塑料閃爍體不同位置下的能譜，結(jié)合處理電路的信號放大關(guān)系確定了合適閾值電壓。基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套計(jì)數(shù)器系統(tǒng)，研究了在不同閾值電壓下，60Co 源在大面積塑料閃爍體不同位置的探測效率，和60Co、133Ba源在遠(yuǎn)離收集端的最小可探測活度的關(guān)系，結(jié)果證明了根據(jù)能譜信息和處理電路的信號放大關(guān)系計(jì)算出合適閾值電壓的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 能譜采集

為確定合適的閾值電壓，需要先獲取大面積塑料閃爍體本底能譜和60Co源在大面積塑料閃爍體不同位置的能譜。

采用CAEN DT5742數(shù)字化儀，用于脈沖信號采集；采樣率2.5 GHz，測量范圍0～1 V，分辨率12 bits，采集范圍偏置可調(diào)。采用的塑料閃爍體，衰減時間為2.5 ns，光產(chǎn)額為10 156 MeV-1；大小為400 mm×300 mm×50 mm；PMT為北京濱松CR105型；實(shí)驗(yàn)所用放射源：放射源60Co 的活度為7 100 Bq，放射源137Cs 的活度為3.3×105Bq，放射源133Ba 的活度為2.6×105Bq。將PMT 陽極信號接入DT5742 數(shù)字化儀采集通道，對本底和60Co、137Cs源在大面積塑料閃爍體三個不同位置的信號進(jìn)行采集。

將PMT陽極信號接入DT5742數(shù)字化儀采集通道，對本底和60Co、137Cs源在大面積塑料閃爍體三個不同位置的信號進(jìn)行采集。

本底及60Co、137Cs 源在大面積塑料閃爍體三個位置的信號，133Ba源只采集了位置1處的信號，放射源信號的采集時間均為3 min。其中，采集放射源信號時，利用準(zhǔn)直器進(jìn)行準(zhǔn)直，三個位置示意圖如圖1所示。

圖1 檢測位置示意圖Fig.1 Schematic of detection positions

位置1為遠(yuǎn)離收集端位置，位置2為探測器的中間位置，位置3靠近探測器收集端?？紤]到DT5742數(shù)字化儀自身可能存在基線漂移、老化等原因，需要對DT5742數(shù)字化儀進(jìn)行標(biāo)定。

1.2 閾值電壓確定

以60Co 源數(shù)據(jù)為例，通過大面積塑料閃爍體本底能譜和60Co源在大面積塑料閃爍體三個不同位置的能譜，得到放大前的合適閾值電壓，結(jié)合處理電路的信號放大關(guān)系，確定最終放大后的合適閾值電壓。

處理電路由放大電路、濾波成型電路、電壓比較電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路組成。其中，放大電路的作用是將大小相近的脈沖信號區(qū)分開，放大后的信號進(jìn)入比較電路，與單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）外設(shè)提供的比較電壓進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對放大后的信號過閾檢測，這里的比較電壓即為放大后的閾值電壓。放大后的閾值電壓大小由處理電路的放大關(guān)系和放大前的閾值電壓確定。在放大電路中，電荷靈敏前置放大器的輸出幅度usc表示為：

其中：K為運(yùn)算放大器開環(huán)增益；Q為輸入電荷量；CF為反饋電容；Ci為電荷靈敏前置放大器輸入端的等效電容；usc為電荷靈敏前置放大器的輸出電壓幅度；usr為電荷靈敏前置放大器的輸入電壓幅度。開環(huán)增益足夠大時，放大器的輸出基本不受探測器極間電容、放大器開環(huán)時輸入電容和電壓增益等參數(shù)的影響，穩(wěn)定性高［8-9］，只與探測器的輸出電荷Q和反饋電容CF有關(guān)，最終輸出電壓［10］可表示為：

信號的電荷量Q與射線能量E成正比，當(dāng)PMT輸出的信號的脈沖寬度很?。ㄋ芰祥W爍體的信號持續(xù)時間通常很短，在幾十納秒左右），且脈沖寬度和脈沖形狀基本一致的情況下，脈沖信號的電荷量Q近似與脈沖幅度成正比。

為了進(jìn)一步確定放大線性關(guān)系，對放大電路進(jìn)行標(biāo)定。先利用示波器觀察塑料閃爍體探測器在有無60Co 源條件下，陽極輸出的脈沖信號的大小及形狀，利用信號發(fā)生器，發(fā)出與大面積塑料閃爍體探測器脈沖寬度一致，大小不同，幅度在合理范圍的脈沖信號，并接入處理電路，用示波器觀察記錄放大后信號的大小，得到處理電路的信號放大關(guān)系，即放大前的閾值電壓與經(jīng)放大后的閾值電壓關(guān)系。

1.3 信號計(jì)數(shù)

為了研究在不同閾值電壓下的大面積塑料閃爍體的探測效率，設(shè)計(jì)了一套計(jì)數(shù)系統(tǒng)，采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F429為主控芯片，用作計(jì)數(shù)器。

塑料閃爍體探測器PMT 陽極輸出的脈沖信號經(jīng)過處理電路，最終生成3.3 V、脈寬為10 μs的TTL信號，將TTL 信號接入單片機(jī)的IO 口，進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，并在LCD 屏上顯示計(jì)數(shù)率。以在位置2 的60Co源計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)為例，計(jì)數(shù)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 計(jì)數(shù)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of counting system

1.4 最小可探測活度

最小可探測活度（Minimum Detectable Activity，MDA）計(jì)算公式采用國際原子能機(jī)構(gòu)（International Atomic Energy Agency，IAEA）標(biāo)準(zhǔn)［11-13］，計(jì)算式為：

式中：k為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布單邊置信因子（kα=kβ）；α通常取0.05，k取1.645；nb為本底計(jì)數(shù)率；ts為測量樣品時間10 s；tb為測量本底時間60 s；F為探測器校準(zhǔn)因子，即單位放射源單位放射性活度在探測器中產(chǎn)生的計(jì)數(shù)率counts·s-1·Bq-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 能量刻度

探測器需要進(jìn)行能量刻度。以60Co、137Cs 源在大面積塑料閃爍體位置1 的能譜為例，進(jìn)行康普頓邊緣能量刻度［7］，其中，采集的單個脈沖信號如圖3所示。

圖3 塑料閃爍體單個脈沖信號Fig.3 Single pulse signal of plastic scintillator

信號脈沖寬度，包括PMT 上升時間、分壓器輸出RC 時間常數(shù)、渡越時間和下降時間的貢獻(xiàn)［14］?？灯疹D邊緣的能量Eemax［15］計(jì)算式表示為：

式中：Eγ為γ 射線能量；m0c2是電子靜止質(zhì)量，康普頓邊緣對應(yīng)道址［16］計(jì)算式表示為：

式中：nc為康普頓邊緣對應(yīng)道數(shù)值；np為高斯擬合后的康普頓峰值對應(yīng)的道址；σ為高斯擬合后的標(biāo)準(zhǔn)偏差。擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 放射源在大面積塑料閃爍體位置1能譜擬合示意圖(a) 60Co，(b) 137CsFig.4 Energy spectrum fitting curve for source in large-area plastic scintillator at position 1 (a) 60Co，(b) 137Cs

根據(jù)圖4（a）高斯擬合結(jié)果np=197；σ=58.6，由式（5）計(jì)算得出康普頓邊緣的道址為265道，康普頓邊緣的能量為1.038 MeV（其中60Co源發(fā)射的γ射線能量取Eγ=1.25 MeV）；根據(jù)圖4（b）高斯擬合結(jié)果np=94；σ=68.2，由式（5）計(jì)算得出康普頓邊緣的道址為173 道，康普頓邊緣的能量為0.476 MeV（其中60Co源發(fā)射的γ 射線能量取Eγ=0.662 MeV）。對其進(jìn)行能量刻度有：

2.2 能譜與閾值電壓

利用DT5742 數(shù)字化儀采集了大面積塑料閃爍體本底和60Co、137Cs 源在大面積塑料閃爍體三個不同位置的信號，采用脈沖幅度提取算法，繪制大面積塑料閃爍體本底能譜和60Co源在大面積塑料閃爍體三個位置的能譜，如圖5所示。

圖5 大面積塑料閃爍體本底能譜和放射源在大面積塑料閃爍體不同位置下的能譜 (a) 60Co，(b) 137CsFig.5 Background and source energy spectrum for different position of large area plastic scintillatorr (a) 60Co，(b) 137Cs

由圖5（a）可知，60Co 源在大面積塑料閃爍體位置1與位置2能譜形狀基本一致，但位置2能譜的康普頓峰所在位置略微大于位置1能譜的康普頓峰的位置；在300～600道內(nèi)，由于位置3靠近收集端，產(chǎn)生計(jì)數(shù)的信號大小理論更大，單個信號收集到的光子數(shù)理論上高于位置1和位置2，所以位置3的能譜計(jì)數(shù)在300～600道內(nèi)，高于其余兩處位置。

由圖4（b）可知，137Cs 源在大面積塑料閃爍體不同位置能譜圖測試結(jié)果與60Co源類似。137Cs源在位置1能譜與位置2能譜形狀基本一致，位置2能譜的康普頓峰所在位置略微大于位置1能譜的康普頓峰的位置；在125～200道內(nèi)，由于位置3靠近收集端，產(chǎn)生計(jì)數(shù)的信號大小理論更大，單個信號收集到的光子數(shù)理論上高于位置1和位置2，位置3的能譜計(jì)數(shù)也高于其余兩處位置。需要注意的是在150～350道內(nèi)，本底計(jì)數(shù)高于137Cs源在不同位置的計(jì)數(shù)，這是由于測量時間不同所導(dǎo)致的，本底測量時間大于137Cs源的測量時間。

以60Co 源實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，根據(jù)大面積塑料閃爍體本底能譜和60Co源在大面積塑料閃爍體不同位置的能譜，確定合適的閾值電壓。由圖5可知，隨著道址的增加，本底能譜計(jì)數(shù)整體呈下降趨勢，60Co源在大面積塑料閃爍體三個不同位置的能譜計(jì)數(shù)，呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢，其中能譜計(jì)數(shù)上升這是由60Co源發(fā)出的γ射線貢獻(xiàn)所導(dǎo)致的，以134道為例，60Co 源在大面積塑料閃爍體三個位置的能譜計(jì)數(shù)從134道后開始上升，根據(jù)DT5742數(shù)字化儀標(biāo)定的結(jié)果，計(jì)算出134 道對應(yīng)的放大前的合適閾值電壓為34.5 mV。

由能譜信息計(jì)算得到的放大前的合適閾值電壓，根據(jù)處理電路信號放大關(guān)系，確定最終的放大后的合適閾值電壓。

根據(jù)信號發(fā)生器發(fā)出的不同大小的脈沖信號與經(jīng)過放大電路后示波器輸出的對應(yīng)脈沖信號的大小關(guān)系，繪制放大線性關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 信號放大線性關(guān)系Fig.6 Signal-amplification linear relationship

擬合曲線，R2=0.999，結(jié)果表明，放大電路有很好的信號線性放大關(guān)系，可表示為：

式中：Vin為放大前的閾值電壓；Vout為放大后的閾值電壓。

根據(jù)式（7），即放大前的閾值電壓Vin與放大后的閾值電壓Vout的線性關(guān)系，由放大前的合適閾值電壓34.5 mV 計(jì)算最終放大后的合適閾值電壓為93.7 mV。

2.3 探測效率與閾值電壓

大面積塑料閃爍體的閾值電壓設(shè)置過高，射線入射在遠(yuǎn)離收集端時，由于遠(yuǎn)離收集端對光子收集效率相對較低，導(dǎo)致信號幅度低于閾值電壓，造成漏計(jì)數(shù)，導(dǎo)致探測器的探測效率降低［17］；閾值電壓設(shè)置過低時，提高了遠(yuǎn)離收集端的探測效率，同時提高了本底計(jì)數(shù)，導(dǎo)致本底標(biāo)準(zhǔn)差變大，提高最小可探測活度，影響探測下限。

利用單片機(jī)DAC 發(fā)出穩(wěn)定的電壓接入比較器中，即放大后的閾值電壓。分別將60Co 源放置在大面積塑料閃爍體三個不同位置，在不同的閾值電壓下，利用計(jì)數(shù)器，進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)。得到60Co源在大面積塑料閃爍體不同位置，不同閾值電壓下的探測效率的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 60Co源在大面積塑料閃爍體不同位置下閾值電壓與探測效率關(guān)系Fig.7 Relationship between the threshold voltage and detector efficiency for the 60Co source at different positions of the large-area plastic scintillator

分析：當(dāng)閾值電壓設(shè)置在50～100 mV 范圍時，60Co源在大面積塑料閃爍體三個位置的探測效率之間相差較小，探測效率一致性較好；閾值電壓在100～160 mV范圍內(nèi)時，三個位置的探測效率逐漸降低，這是由于脈沖信號小于閾值電壓導(dǎo)致計(jì)數(shù)降低，且60Co源在位置1與在其余兩個位置的探測效率偏差逐漸變大，這是位置1遠(yuǎn)離收集端，導(dǎo)致的探測效率低，且閾值設(shè)置偏高所導(dǎo)致的。表明此時探測效率均勻性較差。且對位置1的影響變化最為明顯。

結(jié)果表明：不同閾值電壓下，60Co 源在位置2 的探測效率最高。這是由于位置3 靠近收集端，入射在該區(qū)域的γ射線，在收集端的附近產(chǎn)生的光子，經(jīng)過反射，反而遠(yuǎn)離收集端，導(dǎo)致沒有被計(jì)數(shù)所導(dǎo)致的。位置2為閃爍體的中心位置，入射的γ射線在中心位置產(chǎn)生的光子，經(jīng)過反射，最終進(jìn)入收集端。位置1 由于遠(yuǎn)離收集端，光子部分損失在塑料閃爍體中，綜合以上因素，最終導(dǎo)致60Co源在大面積塑料閃爍體位置2 的探測效率最好，這一結(jié)果與探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。

2.4 MDA與閾值電壓

由前面分析可知，閾值電壓應(yīng)設(shè)置在50～100 mV范圍內(nèi)，此時大面積塑料閃爍體的探測效率一致性較好，60Co源在大面積塑料閃爍體位置1有較高的探測效率。為進(jìn)一步確定合適閾值電壓，下面研究不同閾值電壓下，60Co 源在大面積塑料閃爍體位置1 的MDA 和探測效率關(guān)系，尋找滿足較低MDA，較高探測效率對應(yīng)的閾值電壓。60Co 源在大面積塑料閃爍體位置1 時，不同閾值電壓與60Co 源在位置1的MDA關(guān)系如圖8所示。

圖8 閾值電壓與MDA和效率的關(guān)系Fig.8 Relationship between threshold voltage and MDA and efficiency

分析：當(dāng)閾值電壓較小時，60Co 源在位置1 的探測效率處于飽和，隨著閾值電壓升高，探測效率逐漸降低，是由于部分60Co源的γ 射線產(chǎn)生的信號較小，部分信號沒有過閾造成漏計(jì)數(shù)，導(dǎo)致探測效率降低。

MDA 呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。下降是由于隨著閾值電壓的上升，產(chǎn)生計(jì)數(shù)的信號更大，低本底和電子學(xué)噪聲的計(jì)數(shù)減少，本底的標(biāo)準(zhǔn)差變小，導(dǎo)致MDA 變??；上升是因?yàn)楫?dāng)閾值電壓過高時，降低了低本底和電子學(xué)噪聲計(jì)數(shù)的同時，部分較小的輻射信號計(jì)數(shù)也降低了，減小了探測效率，導(dǎo)致MDA升高。

根據(jù)圖8 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，閾值電壓在95 mV 附近時，60Co 源在位置1 的探測效率較好，MDA 較低，說明95 mV為合適閾值電壓。通過大面積塑料閃爍體本底能譜和60Co源在不同位置能譜和電路放大關(guān)系得出的合適閾值電壓為93.7 mV，二者相對誤差小于2%。綜上所述，通過對比本底能譜與60Co源在大面積塑料閃爍體不同位置的能譜和電路放大關(guān)系，確定合適閾值電壓的方法具有一定的可行性。

此外，在不同閾值電壓下，得到了大面積塑料閃爍體探測器對對133Ba源在位置1時，與MDA和探測效率的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 133Ba源閾值電壓與MDA和效率的關(guān)系Fig.9 Relationship between threshold voltage and MDA and efficiency for 133Ba source

由圖9結(jié)果可知，133Ba源在大面積塑料體位置1時，隨著閾值電壓的提升，MDA逐漸上升，探測效率逐漸降低，這是由于133Ba源放出的γ射線能量低，在該實(shí)驗(yàn)背景下，產(chǎn)生的信號小導(dǎo)致的，閾值電壓設(shè)置的值高于有效信號的幅度大小，所以沒有觀察到MDA先下降后上升的變化趨勢，這是由于探測器和電路本身所造成的，也是實(shí)驗(yàn)的不足之一，沒有在較低閾值電壓下，進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測試（實(shí)驗(yàn)采用的最低閾值電壓為52 mV）。

3 結(jié)語

大面積塑料閃爍體過閾檢測計(jì)數(shù)中，通過對比本底能譜和60Co源在大面積塑料閃爍體不同位置的能譜，結(jié)合處理電路的信號放大關(guān)系，確定了合適閾值電壓為93.7 mV。研究了在不同閾值電壓下，60Co源在大面積塑料閃爍體不同位置下的探測效率和最小可探測活度的關(guān)系，根據(jù)結(jié)果，確定出合適閾值電壓95 mV，二者相對誤差較小，證明了通過能譜信息和處理電路放大關(guān)系獲取的閾值電壓的可行性，在該閾值電壓下，60Co 源在大面積塑料閃爍體不同位置下的探測效率一致性較好，在遠(yuǎn)離收集端具有較低的最小可探測活度，實(shí)驗(yàn)具有一定的參考價值。

作者貢獻(xiàn)聲明陳久濤負(fù)責(zé)論文的總體研究，論文的編寫和修訂；宋玉收負(fù)責(zé)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)論文的編寫以及提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備；許蕤負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、提供實(shí)驗(yàn)所需的電子學(xué)器件；宋潤州負(fù)責(zé)搭建實(shí)驗(yàn)平臺，參與實(shí)驗(yàn)；陳聲強(qiáng)負(fù)責(zé)指導(dǎo)電子學(xué)設(shè)計(jì)。