γ能譜儀探頭設計方案的改進

摘 要：隨著化石燃料迅速消耗，石油勘探難度日益增大，相關領域對γ測井技術的要求也越來越高。在實際應用中，傳統γ能譜儀的探頭存在著功耗較大、性能較低和體積較大等缺點。針對這種情況，文章對常用的探頭選擇方案進行了論證，從而確定了以CsI（Tl）晶體匹配APD的方式設計探頭，并介紹了CsI（Tl）晶體與APD的選型，為γ能譜儀的應用提供了參考依據。

關鍵詞：CsI晶體；雪崩二極管；γ射線能譜儀；探頭選型

在γ能譜儀的應用中，探頭的性能決定了能譜儀的能量分辨率、靈敏度和穩定性等，而傳統探頭通常采用無機閃爍晶體與PMT相匹配的方式，這種方式存在著諸多不足：PMT的工作電壓較高，功耗相對較大，在測井環境中易造成信號短路，若設計或使用不當，存在被電擊的風險；PMT為真空易碎器件，實際測井過程中常伴隨劇烈震動，易使其損壞；PMT的體積相對較大，不適合應用于小井眼探測領域；一些閃爍晶體（例如NaI晶體）吸濕性強，受溫度梯度影響顯著，易導致嚴重的能譜漂移。

針對上述情況，結合γ測井技術的實際要求，文章從γ能譜儀探頭的尺寸、能量分辨率、探測效率、耐高溫特性、穩定性和抗機械振動性的角度出發，提出了以CsI（Tl）晶體匹配APD的方式設計探頭，并對CsI（Tl）晶體和APD的選型進行了詳細闡述。

1 常見探頭匹配方式

常規γ探頭種類繁多，可分為光直接讀出和間接讀出兩種方式。直接讀出方式中，半導體探測器直接將吸收的γ射線轉變為電信號，例如：SiPIN探測器、CdZnTe探測器等。間接讀出方式中，探測器須與光電轉換器件配合使用，例如NaI（Tl）閃爍晶體匹配光電倍增管PMT，碘化銫CsI閃爍晶體分別匹配SiPIN/APD/SiPM，以及LaBr3匹配APD等方式[1]。

1.1 CsI匹配SiPIN

優點：SiPIN厚度薄，體積小，但其光學探測靈敏面積較大，測井時無需組合陣列。

缺點：（1）SiPIN無光學放大倍數，輸出信號小，信噪比低，信號讀出電路復雜，出譜效果差；（2）SiPIN與CsI匹配時光耦合要求高，易導致較大的光損失；（3）SiPIN須在低溫下使用，以確保較好的分辨率，不符合深井高溫環境對探測器的要求。

1.2 CsI匹配APD

優點：（1）在閃爍光譜范圍內，APD的量子效率很高（～80%），一般是PMT量子效率的五倍以上；（2）APD所需的偏置電壓通常在300V左右，功耗比PMT低，體積小，滿足小井眼測井要求；（3）APD內置增益通常在100左右，信噪比高，能譜分辨率高，且APD輸出信號較大，信號讀出電路簡單。

缺點：APD最大可做到中等面積（如RMD公司生產的13mm×13mm的Si-APD），測井時仍需要多個APD組合陣列。對于市場主流的Si-APD，靈敏面積最大為10mm×10mm，如日本濱松Hamamatsu公司S8664系列Si-APD，加拿大EGG OPTOELECTRONICS公司C30703FH系列Si-APD等。

1.3 CsI匹配SiPM

優點：SiPM緊湊耐用，無需高壓偏置，具有較大的增益（一般為105～106），輸出信號幅值大，便于后級電路設計，同時SiPM時間響應快，時間抖動小，適于做時間能譜測量。

缺點：（1）SiPM內部由多個APD陰極并聯，暗電流大，能量分辨率差（SiPM的能量分辨率低于APD，但高于PMT）；（2）SiPM成本較高，無大面積產品，測井時仍需多個SiPM組合陣列測量。經過市場調研發現，SiPM的靈敏面積最大為10mm×10mm，如RMD公司的SS223-3CS12系列Si-PM。當前主流的Si-PM靈敏面積一般為6mm×6mm，如德國KETEK的PM6660/C30742-66型SiPM，愛爾蘭SensL公司B/C系列的SiPM，美國Excelitas公司C30742-66系列SiPM等。

1.4 LaBr3匹配PMT/APD/SiPM

優點：分辨率好，高低溫性能穩定，適用于核素識別。

缺點：LaBr3自身帶138La和227Ac系固有放射性本底，會導致對自然放射性U、Th、K的能譜測量不準確，尤其是1.46MeV干擾峰對地層中40K的探測產生干擾，不適用于自然γ能譜測井。

1.5 CdZnTe探測器

優點：在使用CdZnTe半導體探測器時，不需要配合光電器件，可直接將高能γ射線轉變為電信號，信噪比和能量分辨率較高，溫度特性好，體積小。

缺點：（1）目前國內的CdZnTe探測器無法做到較大體積（不超過10mm×10mm×10mm），在實際測井中對238U、232Th、40K高能射線的探測效率較低，無法滿足測井的需求；（2）CdZnTe半導體探測器存在電荷捕獲效應，被測γ射線能量越高，分辨率越低，且CdZnTe價格昂貴。因此，CdZnTe探測器在現階段還無法滿足γ能譜測井的需求。

2 探頭設計方案

綜合上述幾種常規探頭的優缺點，結合當前自然γ能譜測井工程的實際需要，從體積、高溫特性和抗振性能的角度，NaI（Tl）匹配PMT的方式須排除。LaBr3自帶本底，導致能譜測量不準確，須排除。自然γ能譜測井的對象1.76MeV（238U）、2.62MeV（232Th）和1.46MeV（40K），CdZnTe探測器不適于1MeV以上γ射線的探測，須排除。表1列出了常規γ能譜測量探測器性能[2]。

綜合上述情況，APD可以達到中等面積，且信噪比高，能量分辨率好。雖然測井時需陣列組合，但相比其他匹配方式而言，在天然γ能譜測井方案中CsI（Tl）匹配APD仍屬較好的選擇，具有重要的研發意義。因此，文章采用CsI（Tl）匹配APD作為小井眼γ能譜儀的探頭。

3 探頭的選型

3.1 CsI晶體選型

CsI閃爍晶體是目前發光最亮的無機閃爍體之一，其密度大，平均原子序數高，主要用于高能γ射線和帶電重粒子的探測[3]。主要類型有：純CsI、摻鉈CsI（Tl）和摻鈉CsI（Na）。

物理性質方面，CsI閃爍晶體無色透明，透光性好，密度4.51g/cm3，熔點621℃，沸點1280℃。CsI閃爍晶體非常柔軟，無解理面，晶體不易破裂，適合在測井、太空研究以及其他存在劇烈震動的環境中使用。CsI閃爍晶體具有輕微吸濕性，使用時宜保持環境干燥，避免水源或者潮濕環境，實驗環境越潮濕且暴露時間越長，CsI閃爍晶體的閃爍發光能力越弱。從吸濕性來看，CsI（Na）的吸濕性最為嚴重，CsI（Tl）較輕微，純CsI的吸濕性最弱。

發光成分方面，純CsI晶體發光的主峰位為305nm（10ns），占發光成分的80%。純CsI輻照強度大，不易受輻照損傷。在三種CsI晶體中，純CsI晶體必須低溫下使用，常溫或高溫環境，光產額極低，不適用于測井。CsI（Na）發光的主峰位為420nm（630ns），粒度大小對CsI（Na）影響較為顯著，在粒度增至20μm時，420nm處發光增強，當粒度減小至納米級時，420nm處發光減弱，通過CsI（Na）粒度的選擇可有效抑制慢分量305nm，增強快分量420nm，使其與PMT達到良好的光譜匹配，發光效率可達NaI（Tl）的85%。CsI（Tl）發光的主峰位為560nm（0.6μs），慢成分為410nm（3.5μs），主要發光在長波區，非常適宜與Si-PD/APD進行光譜匹配，其與Si-PD匹配時發光效率可達NaI（Tl）的145%，且CsI（Tl）發光基本不受粒度大小的影響。

光產額受溫度的影響方面，CsI閃爍晶體的熱穩定性較強，但閃爍發光能力受溫度梯度影響較大，且摻雜與否會導致CsI晶體受溫度的影響大不相同。室溫下純CsI晶體相對光產額（RLT）很低，當溫度降低，純CsI晶體的RTL會顯著增加，溫度低至-77℃以下時，其RTL與NaI（Tl）相近或甚至更好。當溫度在-90℃～25℃范圍內時，CsI（Tl）和CsI（Na）閃爍晶體隨溫度的升高RTL增大，溫度小于-30℃時，CsI（Na）的RLT略高于CsI（Tl），溫度大于-30℃時二者的RLT基本相等，當溫度增加至25℃～35℃時RLT達到最大值，若溫度持續到35℃之后，RLT隨溫度繼續升高而降低。

對比CsI（Tl）、CsI（Na）、CsI（Na）易吸濕性，CsI（Tl）較微弱的多。從發光效率看，CsI（Tl）與Si-PD組合優于CsI（Na）與PMT組合。因此，從光譜匹配而言，Si-APD對于420nm的波段探測效率較低，而對于摻Tl的560nm波段探測效率則較高，綜合考慮選擇摻Tl。CsI（Tl）之所以優于CsI（Na）成為當前僅次于NaI（Tl）應用最廣泛的閃爍探測之一，從上面發光特性和吸濕性兩個方面均可看出。

綜合上述情況，本設計采用日本Hamamatsu公司生產的10mm×10mm×10mm柱體CsI（Tl）閃爍晶體，出光面做研磨處理，其余五面做成0.4mm的反射層，反射層采用Teflon反射膜與晶體表面緊密結合。

3.2 APD的選型

3.2.1 選型標準

針對不同的光探測需要，選擇最合適的雪崩光電二極管APD，通常需要從以下三個方面考慮：（1）確定所需要探測的光譜范圍，選擇能工作于此光譜范圍下的APD，確定APD的類型。一般商用APD適用的光譜范圍在300nm～1700nm之間，不同的APD類型其光譜響應范圍略有差異，如硅（Si）APD介于300nm～1100nm，鍺（Ge）APD介于800nm～1600nm，砷化鎵（InGaAs）APD介于900nm～1100nm。由于本設計中CsI（Tl）閃爍晶體的發光主峰為560nm（0.6μs）和410nm（3.5μs），所以APD的類型確定為Si-APD。（2）確定所設計能譜系統中探測器的最小尺寸，選擇最小尺寸對應光敏面積的APD，這比采用大面積Si-PIN或者APD更符合光傳輸的特點，同時性價比更高。本設計采用的CsI（Tl）閃爍晶體為Hamamatsu公司10mm×10mm×10mm的立方體，其出光面面積為10mm×10mm，因此從光探測效率考慮，選用同面積（10mm×10mm）的Si-APD可得到最佳匹配。（3）確定系統的頻帶寬度，所選APD的截止頻率應大于系統頻率，如果小于系統頻率，將降低系統的信噪比。

從能量分辨率的影響因素考慮，反向電壓型APD的選型方法有如下幾種：（1）APD的靈敏面積：在有條件的情況下，應盡可能選擇光靈敏面積大的APD。（2）CsI閃爍晶體與APD的耦合比例：當APD的靈敏面積和閃爍晶體的光耦合面積達到最佳匹配，方可得到最佳分辨率。（3）APD結電容：在靈敏面積和量子效率相差不大的情況下，結電容為最重要的因素，應選擇結電容小的APD。

3.2.2 型號的確定

針對實際測井需要，為提高探測效率，文章設計主要參考市面上主流的幾款大面積反向型的Si-APD，如日本濱松Hamamatsu公司的S8664-1010和S8664-55型APD，加拿大Perkin Elmer公司的C30703E/F型APD，美國Excilitas公司的C30739ECERH、C30703FH和C30626FH型APD等，其性能參數見表2。

由表2可知，六款APD在560nm處的量子效率相近且非常高（接近于85%），偏壓低于擊穿電壓時，增益范圍均在50～150，且能量響應范圍均能滿足CsI（Tl）發光光譜的需求。從靈敏面積、暗電流和偏置電壓上看，S8664-1010、C30703FH和C30703E/F靈敏面積在六款中最大（10mm×10mm），暗電流較小，偏置電壓相近。設計最終選擇日本Hammatsu公司的S8664-1010型Si-APD，S8664-1010已經在核電子學、光學、高能物理等眾多領域用于光信號讀出的實驗設計，性能穩定，試驗效果基本滿足需求。考慮到同為Hamamatsu公司出品的CsI（Tl）閃爍晶體，為獲得最佳光譜匹配度，本設計最終選擇靈敏面積為10mm×10mm的S8664-1010型Si-APD，作為10mm×10mm×10mmCsI（Tl）閃爍晶體的光電轉換器件。

4 結束語

文章以CsI（Tl）閃爍體匹配APD的方式設計了γ能譜儀的探頭，彌補了傳統探頭體積大、探測效率低、機械性能差以及易受磁場干擾等缺點。通過分析不同型號的CsI（Tl）閃爍體與APD，選取了日本Hamamatsu公司生產的10mm×10mm×10mm的CsI（Tl）閃爍體與靈敏面積為10mm×10mm的S8664-1010型SiAPD光學耦合作為探頭，為γ能譜儀探頭的設計提供了參考依據。

參考文獻

[1]黃銳.基于雪崩二極管的碘化銫能譜讀出設計[D].成都理工大學，2015.

[2]何景棠，陳端保，李祖豪，等.新型雪崩光電二極管和CsI（Tl）閃爍體組成的閃爍探測器[J].核電子學與探測技術，1996，16（2）：87-90.

[3]Raffaele Scafe，Roberto Panib，Rosanna Pellegrinib. Livia Montania Si-APD readout for LaBr3：Ce scintillator[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 571，2007：355-357.

作者簡介：李元東（1989-），男，山東乳山人，在讀碩士生，從事核輻射探測與核電子學研究。