一種基于SiPM的具有高能量分辨率的緊湊型溴化鑭γ譜儀

石伯軒，劉立業(yè)，曹勤劍，夏三強，王曉龍

(1.中核環(huán)保工程有限公司, 北京 100191； 2.中國輻射防護研究院, 太原 030006)

基于光電倍增管(photomultiplier tube，簡稱PMT)的LaBr3:Ce γ譜儀具有比NaI(Tl)γ譜儀更高的能量分辨率，逐漸成為輻射監(jiān)測領(lǐng)域常用的設(shè)備之一。但其具有體積大、對磁場敏感、需要高電壓等缺點。最近開發(fā)的硅光電倍增管(SiPM)具有與PMT相近的增益和效率，同時具有諸如高定時分辨率、抗磁場能力強、低偏壓和緊湊尺寸等優(yōu)良特性[1-2]。SiPM已在基于飛行時間技術(shù)的正電子發(fā)射斷層掃描(TOF-PET)、高能物理(HEP)、高能快速伽馬成像、天體物理和光譜學[3]上得到成熟應(yīng)用。因此將LaBr3:Ce閃爍體和SiPM陣列組合是緊湊型γ譜儀的理想解決方案，但SiPM同時存在暗噪聲、串擾和增益易受溫度影響等缺點[4]。因此本文將LaBr3:Ce晶體與SiPM陣列耦合，設(shè)計研制了一款基于SiPM的緊湊型LaBr3:Ce γ譜儀，通過降噪、優(yōu)化工作電壓等措施改善SiPM的缺點對γ譜儀性能的影響。

1 材料和方法

1.1 探測器

由中國科學研究院提供的φ12.7 mm×25.4 mm的LaBr3：Ce晶體，出廠測試的環(huán)境溫度為25 ℃條件下，采用PMT光電倍增管的能量分辨率為2.89%@662 keV。配置SiPM對信號進行收集和放大，LaBr3：Ce晶體與SiPM之間用光學潤滑脂耦合，并用鋁殼封裝，探測器結(jié)構(gòu)如圖1所示。后端電路包括為SiPM提供偏置電壓的電源模塊。信號處理儀器采用的是ORTEC公司的digiBASE-E型數(shù)字多道，上升時間設(shè)置為0.75 μs，道數(shù)為1 024道，如圖2所示。

SiPM尺寸為φ13 mm×13 mm的4×4陣列,生產(chǎn)廠家推薦的工作電壓為54 V。SiPM的結(jié)構(gòu)如圖3所示。SiPM的像素單元是由雪崩光電二極管(avalanche photodiode,簡稱APD)和串聯(lián)的淬滅電阻構(gòu)成[5]，大量線路連接的像素單元以二維形式排列組成。

圖1 基于SiPM的LaBr3:Ce探測器

圖2 ORTEC公司的digiBASE-E型數(shù)字多道

圖3 SiPM的實物圖和電路結(jié)構(gòu)

1.2 電源電路設(shè)計

電源電路為SiPM提供工作電壓，在實驗室利用示波器得到的不同工作電壓下SiPM的增益如圖4所示。在環(huán)境溫度為25 ℃、相對濕度為40%條件下，利用Cs-137源進行γ譜測量，不同工作電壓下662 keV全能峰的中心道址如圖5所示。

圖4 工作電壓與增益關(guān)系

圖5 工作電壓與662 keV中心道址關(guān)系

對圖4進行線性擬合，得到SiPM工作電壓與增益關(guān)系式為：

G=5×105U-3×107

(1)

式中，G為增益；U為電壓,V；相關(guān)指數(shù)R2=1。

對圖5進行線性擬合，得到SiPM工作電壓與662 keV中心道址關(guān)系式為：

N=198.75U-10571.57

(2)

式中，N為中心道址；U為電壓，V；相關(guān)指數(shù)R2=0.994 1。

根據(jù)公式(1)可以得出，單位工作電壓下的增益變化值為5×105;根據(jù)式(2)，工作電壓每改變10 mV，中心道址將變化2道。由此可見，工作電壓對SiPM的增益和γ譜中的道址影響很大。因此要求電源的輸出電壓精度在mV以內(nèi)，輸出電壓的噪聲盡可能小。設(shè)計的電源電路如圖6所示，包括將5 V電壓升到工作電壓的升壓電路、輸出電壓的微調(diào)電路和CLC π型降噪濾波器，輸出電壓范圍50～70 V，輸出電壓精度±10 mV。

圖6 電源電路

2 實驗結(jié)果

2.1 降噪實驗

CLC π型降噪濾波器的功能是利用其對直/交流阻抗的不同特性，將輸出電壓中的高頻紋波進行濾除。輸出電壓設(shè)定值為54 V,未設(shè)置濾波器前，輸出電壓的紋波噪聲約為40 mV，信噪比為62.6 dB。設(shè)置濾波器后，紋波噪聲約為10 mV,信噪比為74.64 dB。濾波前后噪聲的脈沖波形如圖7所示。

圖7 濾波前后噪聲的脈沖波形

2.2 最佳工作電壓確定

SiPM的工作電壓主要對增益、串擾和暗計數(shù)有較大影響[6-8]，SiPM生產(chǎn)廠家給出的工作電壓與串擾、暗計數(shù)間關(guān)系如圖8和圖9所示[9]。能量分辨率最小值對應(yīng)于表示暗噪聲、串擾、光電探測效率和SiPM增益之間折衷的最佳工作電壓。通過實驗給出環(huán)境溫度25 ℃、相對濕度40%環(huán)境下，不同工作電壓對應(yīng)662 keV全能峰的能量分辨率，如圖10所示。環(huán)境溫度25 ℃、相對濕度40%環(huán)境下，最佳工作電壓為54.8 V,對應(yīng)662 keV的能量分辨率為3.06%，相應(yīng)的測量譜如圖11所示。

圖8 串擾發(fā)生概率與工作電壓關(guān)系[9]

圖9 暗計數(shù)與工作電壓關(guān)系[9]

圖10 工作電壓與能量分辨率(662 keV)關(guān)系

圖11 工作電壓為54.8 V的Cs-137 γ譜

3 結(jié)論

將LaBr3:Ce晶體與SiPM陣列耦合，設(shè)計研制基于SiPM的緊湊型LaBr3:Ce γ譜儀，通過降噪、優(yōu)化工作電壓等措施改善SiPM的缺點對γ譜儀性能的影響。通過設(shè)計無源濾波電路CLC π型濾波器，工作電壓的信噪比從未降噪前的62.6 dB提高到74.64 dB；通過實驗給出不同工作電壓下能量分辨率，確定最佳工作電壓為54.8 V，該電壓下的能量分辨率為3.06%(@662 keV)，結(jié)果與使用光電倍增管(PMT)測量的2.89%非常接近。研制的基于SiPM的緊湊型溴化鑭γ譜儀可以應(yīng)用在光譜個人輻射探測器(SPRD)和手持式輻射監(jiān)測設(shè)備上，也可以應(yīng)用在核設(shè)施源項調(diào)查、核反恐和核事故中輻射監(jiān)測，以及核醫(yī)學劑量測量等要求設(shè)備體積小、功耗低以及抗電磁干擾的場景中。