SiPM-GAGG(Ce)探測器γ能譜穩(wěn)譜方法研究

雷文明,李京倫,艾憲蕓,肖無云,張濟鵬,肖 雄,張 斌,趙 瑋,王 英

(國民核生化災(zāi)害防護國家重點實驗室,北京 102205)

在核輻射監(jiān)測裝備中,閃爍體探測器具有價格低、常溫下使用、晶體尺寸大以及探測效率高等優(yōu)點,近年出現(xiàn)的釓鎵鋁石榴石(GAGG(Ce))閃爍體[1-4],具備高原子序數(shù)、高密度、高亮度、短光脈沖、耐潮解等優(yōu)點,在醫(yī)學(xué)成像中得到了深入研究。近些年,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,硅光電倍增管(SiPM)作為一種新型的光電轉(zhuǎn)換器件,相比光電倍增管(PMT)具有體積小、增益高、工作電壓低、抗磁性好等優(yōu)點,在高能物理、核醫(yī)學(xué)成像、安全檢測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。同時,SiPM響應(yīng)光譜與GAGG(Ce)晶體發(fā)光光譜匹配較好[7],量子效率高。因此,SiPM-GAGG(Ce)探測器可滿足低功耗便攜式小型化的核輻射監(jiān)測裝備設(shè)計需求,有望促成核輻射監(jiān)測技術(shù)的新發(fā)展和裝備的更新?lián)Q代。

但GAGG(Ce)晶體發(fā)光特性和SiPM電子增益均受溫度變化影響[8],為提高SiPM-GAGG(Ce)探測器的溫度響應(yīng)穩(wěn)定性,文獻[9-15]采用SiPM增益補償方式,研究了前置放大器倍數(shù)調(diào)節(jié)法、恒溫法、無源器件補償法、數(shù)控電壓補償法等方法。其中,前置放大器放大倍數(shù)調(diào)節(jié)方法在多通道讀出模塊中增加了電路的復(fù)雜性;恒溫法整體功耗過高、體積大,不利于設(shè)備便攜及小型化;無源器件補償法高溫時補償效果不明顯,無法針對整個探測器進行溫度補償。此外,主流商用SiPM因器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制造工藝的差異導(dǎo)致工作電壓相差較大,美國安森美(ONSEMI)公司生產(chǎn)的SiPM的反向擊穿電壓約為24.5 V;日本濱松生產(chǎn)的SiPM的反向擊穿電壓約為38 V或70 V;北京師范大學(xué)新器件實驗室的SiPM的擊穿電壓約為30 V;湖北京邦公司生產(chǎn)的SiPM的反向擊穿電壓約為25 V。因此,為滿足多家SiPM產(chǎn)品開發(fā)需求,SiPM的工作電源需較大的輸出動態(tài)范圍,同時具備低紋波和低噪聲性能。為此,本文在研究SiPM-GAGG(Ce)探測器溫度響應(yīng)基礎(chǔ)上,采用調(diào)節(jié)SiPM工作電壓方法,設(shè)計搭建一套增益補償系統(tǒng),并適配不同廠家的SiPM,驗證該探測器系統(tǒng)在γ能譜測量中的增益穩(wěn)定性效能。

1 探測器系統(tǒng)搭建和溫度補償系統(tǒng)設(shè)計

1.1 探測器系統(tǒng)搭建

探測器系統(tǒng)由探測器探頭、信號加和讀出模塊和電源3部分組成,如圖1所示。其中探測器探頭由φ2 in×2 in GAGG(Ce)晶體與8×8 SiPM陣列耦合構(gòu)成,溫度傳感器AD7416與SiPM陣列相鄰,可精確測量探測器溫度。信號加和讀出模塊由濾波成形電路、電阻網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成,通過SMB接口將信號傳輸給核輻射測量片上系統(tǒng)。

圖1 探測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Detector system structure

圖2 SiPM-GAGG(Ce)探測器Fig.2 SiPM-GAGG(Ce) detector

8×8 SiPM陣列的信號加和讀出板為無錫通透公司提供,SiPM型號為ONSEMI J60035,其中單片SiPM有效探測面積為6 mm×6 mm,相鄰SiPM的中心間距為6.33 mm,陣列外圍尺寸為50.64 mm×50.64 mm。GAGG(Ce)晶體由上海錦虹晶體材料有限公司提供。將GAGG(Ce)晶體與SiPM陣列用光學(xué)硅脂進行耦合,并通過3D打印盒子將其拼裝起來,最后用3M膠帶將探頭做避光處理,防止漏光。

1.2 電源系統(tǒng)設(shè)計

DC/DC電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實物如圖3、4所示,DC/DC電源系統(tǒng)選擇STM32系列的STM32F103ZET6作為主控芯片,主要由DAC模塊、溫度檢測模塊、I2C模塊、USB通訊模塊、ADC模塊、時鐘等組成控制系統(tǒng)。電源系統(tǒng)中的高壓模塊選用的是西安威思曼生產(chǎn)的MCE0.2P2VP5VM5LS12型高壓模塊,該高壓模塊輸入電壓+12 V,輸出電壓范圍為0～200 V,輸出最大功率2 W,溫度系數(shù)小于10 ppm/℃。輸出額定電壓前提條件下,紋波電壓的峰峰值為最高輸出電壓的0.001%。通過微控制器(MCU)的DAC模塊調(diào)節(jié)高壓模塊的基準(zhǔn)電壓,從而控制DC/DC電源的輸出電壓。高壓模塊的Vmon端通過射極跟隨器連接到MCU的ADC采集端,MCU通過采集DC/DC電源的輸出電壓判斷與給定值的差異,從而進一步調(diào)節(jié)DAC的輸出來穩(wěn)定電源的輸出,構(gòu)成反饋調(diào)節(jié)回路。

圖3 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Power supply system structure diagram

圖4 電源系統(tǒng)實物圖Fig.4 Power supply system physical diagram

1.3 實時溫度采集電路

SiPM-GAGG(Ce)探測器的增益隨溫度的升高而降低,隨偏置電壓升高而增加。為穩(wěn)定探測器的增益,必須設(shè)計溫度實時檢測電路,以便于MCU能實時通過溫度信息調(diào)節(jié)探測器的偏置電壓[16]。實時溫度檢測電路如圖5所示,溫度傳感器選擇的是美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的AD7416。其內(nèi)部包含帶隙溫度傳感器和10位模數(shù)變換器,可將感應(yīng)溫度轉(zhuǎn)換為0.25 ℃量化間隔的數(shù)字信號。AD7416片內(nèi)寄存器可進行高/低溫度門限的設(shè)置,當(dāng)溫度超過設(shè)置門限時,過溫漏級開路指示器(OTI)將輸出有效信號。另外,可通過I2C接口對AD7416的內(nèi)部寄存器進行讀/寫操作,最多可允許8片AD7416掛接在同一串行總線上,該溫度傳感器可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的環(huán)境溫度監(jiān)測。

圖5 溫度檢測電路Fig.5 Temperature detection circuit

溫度檢測電路無需過多外部器件,將溫度傳感器讀取的探測器溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,通過I2C通訊模式實時傳送給MCU,并將檢測到的溫度信息通過USB通訊發(fā)送給上位機,實現(xiàn)實時溫度檢測。MCU通過處理分析所收到的溫度信息來調(diào)節(jié)DC/DC電源的輸出,從而達到穩(wěn)譜效果。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

STM32F103系列微控制芯片基于Cortex-M3的結(jié)構(gòu),可選用適當(dāng)?shù)募砷_發(fā)環(huán)境進行系統(tǒng)級開發(fā),為提高開發(fā)速度,本系統(tǒng)選用 KEIL Real View MDK(簡稱RVMDK)微控制器開發(fā)套件作為系統(tǒng)開發(fā)工具。軟件的工作流程如圖6所示。

圖6 溫度補償系統(tǒng)軟件工作流程Fig.6 Temperature compensation system software workflow

溫度補償系統(tǒng)上電后初始化整個系統(tǒng),然后啟動溫度傳感器和MCU,完成功能和模式的配置。啟動ADC,使用STM32片內(nèi)自帶的ADC配合AD7416完成溫度檢測。利用溫度補償模型計算得到當(dāng)前溫度DC/DC電源需要輸出的電壓值。最后啟動DAC,通過DAC調(diào)節(jié)DC/DC電源的輸出端電壓。

2 實驗測試及結(jié)果分析

首先進行電源的紋波測量和穩(wěn)定性測量,通過調(diào)節(jié)MCU的DAC輸出觀察DC/DC電源在不同輸出電壓下的紋波,通過至少6 h的長時間測量來觀察DC/DC電源的穩(wěn)定性。分別在不做溫度補償、只補償SiPM的溫度效應(yīng)和補償整個SiPM-GAGG(Ce)探測器的溫度效應(yīng)3種情況下測量137Cs、60Co、241Am能譜全能峰峰位道址的變化。

2.1 電源性能測試

DAC輸出電壓和DC/DC模塊輸出電壓的對應(yīng)結(jié)果如圖7所示,線性擬合公式為Vout=35.929VDAC+0.001 9,線性相關(guān)度R2≈1,輸出電壓范圍可滿足不同型號SiPM工作電壓要求。

圖7 電源輸出線性關(guān)系Fig.7 Power supply output linearity relationship

紋波測試使用Tektronix(泰克)MSO58型示波器,由于一般開關(guān)電源輸出的紋波頻率在0～20 MHz范圍,而高頻同步開關(guān)噪聲和信號反射等引起的噪聲在0～1 GHz范圍。所以20 MHz帶寬限制可將不必要的高頻噪聲濾除,電壓設(shè)置為pk-pk值。通過同軸電纜連接到電源的交流紋波測試端,DC/DC電源輸出端通過1 μF的電容后經(jīng)50 Ω的電阻連接到地,減少雜散電容電感的干擾。對電壓輸出端進行測試,得到紋波與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系,如圖8所示,根據(jù)測試結(jié)果可得出紋波系數(shù)低于0.001%。

圖8 電源紋波測試結(jié)果Fig.8 Power supply ripple test result

為確保SiPM-GAGG(Ce)探測器能長時間穩(wěn)定工作,需電源具有高可靠性。連續(xù)6 h對電源輸出進行監(jiān)測,每隔30 min記錄1次輸出電壓和紋波,結(jié)果如圖9所示,電源長時間工作可靠性高。

圖9 電壓穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.9 Voltage stability test result

2.2 無溫度補償時的能譜測量

將上述探測器系統(tǒng)置于恒溫箱中,并將137Cs、60Co、241Am 3個放射源依次擺放于探測器前,能譜測量實驗現(xiàn)場如圖10所示。由于GAGG(Ce)晶體尺寸較大,所以每次能譜測量前需至少恒溫2 h以上,即可視為探測器整體達到溫度一致。

圖10 能譜測量實驗現(xiàn)場Fig.10 Experimental site of energy spectrum measurement

無溫度補償能譜測試,即在實驗時保持加載到探測器的偏置電壓不變,設(shè)置偏置電壓為28.5 V。以20 ℃時測得的137Cs、60Co、241Am的各能量峰位道址作為參考,實驗室自研核輻射測量片上系統(tǒng)所測能譜如圖11所示。

圖11 20 ℃所測137Cs、60Co、241Am能譜Fig.11 137Cs, 60Co, and 241Am energy spectra measured at 20 ℃

為貼合實際野外測量環(huán)境,從-20 ℃到40 ℃每隔5 ℃對137Cs、60Co、241Am的能譜進行測量,并記錄137Cs的662 keV、60Co的1 173 keV和1 332 keV、241Am的59.5 keV的全能峰峰位道址,各溫度下各能量峰道址如圖12所示。-20～40 ℃,探測器對137Cs全能峰的能量分辨率如圖13所示。

圖12 無溫度補償時137Cs、60Co、241Am各峰位道址漂移曲線Fig.12 Drift curves for 137Cs, 60Co and 241Am for each peak site without temperature compensation

圖13 無溫度補償時137Cs能量分辨率變化曲線Fig.13 Variation curve of 137Cs energy resolution without temperature compensation

由測量結(jié)果可知,從-20 ℃到40 ℃,探測器對137Cs的662 keV全能峰的能量分辨率,從-20 ℃時的8.08%變化到40 ℃時的14.58%。在對探測器不做溫度補償?shù)那闆r下,以20 ℃測量到的137Cs的662 keV、60Co的1 173 keV和1 332 keV、241Am的59.5 keV的全能峰峰位道址為參考,道址最大漂移量、道址最大漂移率和道址平均漂移率列于表1。

表1 無溫度補償時各能量峰位道址漂移率Table 1 Drift rate of each energy peak address without temperature compensation

2.3 補償SiPM溫度效應(yīng)時的能譜測量

根據(jù)安森美官網(wǎng)給出的J60035型SiPM的數(shù)據(jù)手冊,該型號SiPM的工作溫度每升高1 ℃,其反向擊穿電壓Vbreakdown增加21.5 mV。且SiPM的增益隨溫度的升高而降低,其增益可表示為:

(1)

Vbias=0.021 5T+28.07

(2)

將該式寫入到MCU中,以補償溫度變化對SiPM增益的影響,將溫度設(shè)置為-20、-15、-10、-5、0、5、10、15、20、25、30、35、40 ℃,通過調(diào)節(jié)恒溫箱的內(nèi)部溫度測量137Cs、60Co、241Am的能譜。各溫度點下測量得到的137Cs的662 keV、60Co的1 173 keV和1 332 keV、241Am的59.5 keV的全能峰峰位道址如圖14所示,探測器對137Cs的662 keV全能峰的能量分辨率如圖15所示。

圖14 只補償SiPM溫度效應(yīng)時137Cs、60Co、241Am各峰位道址漂移曲線Fig.14 Drift curves for 137Cs, 60Co, and 241Am peak sites by only compensating for SiPM temperature effect

圖15 只補償SiPM溫度效應(yīng)時137Cs能量分辨率變化曲線Fig.15 Energy resolution curve of 137Cs by only compensating for SiPM temperature effect

從-20 ℃到40 ℃,探測器對137Cs的662 keV全能峰的能量分辨率,從8.03%變化到11.78%。在加入SiPM的溫度補償函數(shù)后探測器增益隨溫度變化的程度只在低溫下有所減小,但在高溫時道址漂移率仍很大。以20 ℃為參考,137Cs、60Co、241Am的各能量峰位道址漂移量、道址最大漂移率和道址平均漂移率列于表2。

2.4 補償SiPM-GAGG(Ce)探測器溫度效應(yīng)時的能譜測量

SiPM-GAGG(Ce)探測器不僅包含8×8的SiPM陣列,還有φ2 in×2 in的GAGG(Ce)晶體。入射粒子在GAGG(Ce)晶體內(nèi)損耗并沉積能量,引起晶體中原子、分子的電離和激發(fā),之后受激粒子退激放出閃爍光子,閃爍光子通過硅脂后進入SiPM。所以整個探測器的增益不僅取決于SiPM的增益,還取決于GAGG(Ce)晶體的發(fā)光效率。以-20、-15、-10、-5、0、5、10、15、20、25、30、35、40 ℃為能譜測試點,通過手動調(diào)節(jié)探測器的偏置電壓,使137Cs全能峰峰位穩(wěn)定在511.3道左右,等同于穩(wěn)定SiPM-GAGG(Ce)探測器的增益。測試結(jié)果如圖16所示。

圖16 溫變時穩(wěn)定探測器增益所需的電壓 Fig.16 Voltage required to stabilize detector gain during temperature change

通過擬合得到穩(wěn)定SiPM-GAGG(Ce)探測器增益所需的偏置電壓Vbias和溫度T之間的關(guān)系為:

Vbias=27.696+0.009 2T+8.871 1×

10-5T2+6.223 8×10-5T3

(3)

線性相關(guān)系數(shù)R2=0.990 8,將此電壓溫度曲線寫入MCU后再進行能譜測量,與上述2.2和2.3節(jié)所測量的各峰位道址漂移對比結(jié)果如圖17所示。

圖17 3種測量條件下的各能量峰位道址漂移曲線Fig.17 Drift curves for each energy peak site for three measurement conditions

對比-20 ℃到40 ℃的實測結(jié)果,各能量峰位道址漂移量、道址最大漂移率和道址平均漂移率列于表3。

表3 補償SiPM-GAGG(Ce)探測器溫度效應(yīng)時各能量峰位道址漂移率Table 3 Drift rate of each energy peak site by compensating for temperature effects in SiPM-GAGG(Ce) detector

相對于20 ℃時137Cs、60Co、241Am的662 keV、1 173 keV、1 332 keV、59.5 keV的各峰位道址,最大正向漂移分別為4.6、7.8、8.3、0.5道,最大負向漂移分別為4.2、8.7、9.8、0.5道。補償SiPM-GAGG(Ce)探測器溫度效應(yīng)后測量得到的137Cs的能量分辨率如圖18所示,能量分辨率從-20 ℃的8.36%變化到40 ℃時的9.29%。

圖18 補償SiPM-GAGG(Ce)探測器溫度效應(yīng)時137Cs能量分辨率變化曲線Fig.18 Evolution of 137Cs energy resolution by compensating for temperature effects in SiPM-GAGG(Ce) detector

3 結(jié)論

為穩(wěn)定SiPM-GAGG(Ce)探測器的增益,本文搭建了SiPM-GAGG(Ce)探測器溫度補償系統(tǒng),通過溫度傳感器實時采集探測器工作溫度信息后反饋給MCU,MCU通過調(diào)節(jié)DAC模塊的輸出來控制探測器的偏置電壓,穩(wěn)定探測器的增益。為測試溫度補償系統(tǒng)性能,進行了電源可靠性實驗、電源紋波測試以及溫度補償測試等實驗。測試結(jié)果表明,DC/DC電源長期工作穩(wěn)定性高,電源紋波系數(shù)小于0.001%,可輸出電壓范圍為0～100 V,可滿足大部分常用SiPM型號的工作電壓需求;相比無溫度補償時測量到的137Cs的662 keV、60Co的1 173 keV和1 332 keV、241Am的59.5 keV峰位道址,在只進行SiPM溫度補償后,峰位道址平均漂移率從45.34%、45.13%、44.98%、43.85%降低到了23.68%、23.67%、23.68%、18.30%。對于整個探測器的溫度補償,閃爍晶體的溫度效應(yīng)是必須要考慮的。在進行SiPM-GAGG(Ce)探測器的整體溫度補償后,137Cs的662 keV、60Co的1 173 keV和1 332 keV、241Am的59.5 keV峰位道址平均漂移率降到0.37%、0.37%、0.36%、0.57%,補償效果明顯。該溫度補償系統(tǒng)具有噪聲低、小體積、溫度特性曲線可隨意定制的優(yōu)點,有效解決了不同廠家的SiPM驅(qū)動電壓差異顯著問題,以及8×8 SiPM陣列耦合φ2 in×2 in英寸GAGG(Ce)晶體后的溫度效應(yīng)補償問題。