一种便携式硅光电倍增器模块及其在射线探测仪中的应用

张国青,高秀秀,刘汉臣

(西安工程大学 理学院, 陕西 西安 710048)

0 引 言

便携式射线探测仪在核物理、高能物理、环境检测等领域有重要应用,传统的射线探测仪所用探头多为气体探测器[1-3]．这类探测器具有结构简单、性能稳定、成本低廉等优点,然而由于该类探测器需要高工作电压和玻璃腔体,在遭遇碰撞或震动时容易发生碎裂,长时间使用后,其真空度会下降,从而影响了探测器性能．文献[4]报道的便携式射线探测仪所用的探头为玻璃腔体,并充有稀有气体的盖革计数器,需要上千伏的工作电压,增加了电路的复杂程度,不易于体积微型化．因此,实际应用中希望发展和使用性能更好,更加结实耐用的探测器作为便携式射线探测仪的探头．虽然有文献报道了采用离子注入技术研制的便携式半导体核辐射仪[5],但这类探测器内部没有增益,使其检测灵敏度受到一定限制．近年来得到迅速发展的SiPM[6-9],由于具有结实耐用,体积小巧,光子数分辨能力强,对磁场不敏感等优点[10-12],在核探测、核医学成像等领域逐渐得到了较为广泛的应用[13-18]．文中研制了一种便携式的SiPM模块, 并将该模块应用于便携式射线探测仪中,对其主要参数性能进行测试,同时配合闪烁体,替代了商品化便携式射线探测仪的探头,对利用所研制的便携式SiPM模块进行射线探测的可行性进行了实验研究．

1 实 验

1.1 仪器

所用的SiPM型号为S12571-025C,日本滨松公司生产．射频信号放大电路使用R25型射频晶体管进行两级放大．高压电路使用XTHV-201P型高压模块,成都新核泰科公司生产．测试SiPM模块输出信号的特性使用了高速数字存储示波器,型号DPO4102B-L,美国泰克公司生产．所用射线探测仪为便携式乙丙种射线探测仪,型号为67型,北京核仪器厂生产．所用外置射频低噪声放大器电压增益为40dB(推荐工作电压下), 2 GHz带宽,型号为HSA-Y-2-40,德国Femto公司生产．所用闪烁体为添加了铊元素的碘化钠闪烁体(NaI(TI)),尺寸10 mm(直径)×10 mm(高),长沙盖革电子科技有限公司生产．

1.2 原理与方法

所研制的便携式SiPM模块内部工作原理图如图1所示,由SiPM探测器件、高压电路、射频信号放大电路、光收集接口、金属屏蔽盒组成,光收集接口是标准视频C接口,既可以接C接口的镜头,进行自由空间光探测,也可以通过C转FC接口耦合FC光纤．SiPM探测器由高压电路模块加偏压,工作电压高于SiPM的击穿电压若干伏,使其工作在盖革雪崩模式下[5]．SiPM输出的雪崩脉冲信号通过串联的50 Ω取信号电阻获取,该信号通过低噪声射频信号放大电路进行放大,通过50 Ω特征阻抗的同轴电缆由BNC接口输出信号,方便进行后续的放射事件计数或波形分析等操作．在偏压电路中并联的电容和串联的电阻构成阻容滤波器,用以滤除电子学噪声,提高信号波形的信噪比．通过高速数字存储示波器的集成测量功能选项可以测量SiPM模块输出的信号波形的上升下降时间、波形半高宽、暗计数率、最大光子计数率．通过自编的Labview程序获取波形数据可以对SiPM模块的增益等参数进行测量和分析．SiPM模块的输出雪崩脉冲的增益可以使用示波器的波形面积测量功能对时间窗口内的波形面积进行积分来获得．该雪崩脉冲信号可以用电流I或电压V随时间t变化的函数I(t)或V(t)表示．将I(t)或V(t)对时间积分后,即可得到电脉冲信号对应的输出电荷量Q,即

(1)

式中:Rs是负载(取信号)电阻值；A是电压波形的积分值,即波形面积值.很显然,在Rs一定的情况下,Q和波形积分值A成正比,两者具有一一对应的关系;

将式(1)除以一个载流子的电量e(即元电荷的电量),就能得到器件的增益G的大小,即

(2)

在用数字示波器或ADC测量波形时,实际获得的是离散序列值,波形面积值A可以由式(3)获得[17]:

(3)

式中:V(ti)是在时间点ti测量的电脉冲波形信号的电压值,Δt是采样时间间隔,Ta和Tb分别是采样时间的起始时刻和终止时刻．

为了提高增益测量的置信度,通常对一系列波形面积值A进行直方图统计,从而获得平均增益．

图 1 SiPM模块的内部工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of internal working principle of the SiPM module

为了研究利用SiPM模块进行射线探测的可行性,给模块装配了碘化钠(NaI(TI))闪烁体,用以将辐照到闪烁体的射线转换为SiPM可响应的荧光[18]．所用碘化钠闪烁体为10 mm×10 mm直径的圆柱体,外用铝合金工件包裹密封,防止受潮．碘化钠闪烁体放入铝制光耦合工件中,通过小透镜与SiPM模块光敏面耦合．将装配了碘化钠闪烁晶体的SiPM模块替换一种商品化的便携式射线探测仪的盖革计数器探头．为了达到射线探测仪输入信号的接收阈值,将SiPM模块输出的信号,经过一个外置的高倍射频放大器进一步放大(本实验所用放大器的放大倍数为100倍)．经过放大后的信号与探测仪主机的信号输入端相连,即可对60Co放射源的放射强度进行检测,并与原配探头的测量结果进行比较．通过调节SiPM模块和外置射频放大器的工作偏压,可以改变SiPM模块输出脉冲的幅度,配合射线探测仪自身的阈值可以优化射线探测仪的信噪比．这是因为射线在闪烁体中随机激发产生脉冲光,当照射到SiPM的脉冲光信号弱到单光子量级时,其光子数分布遵循泊松分布[19]:

(4)

式中：pps(k)表示探测到k个光子的概率；s,b表示某种射线激发的光子到达SiPM模块的平均光子数；η表示SiPM的光子探测效率；Kd表示暗计数．当发生N次射线脉冲事件时, 被SiPM探测到的预期事件数Ns为

(5)

图 2 SiPM模块输出的雪崩信号的示波器波形截图Fig.2 The oscilloscope waveform of the avalanche signal output from the SiPM module

式中：Th表示SiPM的等效光子数探测阈值．当没有射线信号,由于噪声而被误判为有射线信号的预期事件数Nn为

(6)

将式(5)，(6)代入信噪比的定义式,得

(7)

则可以计算不同阈值下的信噪比．

2 结果与分析

图2 为该SiPM模块输出雪崩信号的波形示波器截图, 其中横坐标每格为40 ns，纵坐标每格1 mV.从图2中可见,脉冲波形有明显的层次感和倍数关系,说明该模块有良好的光子数分辨能力．一倍幅度的脉冲的幅度约2 mV,对应着一个探测到的光子．通过改变入射光通量,发现在光强不很强的情况下,信号脉冲的计数频率随着入射光通量的增加而增加,说明该模块具有良好的单光子响应能力和光子计数能力．表1是测量得到的该SiPM模块的主要的光电特性． 从表1和图2可以看出SiPM模块输出的雪崩脉冲型号的上升时间和光响应脉冲半高宽(FWHM)均在纳秒量级,说明SiPM的原始雪崩脉冲经过模块内的射频放大电路放大后没有明显失真[20]．其光响应度高达106V/W量级,最高光子计数速率可以达到80 MHz,而暗计数率在20 ℃和推荐偏压下只有100 kHz左右,意味着该SiPM模块具有较大的随机脉冲计数动态范围,适合于随机的射线信号的探测．

表 1 便携式硅光电倍增器模块的光电特性

注：1,2项数据来自SiPM分立器件的出厂报告

图 3 装配了闪烁体的SiPM模块对60Co放射源放射射线的响应信号Fig.3 The response of the SiPM module assembled with scintillator to the radioactive radiation of the 60Co radioactive source

图3为装配了碘化钠闪烁体的SiPM模块对60Co放射源放射的射线的响应信号的示波器截图,其中横坐标为每格200ns，纵坐标为每格5mV．从图3中可以看出射线响应信号幅度远高于左侧的暗脉冲信号,说明SiPM模块对60Co放射源发射的射线响应良好．当射线探测仪的相对阈值小于5倍的光子等效阈值[21]时,射线事件淹没在SiPM模块的暗计数中,无法分辨,当其相对阈值在5～8倍的光子等效阈值内变化时,从主机仪表盘中读出的放射强度约为0.07mR/hr,并保持稳定,这一方面说明SiPM模块在该幅度区间内的输出信号不是暗计数,另一方面说明适当提高光子等效阈值可以提高信噪比．为了确认该放射强度读数确实是由放射源造成的,将放射源移开并放入了一个铅屏蔽盒,此时从主机仪表盘中读出的放射强度在0.00～0.01mR/hr间,该读数是射线探测仪的灵敏度极限,因此可以认为未检测到有效的射线计数．为了与射线检测仪的原配探头进行比较,在辐射源方位和距离相同的条件下,换回原配探头进行了相同的实验．用原配探头测得的结果约为0.09mR/h,两者基本一致,说明用SiPM模块测得的放射强度数值是可信的．而使用SiPM模块的测量值偏小可能是由于闪烁体和SiPM的耦合效率低造成的,倘若使用光敏面积更大的SiPM,应该会提高与闪烁体的耦合效率,从而提高放射强度测量的准确度．

3 结束语

所研制的SiPM模块性能良好,配合了闪烁体的SiPM模块可以进行射线测量．装配了碘化钠闪烁体的SiPM模块对60Co放射源放射的射线响应明显,放射强度测量结果与用原配探测头测得的结果基本一致,说明将SiPM模块应用于便携式射线探测仪是可行的．