大面积高灵敏度编码相机探测器的设计与性能测试

李 岩 王 强 黄先超 帅 磊 曹大泉 张译文 杨 曜,3 胡选侯梁秀佐,3 吴 俊 曾国强 章志明,3

1（成都理工大学核技术与自动化工程学院 成都 610059）

2（中国科学院高能物理研究所北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心 北京 100049）

3（中国科学院大学核科学与技术学院 北京 100049）

核事故及核活动的失控具有广域性、灾难性、长期性的特征，如何有效对放射性物质进行远距离、快速的监测，防止放射性物质进入我国领土，是核辐射监测领域所面临的一个重要挑战。γ相机广泛应用于核设施，以在给定的视野内定位辐射源，以帮助进行净化、维护、修理或退役［1］。传统的孔径编码γ相机一般由较小的位置灵敏探测器（γ事例数据获取）、数据采集卡（模拟数据数字化以及传输）以及上位机软件（图像重建）组成［2-3］。然而由于其探测面积较小，探测效率较低，无法对移动的放射源进行实时成像，高灵敏度编码孔径γ射线成像系统进一步增大了探测效率，可远距离实现辐射热点实时定位，给出放射性分布情况的二维实时图像。近些年，美国橡树岭国家实验室、田纳西大学和劳伦斯伯克利国家实验室联合研制了一款小型船载γ射线成像系统［4］，用于打击海上非法核材料走私，有效探测面积为0.74 m2；美国加利福尼亚大学等单位研制了一款车载核辐射监测系统RadMAP［5］，它包含了一套基于编码孔径的γ射线成像系统，探测器的有效面积为1.03 m2，但是他们均未公布具体的技术细节。目前，国际上针对高灵敏度γ射线成像技术的研究主要是通过增加探测器的有效探测面积实现。本文中的探测器是根据之前中国科学院高能物理研究所研制的γ相机的探测器尺寸以及成像能力来研制的［6］，之前研制的γ相机的探测器面积为45.6 mm×45.6 mm，晶体条的长度为10 mm。将1.12×106Bq的137Cs点源放置在γ相机的正前方1 m处，其成像时间为100 s，而高灵敏度γ相机的成像时间在相同情况下至少降低50倍，即探测器的探测效率要增大至少50倍，考虑到性能和成本，设计了一款基于CsI（Tl）晶体阵列耦合光电倍增管（PhotoMultiplier Tube，PMT）阵列的探测面积为330 mm×330 mm的高探测效率以及高位置分辨的探测器，并对其性能进行了测试，评价该探测器系统用于高灵敏度编码孔径γ相机的可行性。

1 探测器系统设计以及测试系统

CsI（Tl）晶体是一种具有高光输出较高密度的晶体，光子数产额为54 keV-1，发射光谱峰位波长为550 nm。CsI（Tl）晶体相对其他晶体有较多的优点：1）密度较高，射线阻止本领强，探测效率较高；2）CsI（Tl）晶体无自发放射性，LYSO（Ce）、LuAG（Pr）等闪烁晶体中含有自发的放射性，会引起误触发，降低探测器的探测下限［7］；3）CsI（Tl）晶体光输出高，有利于提高信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）和能量分辨率；4）随着制作工艺的发展，CsI（Tl）晶体的成本也越来越低，其性价比较高。因此，本文将基于CsI（Tl）晶体阵列开展位置灵敏探测器的设计工作。

1.1 CsI(Tl)晶体阵列与PMT阵列

CsI（Tl）晶体阵列由11×11根晶体组成，每根晶体条的尺寸为15 mm×15 mm×15 mm，晶体之间用高反膜隔开，晶体阵列表面用聚四氟乙烯包裹，整个晶体阵列尺寸为167.5 mm×167.5 mm×15 mm。

光电转换器件为北京滨松公司生产的CR-173PMT，其增益为2.7×105，光阴极直径为46 mm，输入最大电压为1 500 V。将9根PMT放进由聚四氟乙烯材质做成的固定外壳中拼成3×3的PMT阵列，相邻PMT之间的间距为56.5 mm，整个固定外壳的面积为169 mm×169 mm。在晶体和PMT阵列之间填充了一块20 mm厚的井型玻璃光导，通过光学硅脂将晶体阵列和闪烁体阵列耦合在一起，这有利于提高光分配的均匀性，并且减少了PMT在拼接过程中间隔造成的光子损失。一共4个探测器模块，组成2×2的阵列，整个探测器为22×22的闪烁体阵列，36路PMT信号输出。最后将四个探测器模块放进铝制外壳中进行避光和固定，如图1所示。

1.2 前端读出电子学设计以及测试系统

由于CR-173PMT的增益相对较小，离散定位电路（Discretized Positioning Circuit，DPC）［8］和均匀电荷分配电路（Symmetric Charge Division Circuit，SCDC）［9］都会降低信号的信噪比，且会产生串扰，故读出电子学采用独立的36路放大滤波以及单端转差分电路，如图2所示。虽然这种方式会导致通道数较多，但是相比较其他的前端电路设计，其信噪比最佳且不会产生串扰。

图1 探测器整体示意图Fig.1 Schematic diagram of the detector system

PMT阵列共输出36路阳极信号，通过36路独立放大电路进行放大，经过放大后的信号，为了便于后端的数据采集卡进行采集，同时抑制信号噪声，通过Sallen-Key电路进行滤波成型处理［10］。考虑模拟读出电路和数据采集卡是使用线缆进行连接，为了降低共模干扰，在滤波成型电路之后再加一个单端转差分电路，可以很大程度降低共模干扰，电路原理图如图3所示。

图2 前端电路原理Fig.2 Schematic of front-end circuit

图3 放大、Sallen-Key滤波成型以及单端转差分电路Fig.3 Schematic of amplification,Sallen-Key filtering and single-to-differential conversion circuit

探测器性能的测试系统由探测器模块、数据采集卡以及上位机数据处理3部分组成，整个逻辑处理过程如图4所示。36路能量信号经过放大、成型等处理后，进入项目组自主研发的高速连续采样系统中（该数据采集卡可同时采集64通道的模拟信号，在本论文中，只用到了36通道）。其中，数据采集卡的ADC采样率为40 MHz，将前端模拟信号进行数字化采样，并传输到现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）进行计算，然后通过千兆网传输到计算机端处理。36路信号共分为4个模块，每个模块独立地计算位置信息以及能量信息。各个模块（A、B、C、D）的PMT编号如图5所示。以模块A为例，散点图位置（x，y）和沉积能量E可由式（1）～式（3）得到。

图4 探测器模块测试系统Fig.4 The testing system of detector module

图5 光电倍增管编号图Fig.5 The diagram of photo multiplier tube number

2 主要性能测试与讨论

2.1 位置分辨能力

探测器系统的位置分辨能力指的是各个晶体条相互区分开来的能力，探测器散点图能够反映出探测器的位置分辨性能。在测试的过程中，处于室温环境下，PMT的工作电压为-1 100 V，前端模拟电路以及高速数据采集卡由±5 V线性电源供电。放射源采用活度为9.25×105Bq的137Cs点源，置于晶体阵列正前方40 cm。在662 keV的γ射线激发下，第一个探测器模块的散点图以及x、y轴投影图如图6所示。图6中每个点与晶体条一一对应，从图6中可以看出各个晶体单元都可以实现很好的分辨，x轴投影的平均峰谷比为3.73：1，y轴投影的平均峰谷比为3.69：1。

2.2 能量分辨

在测试晶体条阵列的位置分辨能力时，同时获取各个晶体条的能谱。在137Cs点源放出662 keV的γ射线激发下，晶体阵列单根晶体条能谱如图7所示，边缘位置晶体条的能量分辨率为11.8%，中心位置晶体条的能量分辨率为9.1%，平均能量分辨率为9.4%。

2.3 峰位一致性

探测器模块的峰位一致性表示各个晶体条对相同能量γ射线的响应情况。第一个模块各个晶体条对137Cs点源放出的662 keV的能谱峰位如图8所示。图8中的数字表示该晶条的峰位道址，其中最大的道址为509道，最小的道址为258道。从图8还可以得知中间某些晶体条的峰位相比较其周边明显较小，这主要是由PMT增益一致性的差异造成的，而边缘晶体条相比较中间晶体条的峰位普遍较小是由于边缘晶体对光的收集不完全引起的。从各个晶体条的峰位来看，其差异较大。在编码孔径γ相机的实际应用中会对能窗进行选择，如果不进行峰位一致性校正，则会造成真实事例的丢失，即探测效率的下降，进而影响成像效果，因此需要将各个晶体条进行能谱峰位一致性的校正。

2.4 探测效率一致性

将3.7×107Bq的137Cs点源置于距离第一个模块晶体阵列正中心2 m处，为了反映探测器阵列对662 keV γ射线的探测效率一致性的情况，数据采集程序的能量阈值为500～800 keV，测量结果如图9所示。图9中数字表示每个晶体条的光子计数，该模块中单根晶体条最大光子计数为438，最小为230。从图9可以看出探测器模块边缘部分的晶体探测效率较低，这是由于边缘的晶体单元对光的收集不完全导致其信号幅度较小，达不到能窗的阈值，因此计数较小，后续会在数据处理中进行校正。

图6 第一个探测器模块的二维散点图以及x轴、y轴投影图Fig.6 Two-dimensional flood images,x-axis projection and y-axis projection of the first detector

图7 边缘晶体条(a)和中间晶体条(b)的137Cs能谱Fig.7 137Cs energy spectrum of single crystal strip at the edge position(a)and in the intermediate position(b)

图8 第一个探测器模块的峰位一致性Fig.8 Peak position uniformity of the first detector module

图9 第一个探测器模块探测效率一致性Fig.9 Detection efficiency uniformity of the first detector module

2.5 讨论

SiPM的增益一致性好，对于晶体阵列的探测效率一致性以及峰位一致性会有更好的效果，且采用单根晶体条耦合单片SiPM的读出方式，不存在分光求取位置信息，可直接读取该事例发生在具体某根晶体条上，进而减小了事例误判造成的噪声。目前完成了单路的设计，单根15 mm×15 mm×15 mm的CsI（Tl）晶体单元耦合单片SensL公司生产的C-60035单点型SiPM。测试系统使用的是ORTEC的主放（型号为572）、多道脉冲幅度分析仪以及Maestro-MCB软件，测试数据显示能量分辨率为13.5%，能谱图如图10所示。能量分辨率满足高灵敏度编码相机的探测器要求，后续会继续完成整体探测器系统的研制以及性能的评价工作。

图10 662 keV γ射线激发下能谱Fig.10 Energy spectrum under 662 keV gamma ray excitation

3 结语

为了进一步提高编码孔径γ相机的探测效率，实现实时定位放射性物质，本文研制了高灵敏度编码相机的探测器系统，并对探测器系统性能进行了测试和评价，结果表明：该探测器系统在位置分辨、能量分辨率、峰位一致性以及探测效率一致性等关键性能上能满足高灵敏度编码相机成像的需求。完成了基于SiPM的单路前端探测器的研制，并对其能量分辨率进行了测试，在能量分辨率方面满足孔径编码γ相机的要求。