基于MPPC和CsI(Tl)闪烁体的小型化γ剂量率测量仪设计

周煜杰，龚春慧，周 程，朱晓翔，刘 颖，王 鹏†，杨 毅

(1. 南京理工大学 环境与生物工程学院；2. 江苏省化工污染控制与资源化高校重点实验室: 南京 210094;3. 江苏省核与辐射安全监督管理中心，南京 210019)

目前已有的辐射剂量仪大部分使用GM计数管作为探头，但GM计数管工作电压较高，固有偏差较大，为保证剂量测量的准确率而增加了GM计数管的体积[1]。因此，本文采用闪烁体探测器代替GM计数管，同时为实现剂量率系统小型化与轻量化，选择多像素光子计数器(multi-pixel photon counter，MPPC)，即硅光电倍增管(silicon photo multiplier，SiPM)，代替传统的光电倍增管(photo multiplier tube，PMT)进行光电转换设计[2]。与传统光电倍增管相比，MPPC体积和重量大幅降低，工作电压和功耗较低，适用于小型化便携式设备[3-5]。此前已有国内外学者对闪烁体和MPPC探头进行了深入研究，Berra等[6]和Moutinho等[7]分别将MPPC和闪烁光纤研制探测器，应用于高能γ放射治疗的实时剂量测量；林立等[8]利用SiPM和YSO∶Ce，BGO晶体，研制了一种用于场所的便携式γ剂量仪，在5～100 μSv ·h-1范围内具有较好的线性特性；李晨等[9]使用塑料闪烁体和MPPC制作剂量率监测仪，在小型化方面取得了较好的效果，高剂量下较为稳定，但在低剂量时偏差较大。本文旨在保持仪器小型化和低功耗的同时，使测量仪在低剂量γ辐射条件下仍具有较高的测量精度。

为减小低剂量时的测量偏差，本文使用探测效率较高的CsI(Tl)闪烁体作为辐射探测材料，针对小型化剂量率测量仪的设计要求，采用MPPC与CsI(Tl)闪烁体耦合制作剂量率测量仪的探头，设计探头的配套硬件电路，并对设计的硬件电路进行实际测试，最终通过Arduino单片机处理后得到实时剂量率。使用137Cs放射源对制作完成的剂量率测量仪进行剂量率响应测试，测试结果表明，新型剂量率测量仪能对放射源的辐射剂量率进行有效探测，满足设计要求。

1 方法与材料

1.1 剂量率测量方法

剂量率测量仪测量辐射剂量率的原理一般是通过对电离辐射产生的脉冲信号计数并加以能量响应校正，测量原理可表示为

D=kN

(1)

H=WRD

(2)

(3)

1.2 光电转换器件

采用多MPPC作为光电转换器件，MPPC具有十分优秀的光子探测能力，可用于光子计数与弱光领域的光子探测[10]。每一个MPPC由多个像素组成，单个像素通常包含一个工作在盖革模式下的雪崩二极管(avalanche photodiode，APD)与一个淬灭电阻。在一段选定的工作电压范围内，MPPC的输出电流信号与APD雪崩单元数成正比，存在线性关系。本文设计选用的MPPC为美国安森美公司设计生产的C-SERIES SIPM，传感器尺寸为6 mm×6 mm，C-SERIES SIPM在25 ℃工作温度下的参数指标如表1所列。

表1 C-SERIES SIPM参数指标Tab.1 C-SERIES SIPM parameters

1.3 CsI(Tl)闪烁体

CsI(Tl)闪烁体为无色透明的立方晶体，本文使用CsI(Tl)晶体长为10 mm，宽为10 mm，高为7 mm。CsI(Tl)闪烁体折射率为1.79，衰减时间为1 000 ns，平均原子序数高，密度为4.53 g·cm-3,具有较好的γ阻止本领，抗辐照性能与均匀性较好，因此常被用于闪烁体探测器。与NaI晶体相比，CsI(Tl)晶体不易潮解，机械强度大，使用方便。CsI(Tl)闪烁体的主要发光峰位于550 nm[11]，与MPPC 300～950 nm的光谱响应范围匹配很好，在所有闪烁材料中与MPPC耦合时光输出最大。

2 设计与测试

2.1 探头设计

探头的设计制作过程主要为：首先，在CsI(Tl)闪烁体与MPPC表面均匀涂抹硅脂耦合剂，将CsI(Tl)闪烁体与MPPC耦合到一起，排除它们之间存在的空气，减少全反射造成的光子损失；然后，在CsI(Tl)闪烁体表面包覆聚四氟乙烯反射膜增加闪烁光子的收集效率；其次，使用3D打印制作用于包覆在CsI(Tl)闪烁体和MPPC外侧的不透光外壳，防止外部光线入射干扰的同时也对内部的聚四氟乙烯反射膜起到一定的保护作用。探头主要元件及探头模块外观如图1所示。

(a) CsI(Tl) scintillation

(b) MPPC

(c) Probe

2.2 单片机程序设计

使用Arduino单片机对探测信号输出电路输出的3.3 V脉冲信号进行处理，得到剂量率信息。图2为程序流程图。单片机将连续读取信号输入引脚的状态，检测到出现高电平时触发中断服务程序，获得脉冲计数，将1 s内脉冲计数求和后存入储存数组。可通过设置数组的长度改变平滑时间，本文平滑时间设置为5 s，当数组存满后对数组内数据求平均即可得到计数率。使用计数率-剂量率转换测试得到的拟合算法求出剂量率，最后显示并存储剂量率信息。

图2 程序流程图Fig.2 Flow chart of program

2.3 电路设计

图3为电路总体设计框图。本文设计的电路主要分为电源电路、信号放大电路和比较器电路。电源电路为整个电路系统供电，通过变压芯片满足电路各部分电压需求，其中,信号放大电路需±5 V同时供电；信号放大电路用于放大探头部分的输出信号；比较器电路用于将放大后的信号与参考电压进行比较，如信号幅度大于参考电压，比较器将输出3.3 V CMOS逻辑电平进入Arduino单片机进行脉冲计数。依据信号电路芯片设计带宽、传播时延、CsI(Tl)闪烁体衰减时间和MPPC响应时间。在使用模拟信号输入时，本文设计的γ辐射脉冲计数率理论最大值约为28 000 s-1。

图3 电路总体设计框图Fig.3 Block diagram of circuit overall design

电源电路中的+5 V与+3.3 V稳压使用AMS1117稳压芯片，该芯片只有3个引脚，分别为输入、输出和接地，具有快速瞬态响应能力和有效的噪声抑制性能，使用方便。+28 V升压与-5 V变压均采用开关式稳压电源，转换效率高、功耗低、不易发热及稳压范围较宽[12]，适用于小型化剂量率测量仪的硬件电路。+28 V升压电路使用MT3608电流模式升压转换芯片，典型内部参考电压Vref=0.6 V。为得到更好的电压滤波，需在输入输出端放置22 μF电容。放大器所需的-5 V电压由以TPS6735IDR芯片为核心构成的负电源电压产生电路提供，TPS6735IDR芯片能输出固定-5 V直流电压，在输入电压较低的情况下能达到足够的输出电流。输入和GND之间使用一个1 μF陶瓷电容和一个47 μF的旁路电容，最大限度地提高抗噪声能力。

探测信号输出电路由信号放大电路和比较器电路组成，如图4所示。该电路硬件设计的目的是放大探头模块，使其能探测到γ射线辐照后MPPC输出的微弱信号，得到线性放大的输出信号，再通过比较器幅度甄别后转换为数字逻辑脉冲，输入单片机实现信号脉冲的计数。放大器使用AD8531单轨道轨对轨输入和输出放大器。为方便比较器对输入信号的幅度进行比较，信号放大电路采用同相放大设计，探头模块的输出信号从放大器同相输入端输入，通过调整反馈电阻R4和补偿电阻R5的大小调整电路的增益，获得合适的放大倍数。为防止MPPC处过大的电压损坏信号放大器电路，在MPPC输出端与信号放大器电路的输入端之间放置隔直电容C1。放大器输出与比较器输入端之间放置隔直电容C2，电阻R6帮助隔直电容C2放电，防止存在较高的偏置电压导致比较器一直输出高电平，无法进行脉冲计数。比较器使用MAX9140，经放大器放大的信号从比较器的同相输入引脚输入，通过调整R7与R8阻值的比值来确定参考电压，幅度大于参考电压的信号将触发比较器输出3.3 V电平，并输入单片机进行脉冲计数，防止误计数。

图4 探测信号输出电路Fig.4 Detection signal output circuit

2.4 性能测试实验

测试主要分为硬件电路信号测试和剂量率响应测试。

硬件电路信号测试内容包括探头模块输出信号波形与信噪比测量、放大器信号仿真、信号放大电路输出信号波形与信噪比测量、比较器输出信号测量及整体硬件电路功耗测量。在探测信号输出电路中选取3个信号测量位置，如图4所示。①为探头模块输出信号，测量信号幅度与脉冲宽度，通过获得的信号幅度与信号噪声幅度的比可计算得出信噪比。当噪声一定时，信噪比与输入信号幅度成正相关，表示为

(4)

其中:Vs为信号有效幅度；Vn为噪声电压有效幅度。信号放大电路需将探头模块的输出信号放大，使用NI Multisim对信号放大电路进行模拟仿真，调整放大器反馈电阻和补偿电阻，得到合适放大增益的放大器输出信号仿真波形图，在仿真中添加噪声，检验增加噪声后是否能看到明显的信号脉冲波形。②为信号放大电路输出信号，测量信号幅度与脉冲宽度，计算信噪比，与探头模块输出信号进行比较确定信号放大电路功能是否正常。③为比较器的输出信号，测试当放大器输出的信号幅度大于比较器设定的参考电压时，是否输出数字逻辑电平输入单片机进行脉冲计数。最后对电路功耗进行测量，使用双路跟踪稳压稳流电源调整输入电压至电路最佳工作状态，计算电路总功率。

硬件电路信号测试完成后对设计的小型化剂量率测量仪进行剂量率响应测试，分为计数率-剂量率转换和平方反比测试。通过剂量率测量原理可得脉冲计数率与剂量率成正比，使用Arduino单片机对来自比较器的3.3 V脉冲进行计数，通过已知的辐射场剂量率进行刻度，拟合出本文计数率与剂量率的转换关系。使用137Cs放射源与标准剂量率测量仪测量137Cs放射源距标准剂量率测量仪5～20 cm处的剂量率，测量间距为1 cm，探测器探头均正对放射源，取多次测量的平均值。标准剂量率测量仪使用CM5001 X，γ辐射巡检仪，该仪器采用金属薄壁GM探头，剂量率测量范围为10-9～10-3Sv·h-1，能量范围为0.03～3 MeV，相对偏差小于等于5%，具有良好的能量响应。将本文设计的剂量率测量仪在相同距离上得到的计数率与标准剂量率测量仪进行拟合即可得到计数率-剂量率转换关系。最后，使用137Cs放射源对经过计数率-剂量率转换的小型化剂量率测量仪进行距离平方反比测试，选取放射源不同距离位置测量得到的剂量率，同样取多次测量的平均值以减小测量偏差，并对剂量率随距离的变化关系进行拟合。

3 结果分析讨论

3.1 硬件电路测试结果

图5为探头输出信号波形。由图5可见，探头模块输出信号的脉冲宽度约为2 μs，上升沿宽度为0.2～0.5 μs，信号幅度约为80 mV，噪声幅度小于5 mV。计算得到探头模块输出信号的信噪比约为24 dB。探头模块输出的信号幅度与信噪比都较低，信号放大电路需将信号放大5倍以上。

图5 探头输出信号波形Fig.5 Probe output signal waveform

使用NI Multisim对信号放大电路进行模拟仿真，设定输入信号幅度为60 mV。调整放大器反馈电阻和补偿电阻，最后确定反馈电阻为3 kΩ，补偿电阻为1 kΩ，仿真后得到信号放大电路输出波形，如图6所示。由图6可见，信号脉冲高度约为400 mV，在增加噪声后依然能看到明显的信号脉冲波形。

(a) Without noise

(b) With noise

信号放大电路实际的输出信号波形如图7所示。由图7可见，信号幅度大于450 mV，最大能达到480 mV，信号放大6倍。信号脉冲宽度与上升沿宽度不变，信号噪声幅度小于5 mV，最大信噪比在40 dB左右，平均信噪比也可达到36 dB。从探头模块到放大器电路的信号放大性能良好。

图7 信号放大器实际的输出信号波形Fig.7 Experimental output waveform of the signal amplifier circuit

比较器输出信号波形如图8所示。当放大器输出的信号幅度大于比较器设定的参考电压时，比较器经甄别后输出幅度为3.3 V的CMOS逻辑电平，脉冲宽度为0.6～0.8 μs，输入单片机触发中断服务程序进行脉冲计数，得到脉冲计数率。当电路处于正常工作状态时，稳压稳流电源显示电压为5.2 V，电流为0.02 A，电路总功率为104 mW。电路功耗较低，满足设计要求。

图8 比较器输出信号波形Fig.8 Output signal waveforms of comparator

3.2 剂量率精确度实验结果

计数率-剂量率转换测试后得到的数据存在明显的线性关系，如图9所示。由图9可见，存在放射源的条件下计数率约为101.65～27 000 s-1，与实验预期接近，转换后剂量率为0.36～195.66 μSv·h-1。线性拟合结果为

y=0.007 24x-0.419 51

(5)

其中：y为剂量率，μSv·h-1；x为计数率，s-1。线性拟合优度R2为0.999 2。单片机可通过该转换关系将脉冲计数率转换为辐射剂量率，且相对偏差小于5%，测量精度优良。

图9 计数率与剂量率的拟合曲线Fig.9 Fitting curve of counting rate and dose rate

图10为剂量率随放射源与仪器距离的变化关系。为体现仪器在低剂量时的探测精度，使用活度较低的137Cs放射源进行测试。由图10可见，探测剂量率同放射源与仪器的距离符合平方反比规律，拟合优度R2为0.994 81，具有较高的一致性。表明，本文设计的小型化剂量率测量仪在低剂量情况下能对放射源的辐射剂量率进行有效探测，对辐射剂量率有较高精度的响应。

图10 剂量率随距离的变化关系Fig.10 Dose rate vs. distance

4 结论

本文以MPPC与CsI(Tl)闪烁体为基础，设计并制作了探测器探头和适用于小型化剂量率测量仪的硬件电路，并测试了硬件电路的相关性能。测试结果表明，该设计能有效放大来自探测器探头中MPPC的输出信号，最大信号幅度为480 mV，最大信噪比为40 dB，噪声抑制性能良好，能通过比较器输出3.3 V的CMOS逻辑电平，避免误计数。使用单片机对脉冲计数率-剂量率转换算法拟合后得到辐射剂量率，剂量率响应测试表明该剂量率测量仪对放射源的探测工作正常，且精度较好，剂量率测量最大值为200 μSv·h-1，相对偏差小于5%，电路总功耗为104 mW。

本文设计的小型化剂量率测量仪满足低电压，低功耗，较高的脉冲信号幅度与信噪比等设计要求，同时可看到MPPC作为新型光电倍增器件在剂量率测量仪小型化和低功耗辐射探测方面具有一定的优势。