SiPM-GAGG(Ce)探测器γ能谱稳谱方法研究

雷文明,李京伦,艾宪芸,肖无云,张济鹏,肖 雄,张 斌,赵 玮,王 英

(国民核生化灾害防护国家重点实验室,北京 102205)

在核辐射监测装备中,闪烁体探测器具有价格低、常温下使用、晶体尺寸大以及探测效率高等优点,近年出现的钆镓铝石榴石(GAGG(Ce))闪烁体[1-4],具备高原子序数、高密度、高亮度、短光脉冲、耐潮解等优点,在医学成像中得到了深入研究。近些年,随着半导体技术的发展,硅光电倍增管(SiPM)作为一种新型的光电转换器件,相比光电倍增管(PMT)具有体积小、增益高、工作电压低、抗磁性好等优点,在高能物理、核医学成像、安全检测等领域得到了广泛应用[5-6]。同时,SiPM响应光谱与GAGG(Ce)晶体发光光谱匹配较好[7],量子效率高。因此,SiPM-GAGG(Ce)探测器可满足低功耗便携式小型化的核辐射监测装备设计需求,有望促成核辐射监测技术的新发展和装备的更新换代。

但GAGG(Ce)晶体发光特性和SiPM电子增益均受温度变化影响[8],为提高SiPM-GAGG(Ce)探测器的温度响应稳定性,文献[9-15]采用SiPM增益补偿方式,研究了前置放大器倍数调节法、恒温法、无源器件补偿法、数控电压补偿法等方法。其中,前置放大器放大倍数调节方法在多通道读出模块中增加了电路的复杂性;恒温法整体功耗过高、体积大,不利于设备便携及小型化;无源器件补偿法高温时补偿效果不明显,无法针对整个探测器进行温度补偿。此外,主流商用SiPM因器件内部结构和制造工艺的差异导致工作电压相差较大,美国安森美(ONSEMI)公司生产的SiPM的反向击穿电压约为24.5 V;日本滨松生产的SiPM的反向击穿电压约为38 V或70 V;北京师范大学新器件实验室的SiPM的击穿电压约为30 V;湖北京邦公司生产的SiPM的反向击穿电压约为25 V。因此,为满足多家SiPM产品开发需求,SiPM的工作电源需较大的输出动态范围,同时具备低纹波和低噪声性能。为此,本文在研究SiPM-GAGG(Ce)探测器温度响应基础上,采用调节SiPM工作电压方法,设计搭建一套增益补偿系统,并适配不同厂家的SiPM,验证该探测器系统在γ能谱测量中的增益稳定性效能。

1 探测器系统搭建和温度补偿系统设计

1.1 探测器系统搭建

探测器系统由探测器探头、信号加和读出模块和电源3部分组成,如图1所示。其中探测器探头由φ2 in×2 in GAGG(Ce)晶体与8×8 SiPM阵列耦合构成,温度传感器AD7416与SiPM阵列相邻,可精确测量探测器温度。信号加和读出模块由滤波成形电路、电阻网络等构成,通过SMB接口将信号传输给核辐射测量片上系统。

图1 探测器系统结构图Fig.1 Detector system structure

图2 SiPM-GAGG(Ce)探测器Fig.2 SiPM-GAGG(Ce) detector

8×8 SiPM阵列的信号加和读出板为无锡通透公司提供,SiPM型号为ONSEMI J60035,其中单片SiPM有效探测面积为6 mm×6 mm,相邻SiPM的中心间距为6.33 mm,阵列外围尺寸为50.64 mm×50.64 mm。GAGG(Ce)晶体由上海锦虹晶体材料有限公司提供。将GAGG(Ce)晶体与SiPM阵列用光学硅脂进行耦合,并通过3D打印盒子将其拼装起来,最后用3M胶带将探头做避光处理,防止漏光。

1.2 电源系统设计

DC/DC电源系统的结构和实物如图3、4所示,DC/DC电源系统选择STM32系列的STM32F103ZET6作为主控芯片,主要由DAC模块、温度检测模块、I2C模块、USB通讯模块、ADC模块、时钟等组成控制系统。电源系统中的高压模块选用的是西安威思曼生产的MCE0.2P2VP5VM5LS12型高压模块,该高压模块输入电压+12 V,输出电压范围为0～200 V,输出最大功率2 W,温度系数小于10 ppm/℃。输出额定电压前提条件下,纹波电压的峰峰值为最高输出电压的0.001%。通过微控制器(MCU)的DAC模块调节高压模块的基准电压,从而控制DC/DC电源的输出电压。高压模块的Vmon端通过射极跟随器连接到MCU的ADC采集端,MCU通过采集DC/DC电源的输出电压判断与给定值的差异,从而进一步调节DAC的输出来稳定电源的输出,构成反馈调节回路。

图3 电源系统结构图Fig.3 Power supply system structure diagram

图4 电源系统实物图Fig.4 Power supply system physical diagram

1.3 实时温度采集电路

SiPM-GAGG(Ce)探测器的增益随温度的升高而降低,随偏置电压升高而增加。为稳定探测器的增益,必须设计温度实时检测电路,以便于MCU能实时通过温度信息调节探测器的偏置电压[16]。实时温度检测电路如图5所示,温度传感器选择的是美国模拟器件公司(ADI)生产的AD7416。其内部包含带隙温度传感器和10位模数变换器,可将感应温度转换为0.25 ℃量化间隔的数字信号。AD7416片内寄存器可进行高/低温度门限的设置,当温度超过设置门限时,过温漏级开路指示器(OTI)将输出有效信号。另外,可通过I2C接口对AD7416的内部寄存器进行读/写操作,最多可允许8片AD7416挂接在同一串行总线上,该温度传感器可广泛应用于数据采集系统中的环境温度监测。

图5 温度检测电路Fig.5 Temperature detection circuit

温度检测电路无需过多外部器件,将温度传感器读取的探测器温度转换成数字信号,通过I2C通讯模式实时传送给MCU,并将检测到的温度信息通过USB通讯发送给上位机,实现实时温度检测。MCU通过处理分析所收到的温度信息来调节DC/DC电源的输出,从而达到稳谱效果。

1.4 系统软件设计

STM32F103系列微控制芯片基于Cortex-M3的结构,可选用适当的集成开发环境进行系统级开发,为提高开发速度,本系统选用 KEIL Real View MDK(简称RVMDK)微控制器开发套件作为系统开发工具。软件的工作流程如图6所示。

图6 温度补偿系统软件工作流程Fig.6 Temperature compensation system software workflow

温度补偿系统上电后初始化整个系统,然后启动温度传感器和MCU,完成功能和模式的配置。启动ADC,使用STM32片内自带的ADC配合AD7416完成温度检测。利用温度补偿模型计算得到当前温度DC/DC电源需要输出的电压值。最后启动DAC,通过DAC调节DC/DC电源的输出端电压。

2 实验测试及结果分析

首先进行电源的纹波测量和稳定性测量,通过调节MCU的DAC输出观察DC/DC电源在不同输出电压下的纹波,通过至少6 h的长时间测量来观察DC/DC电源的稳定性。分别在不做温度补偿、只补偿SiPM的温度效应和补偿整个SiPM-GAGG(Ce)探测器的温度效应3种情况下测量137Cs、60Co、241Am能谱全能峰峰位道址的变化。

2.1 电源性能测试

DAC输出电压和DC/DC模块输出电压的对应结果如图7所示,线性拟合公式为Vout=35.929VDAC+0.001 9,线性相关度R2≈1,输出电压范围可满足不同型号SiPM工作电压要求。

图7 电源输出线性关系Fig.7 Power supply output linearity relationship

纹波测试使用Tektronix(泰克)MSO58型示波器,由于一般开关电源输出的纹波频率在0～20 MHz范围,而高频同步开关噪声和信号反射等引起的噪声在0～1 GHz范围。所以20 MHz带宽限制可将不必要的高频噪声滤除,电压设置为pk-pk值。通过同轴电缆连接到电源的交流纹波测试端,DC/DC电源输出端通过1 μF的电容后经50 Ω的电阻连接到地,减少杂散电容电感的干扰。对电压输出端进行测试,得到纹波与输出电压的对应关系,如图8所示,根据测试结果可得出纹波系数低于0.001%。

图8 电源纹波测试结果Fig.8 Power supply ripple test result

为确保SiPM-GAGG(Ce)探测器能长时间稳定工作,需电源具有高可靠性。连续6 h对电源输出进行监测,每隔30 min记录1次输出电压和纹波,结果如图9所示,电源长时间工作可靠性高。

图9 电压稳定性测试结果Fig.9 Voltage stability test result

2.2 无温度补偿时的能谱测量

将上述探测器系统置于恒温箱中,并将137Cs、60Co、241Am 3个放射源依次摆放于探测器前,能谱测量实验现场如图10所示。由于GAGG(Ce)晶体尺寸较大,所以每次能谱测量前需至少恒温2 h以上,即可视为探测器整体达到温度一致。

图10 能谱测量实验现场Fig.10 Experimental site of energy spectrum measurement

无温度补偿能谱测试,即在实验时保持加载到探测器的偏置电压不变,设置偏置电压为28.5 V。以20 ℃时测得的137Cs、60Co、241Am的各能量峰位道址作为参考,实验室自研核辐射测量片上系统所测能谱如图11所示。

图11 20 ℃所测137Cs、60Co、241Am能谱Fig.11 137Cs, 60Co, and 241Am energy spectra measured at 20 ℃

为贴合实际野外测量环境,从-20 ℃到40 ℃每隔5 ℃对137Cs、60Co、241Am的能谱进行测量,并记录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,各温度下各能量峰道址如图12所示。-20～40 ℃,探测器对137Cs全能峰的能量分辨率如图13所示。

图12 无温度补偿时137Cs、60Co、241Am各峰位道址漂移曲线Fig.12 Drift curves for 137Cs, 60Co and 241Am for each peak site without temperature compensation

图13 无温度补偿时137Cs能量分辨率变化曲线Fig.13 Variation curve of 137Cs energy resolution without temperature compensation

由测量结果可知,从-20 ℃到40 ℃,探测器对137Cs的662 keV全能峰的能量分辨率,从-20 ℃时的8.08%变化到40 ℃时的14.58%。在对探测器不做温度补偿的情况下,以20 ℃测量到的137Cs的662 keV、60Co的1 173 keV和1 332 keV、241Am的59.5 keV的全能峰峰位道址为参考,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 无温度补偿时各能量峰位道址漂移率Table 1 Drift rate of each energy peak address without temperature compensation

2.3 补偿SiPM温度效应时的能谱测量

根据安森美官网给出的J60035型SiPM的数据手册,该型号SiPM的工作温度每升高1 ℃,其反向击穿电压Vbreakdown增加21.5 mV。且SiPM的增益随温度的升高而降低,其增益可表示为:

(1)

Vbias=0.021 5T+28.07

(2)

将该式写入到MCU中,以补偿温度变化对SiPM增益的影响,将温度设置为-20、-15、-10、-5、0、5、10、15、20、25、30、35、40 ℃,通过调节恒温箱的内部温度测量137Cs、60Co、241Am的能谱。各温度点下测量得到的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图14所示,探测器对137Cs的662 keV全能峰的能量分辨率如图15所示。

图14 只补偿SiPM温度效应时137Cs、60Co、241Am各峰位道址漂移曲线Fig.14 Drift curves for 137Cs, 60Co, and 241Am peak sites by only compensating for SiPM temperature effect

图15 只补偿SiPM温度效应时137Cs能量分辨率变化曲线Fig.15 Energy resolution curve of 137Cs by only compensating for SiPM temperature effect

从-20 ℃到40 ℃,探测器对137Cs的662 keV全能峰的能量分辨率,从8.03%变化到11.78%。在加入SiPM的温度补偿函数后探测器增益随温度变化的程度只在低温下有所减小,但在高温时道址漂移率仍很大。以20 ℃为参考,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 补偿SiPM-GAGG(Ce)探测器温度效应时的能谱测量

SiPM-GAGG(Ce)探测器不仅包含8×8的SiPM阵列,还有φ2 in×2 in的GAGG(Ce)晶体。入射粒子在GAGG(Ce)晶体内损耗并沉积能量,引起晶体中原子、分子的电离和激发,之后受激粒子退激放出闪烁光子,闪烁光子通过硅脂后进入SiPM。所以整个探测器的增益不仅取决于SiPM的增益,还取决于GAGG(Ce)晶体的发光效率。以-20、-15、-10、-5、0、5、10、15、20、25、30、35、40 ℃为能谱测试点,通过手动调节探测器的偏置电压,使137Cs全能峰峰位稳定在511.3道左右,等同于稳定SiPM-GAGG(Ce)探测器的增益。测试结果如图16所示。

图16 温变时稳定探测器增益所需的电压 Fig.16 Voltage required to stabilize detector gain during temperature change

通过拟合得到稳定SiPM-GAGG(Ce)探测器增益所需的偏置电压Vbias和温度T之间的关系为:

Vbias=27.696+0.009 2T+8.871 1×

10-5T2+6.223 8×10-5T3

(3)

线性相关系数R2=0.990 8,将此电压温度曲线写入MCU后再进行能谱测量,与上述2.2和2.3节所测量的各峰位道址漂移对比结果如图17所示。

图17 3种测量条件下的各能量峰位道址漂移曲线Fig.17 Drift curves for each energy peak site for three measurement conditions

对比-20 ℃到40 ℃的实测结果,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 补偿SiPM-GAGG(Ce)探测器温度效应时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

相对于20 ℃时137Cs、60Co、241Am的662 keV、1 173 keV、1 332 keV、59.5 keV的各峰位道址,最大正向漂移分别为4.6、7.8、8.3、0.5道,最大负向漂移分别为4.2、8.7、9.8、0.5道。补偿SiPM-GAGG(Ce)探测器温度效应后测量得到的137Cs的能量分辨率如图18所示,能量分辨率从-20 ℃的8.36%变化到40 ℃时的9.29%。

图18 补偿SiPM-GAGG(Ce)探测器温度效应时137Cs能量分辨率变化曲线Fig.18 Evolution of 137Cs energy resolution by compensating for temperature effects in SiPM-GAGG(Ce) detector

3 结论

为稳定SiPM-GAGG(Ce)探测器的增益,本文搭建了SiPM-GAGG(Ce)探测器温度补偿系统,通过温度传感器实时采集探测器工作温度信息后反馈给MCU,MCU通过调节DAC模块的输出来控制探测器的偏置电压,稳定探测器的增益。为测试温度补偿系统性能,进行了电源可靠性实验、电源纹波测试以及温度补偿测试等实验。测试结果表明,DC/DC电源长期工作稳定性高,电源纹波系数小于0.001%,可输出电压范围为0～100 V,可满足大部分常用SiPM型号的工作电压需求;相比无温度补偿时测量到的137Cs的662 keV、60Co的1 173 keV和1 332 keV、241Am的59.5 keV峰位道址,在只进行SiPM温度补偿后,峰位道址平均漂移率从45.34%、45.13%、44.98%、43.85%降低到了23.68%、23.67%、23.68%、18.30%。对于整个探测器的温度补偿,闪烁晶体的温度效应是必须要考虑的。在进行SiPM-GAGG(Ce)探测器的整体温度补偿后,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%,补偿效果明显。该温度补偿系统具有噪声低、小体积、温度特性曲线可随意定制的优点,有效解决了不同厂家的SiPM驱动电压差异显著问题,以及8×8 SiPM阵列耦合φ2 in×2 in英寸GAGG(Ce)晶体后的温度效应补偿问题。