大面积塑料闪烁体适合阈值电压研究

陈久涛 宋玉收 许蕤 宋润州 陈声强

（哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 哈尔滨 150001）

塑料闪烁体的能谱没有全能峰，通常不用于光谱学研究，主要用于辐射水平计数。其具有衰减时间短、响应快、成本低等特点，常用于γ 检测。大面积塑料闪烁体探测器应用广泛，在核电站等场所出入口的人员放射性监测、车辆污染监测、大型工具污染测量及反恐放射性测量等辐射仪器上普遍采用大面积塑料闪烁体［1-2］，用于鉴别物品是否存在放射性污染。通常采用塑料闪烁体与光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）组合的方式进行辐射探测［3］，塑料闪烁体在射线作用下发光，光子收集进入PMT收集，转换为电信号。信号进入后续处理电路中，处理电路包括信号放大电路和比较电路，最终将信号接入计数器，记录高于阈值电压的脉冲信号个数［4］，待后续相关研究。

大面积塑料闪烁体的尺寸比PMT 光阴极尺寸大很多时，要实现对光子的有效收集和不同位置光子的收集效率一致性较好并不简单［5-6］。由于收集端对不同位置光子的收集效率不同，导致入射在不同位置的射线最终在PMT 阳极输出的信号的大小也不同。当阈值电压确定时，由于入射在大面积塑料闪烁体不同位置的射线产生的信号大小不同，存在探测效率一致性差异。

大面积塑料闪烁体探测器对不同位置（特别是远离收集端）入射的射线有效探测的同时，减小不同位置探测效率一致性差异，尽可能降低探测器的最小可探测活度，选取合适的阈值电压，成为有待研究的问题。

本文采用大面积塑料闪烁体探测器模块，利用CAEN DT5742 数字化仪，采集了本底信号和60Co、137Cs 源在大面积塑料闪烁体不同位置的信号，通过峰值提取算法得到本底能谱和60Co、137Cs 源在大面积塑料闪烁体不同位置的能谱，对探测器进行了康普顿边缘（Compton Edge，CE）能量刻度［7］，根据本底能谱与60Co源在大面积塑料闪烁体不同位置下的能谱，结合处理电路的信号放大关系确定了合适阈值电压。基于单片机设计了一套计数器系统，研究了在不同阈值电压下，60Co 源在大面积塑料闪烁体不同位置的探测效率，和60Co、133Ba源在远离收集端的最小可探测活度的关系，结果证明了根据能谱信息和处理电路的信号放大关系计算出合适阈值电压的可行性。

1 实验方法

1.1 能谱采集

为确定合适的阈值电压，需要先获取大面积塑料闪烁体本底能谱和60Co源在大面积塑料闪烁体不同位置的能谱。

采用CAEN DT5742数字化仪，用于脉冲信号采集；采样率2.5 GHz，测量范围0～1 V，分辨率12 bits，采集范围偏置可调。采用的塑料闪烁体，衰减时间为2.5 ns，光产额为10 156 MeV-1；大小为400 mm×300 mm×50 mm；PMT为北京滨松CR105型；实验所用放射源：放射源60Co 的活度为7 100 Bq，放射源137Cs 的活度为3.3×105Bq，放射源133Ba 的活度为2.6×105Bq。将PMT 阳极信号接入DT5742 数字化仪采集通道，对本底和60Co、137Cs源在大面积塑料闪烁体三个不同位置的信号进行采集。

将PMT阳极信号接入DT5742数字化仪采集通道，对本底和60Co、137Cs源在大面积塑料闪烁体三个不同位置的信号进行采集。

本底及60Co、137Cs 源在大面积塑料闪烁体三个位置的信号，133Ba源只采集了位置1处的信号，放射源信号的采集时间均为3 min。其中，采集放射源信号时，利用准直器进行准直，三个位置示意图如图1所示。

图1 检测位置示意图Fig.1 Schematic of detection positions

位置1为远离收集端位置，位置2为探测器的中间位置，位置3靠近探测器收集端。考虑到DT5742数字化仪自身可能存在基线漂移、老化等原因，需要对DT5742数字化仪进行标定。

1.2 阈值电压确定

以60Co 源数据为例，通过大面积塑料闪烁体本底能谱和60Co源在大面积塑料闪烁体三个不同位置的能谱，得到放大前的合适阈值电压，结合处理电路的信号放大关系，确定最终放大后的合适阈值电压。

处理电路由放大电路、滤波成型电路、电压比较电路和单稳态触发电路组成。其中，放大电路的作用是将大小相近的脉冲信号区分开，放大后的信号进入比较电路，与单片机数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）外设提供的比较电压进行比较，从而实现对放大后的信号过阈检测，这里的比较电压即为放大后的阈值电压。放大后的阈值电压大小由处理电路的放大关系和放大前的阈值电压确定。在放大电路中，电荷灵敏前置放大器的输出幅度usc表示为：

其中：K为运算放大器开环增益；Q为输入电荷量；CF为反馈电容；Ci为电荷灵敏前置放大器输入端的等效电容；usc为电荷灵敏前置放大器的输出电压幅度；usr为电荷灵敏前置放大器的输入电压幅度。开环增益足够大时，放大器的输出基本不受探测器极间电容、放大器开环时输入电容和电压增益等参数的影响，稳定性高［8-9］，只与探测器的输出电荷Q和反馈电容CF有关，最终输出电压［10］可表示为：

信号的电荷量Q与射线能量E成正比，当PMT输出的信号的脉冲宽度很小（塑料闪烁体的信号持续时间通常很短，在几十纳秒左右），且脉冲宽度和脉冲形状基本一致的情况下，脉冲信号的电荷量Q近似与脉冲幅度成正比。

为了进一步确定放大线性关系，对放大电路进行标定。先利用示波器观察塑料闪烁体探测器在有无60Co 源条件下，阳极输出的脉冲信号的大小及形状，利用信号发生器，发出与大面积塑料闪烁体探测器脉冲宽度一致，大小不同，幅度在合理范围的脉冲信号，并接入处理电路，用示波器观察记录放大后信号的大小，得到处理电路的信号放大关系，即放大前的阈值电压与经放大后的阈值电压关系。

1.3 信号计数

为了研究在不同阈值电压下的大面积塑料闪烁体的探测效率，设计了一套计数系统，采用意法半导体生产的STM32F429为主控芯片，用作计数器。

塑料闪烁体探测器PMT 阳极输出的脉冲信号经过处理电路，最终生成3.3 V、脉宽为10 μs的TTL信号，将TTL 信号接入单片机的IO 口，进行脉冲计数，并在LCD 屏上显示计数率。以在位置2 的60Co源计数实验为例，计数系统如图2所示。

图2 计数系统示意图Fig.2 Schematic of counting system

1.4 最小可探测活度

最小可探测活度（Minimum Detectable Activity，MDA）计算公式采用国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，IAEA）标准［11-13］，计算式为：

式中：k为标准正态分布单边置信因子（kα=kβ）；α通常取0.05，k取1.645；nb为本底计数率；ts为测量样品时间10 s；tb为测量本底时间60 s；F为探测器校准因子，即单位放射源单位放射性活度在探测器中产生的计数率counts·s-1·Bq-1。

2 结果与讨论

2.1 能量刻度

探测器需要进行能量刻度。以60Co、137Cs 源在大面积塑料闪烁体位置1 的能谱为例，进行康普顿边缘能量刻度［7］，其中，采集的单个脉冲信号如图3所示。

图3 塑料闪烁体单个脉冲信号Fig.3 Single pulse signal of plastic scintillator

信号脉冲宽度，包括PMT 上升时间、分压器输出RC 时间常数、渡越时间和下降时间的贡献［14］。康普顿边缘的能量Eemax［15］计算式表示为：

式中：Eγ为γ 射线能量；m0c2是电子静止质量，康普顿边缘对应道址［16］计算式表示为：

式中：nc为康普顿边缘对应道数值；np为高斯拟合后的康普顿峰值对应的道址；σ为高斯拟合后的标准偏差。拟合结果如图4所示。

图4 放射源在大面积塑料闪烁体位置1能谱拟合示意图(a) 60Co，(b) 137CsFig.4 Energy spectrum fitting curve for source in large-area plastic scintillator at position 1 (a) 60Co，(b) 137Cs

根据图4（a）高斯拟合结果np=197；σ=58.6，由式（5）计算得出康普顿边缘的道址为265道，康普顿边缘的能量为1.038 MeV（其中60Co源发射的γ射线能量取Eγ=1.25 MeV）；根据图4（b）高斯拟合结果np=94；σ=68.2，由式（5）计算得出康普顿边缘的道址为173 道，康普顿边缘的能量为0.476 MeV（其中60Co源发射的γ 射线能量取Eγ=0.662 MeV）。对其进行能量刻度有：

2.2 能谱与阈值电压

利用DT5742 数字化仪采集了大面积塑料闪烁体本底和60Co、137Cs 源在大面积塑料闪烁体三个不同位置的信号，采用脉冲幅度提取算法，绘制大面积塑料闪烁体本底能谱和60Co源在大面积塑料闪烁体三个位置的能谱，如图5所示。

图5 大面积塑料闪烁体本底能谱和放射源在大面积塑料闪烁体不同位置下的能谱 (a) 60Co，(b) 137CsFig.5 Background and source energy spectrum for different position of large area plastic scintillatorr (a) 60Co，(b) 137Cs

由图5（a）可知，60Co 源在大面积塑料闪烁体位置1与位置2能谱形状基本一致，但位置2能谱的康普顿峰所在位置略微大于位置1能谱的康普顿峰的位置；在300～600道内，由于位置3靠近收集端，产生计数的信号大小理论更大，单个信号收集到的光子数理论上高于位置1和位置2，所以位置3的能谱计数在300～600道内，高于其余两处位置。

由图4（b）可知，137Cs 源在大面积塑料闪烁体不同位置能谱图测试结果与60Co源类似。137Cs源在位置1能谱与位置2能谱形状基本一致，位置2能谱的康普顿峰所在位置略微大于位置1能谱的康普顿峰的位置；在125～200道内，由于位置3靠近收集端，产生计数的信号大小理论更大，单个信号收集到的光子数理论上高于位置1和位置2，位置3的能谱计数也高于其余两处位置。需要注意的是在150～350道内，本底计数高于137Cs源在不同位置的计数，这是由于测量时间不同所导致的，本底测量时间大于137Cs源的测量时间。

以60Co 源实验数据为例，根据大面积塑料闪烁体本底能谱和60Co源在大面积塑料闪烁体不同位置的能谱，确定合适的阈值电压。由图5可知，随着道址的增加，本底能谱计数整体呈下降趋势，60Co源在大面积塑料闪烁体三个不同位置的能谱计数，呈现先下降后上升再下降的趋势，其中能谱计数上升这是由60Co源发出的γ射线贡献所导致的，以134道为例，60Co 源在大面积塑料闪烁体三个位置的能谱计数从134道后开始上升，根据DT5742数字化仪标定的结果，计算出134 道对应的放大前的合适阈值电压为34.5 mV。

由能谱信息计算得到的放大前的合适阈值电压，根据处理电路信号放大关系，确定最终的放大后的合适阈值电压。

根据信号发生器发出的不同大小的脉冲信号与经过放大电路后示波器输出的对应脉冲信号的大小关系，绘制放大线性关系曲线如图6所示。

图6 信号放大线性关系Fig.6 Signal-amplification linear relationship

拟合曲线，R2=0.999，结果表明，放大电路有很好的信号线性放大关系，可表示为：

式中：Vin为放大前的阈值电压；Vout为放大后的阈值电压。

根据式（7），即放大前的阈值电压Vin与放大后的阈值电压Vout的线性关系，由放大前的合适阈值电压34.5 mV 计算最终放大后的合适阈值电压为93.7 mV。

2.3 探测效率与阈值电压

大面积塑料闪烁体的阈值电压设置过高，射线入射在远离收集端时，由于远离收集端对光子收集效率相对较低，导致信号幅度低于阈值电压，造成漏计数，导致探测器的探测效率降低［17］；阈值电压设置过低时，提高了远离收集端的探测效率，同时提高了本底计数，导致本底标准差变大，提高最小可探测活度，影响探测下限。

利用单片机DAC 发出稳定的电压接入比较器中，即放大后的阈值电压。分别将60Co 源放置在大面积塑料闪烁体三个不同位置，在不同的阈值电压下，利用计数器，进行计数实验。得到60Co源在大面积塑料闪烁体不同位置，不同阈值电压下的探测效率的关系曲线，如图7所示。

图7 60Co源在大面积塑料闪烁体不同位置下阈值电压与探测效率关系Fig.7 Relationship between the threshold voltage and detector efficiency for the 60Co source at different positions of the large-area plastic scintillator

分析：当阈值电压设置在50～100 mV 范围时，60Co源在大面积塑料闪烁体三个位置的探测效率之间相差较小，探测效率一致性较好；阈值电压在100～160 mV范围内时，三个位置的探测效率逐渐降低，这是由于脉冲信号小于阈值电压导致计数降低，且60Co源在位置1与在其余两个位置的探测效率偏差逐渐变大，这是位置1远离收集端，导致的探测效率低，且阈值设置偏高所导致的。表明此时探测效率均匀性较差。且对位置1的影响变化最为明显。

结果表明：不同阈值电压下，60Co 源在位置2 的探测效率最高。这是由于位置3 靠近收集端，入射在该区域的γ射线，在收集端的附近产生的光子，经过反射，反而远离收集端，导致没有被计数所导致的。位置2为闪烁体的中心位置，入射的γ射线在中心位置产生的光子，经过反射，最终进入收集端。位置1 由于远离收集端，光子部分损失在塑料闪烁体中，综合以上因素，最终导致60Co源在大面积塑料闪烁体位置2 的探测效率最好，这一结果与探测器的结构设计有关。

2.4 MDA与阈值电压

由前面分析可知，阈值电压应设置在50～100 mV范围内，此时大面积塑料闪烁体的探测效率一致性较好，60Co源在大面积塑料闪烁体位置1有较高的探测效率。为进一步确定合适阈值电压，下面研究不同阈值电压下，60Co 源在大面积塑料闪烁体位置1 的MDA 和探测效率关系，寻找满足较低MDA，较高探测效率对应的阈值电压。60Co 源在大面积塑料闪烁体位置1 时，不同阈值电压与60Co 源在位置1的MDA关系如图8所示。

图8 阈值电压与MDA和效率的关系Fig.8 Relationship between threshold voltage and MDA and efficiency

分析：当阈值电压较小时，60Co 源在位置1 的探测效率处于饱和，随着阈值电压升高，探测效率逐渐降低，是由于部分60Co源的γ 射线产生的信号较小，部分信号没有过阈造成漏计数，导致探测效率降低。

MDA 呈现先下降后上升的趋势。下降是由于随着阈值电压的上升，产生计数的信号更大，低本底和电子学噪声的计数减少，本底的标准差变小，导致MDA 变小；上升是因为当阈值电压过高时，降低了低本底和电子学噪声计数的同时，部分较小的辐射信号计数也降低了，减小了探测效率，导致MDA升高。

根据图8 的实验结果，阈值电压在95 mV 附近时，60Co 源在位置1 的探测效率较好，MDA 较低，说明95 mV为合适阈值电压。通过大面积塑料闪烁体本底能谱和60Co源在不同位置能谱和电路放大关系得出的合适阈值电压为93.7 mV，二者相对误差小于2%。综上所述，通过对比本底能谱与60Co源在大面积塑料闪烁体不同位置的能谱和电路放大关系，确定合适阈值电压的方法具有一定的可行性。

此外，在不同阈值电压下，得到了大面积塑料闪烁体探测器对对133Ba源在位置1时，与MDA和探测效率的关系，如图9所示。

图9 133Ba源阈值电压与MDA和效率的关系Fig.9 Relationship between threshold voltage and MDA and efficiency for 133Ba source

由图9结果可知，133Ba源在大面积塑料体位置1时，随着阈值电压的提升，MDA逐渐上升，探测效率逐渐降低，这是由于133Ba源放出的γ射线能量低，在该实验背景下，产生的信号小导致的，阈值电压设置的值高于有效信号的幅度大小，所以没有观察到MDA先下降后上升的变化趋势，这是由于探测器和电路本身所造成的，也是实验的不足之一，没有在较低阈值电压下，进行相关的实验测试（实验采用的最低阈值电压为52 mV）。

3 结语

大面积塑料闪烁体过阈检测计数中，通过对比本底能谱和60Co源在大面积塑料闪烁体不同位置的能谱，结合处理电路的信号放大关系，确定了合适阈值电压为93.7 mV。研究了在不同阈值电压下，60Co源在大面积塑料闪烁体不同位置下的探测效率和最小可探测活度的关系，根据结果，确定出合适阈值电压95 mV，二者相对误差较小，证明了通过能谱信息和处理电路放大关系获取的阈值电压的可行性，在该阈值电压下，60Co 源在大面积塑料闪烁体不同位置下的探测效率一致性较好，在远离收集端具有较低的最小可探测活度，实验具有一定的参考价值。

作者贡献声明陈久涛负责论文的总体研究，论文的编写和修订；宋玉收负责指导实验，指导论文的编写以及提供实验设备；许蕤负责设计、提供实验所需的电子学器件；宋润州负责搭建实验平台，参与实验；陈声强负责指导电子学设计。