基于Si-PIN探测器的电流型计数式α粒子测量

田 耕，欧阳晓平，刘金良，李海涛，张显鹏，2，渠红光

（1.西北核技术研究所，陕西西安 710024；

2.西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安 710049）

基于Si-PIN探测器的电流型计数式α粒子测量

田 耕1，欧阳晓平1，刘金良1，李海涛1，张显鹏1，2，渠红光1

（1.西北核技术研究所，陕西西安 710024；

2.西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安 710049）

Si-PIN；电流型计数；α粒子测量；数字滤波器；脉冲辐射场

脉冲辐射场测量工作广泛开展于粒子加速器、脉冲式反应堆、托卡马克装置及ICF装置等大型设施的物理过程的诊断中，对于物理机制的认知具有重要意义。Si-PIN半导体探测器具有时间响应快、能量分辨率高和体积小的特点，适合测量低能γ射线和X射线，及电子、α粒子和质子等带电粒子，配合使用转换靶时还可测量中子，广泛用于组建电流型测量系统实现脉冲辐射场测量［1－2］。但当被测辐射场的强度较低时，此类电流型测量系统不再适用，因为探测器事件率相对较低，事件堆积不足，无法形成足够强度的电流信号输出。此时若使用基于Si-PIN探测器的计数型测量系统，同样难以达到良好的测量效果。因为该类系统中，探测器输出的信号在输入多道分析仪（MCA）前需经过前置放大器和脉冲成形主放大器处理［3］。由于主放大器输出的成形脉冲的宽度较宽（通常为1～10μs量级），因此系统的计数率受到限制，一般上限为105s－1。同时对于持续时间在μs～s量级的脉冲辐射场，若使用屏蔽等方法降低探测器事件率以适应系统的计数率，会使总计数太少而失去统计意义。脉冲辐射场测量中往往需要实现场强随时间变化的测量，场强较低时可通过测量每个粒子的入射时刻来实现，但在计数型测量系统中由于成形脉冲的上升时间较长，不能精确反应粒子的入射时刻，因此测量粒子时间信息时需使用额外的电路［4］，这就增加了系统的复杂程度，且也无法提高能谱测量的计数率。

1 测量原理

α粒子入射Si-PIN探测器时在探测器中产生的电子-空穴对，在外加电场的作用下向探测器两极漂移并在探测器的输出回路中产生感生电流，形成脉冲信号输出。在载流子完全收集的情况下，该脉冲包含的电荷反映了入射粒子的能量。Si-PIN等半导体探测器在单粒子入射时输出的电流信号强度微弱、无法直接传输和记录，故需使用前置放大器进行放大。普通的基于半导体探测器的数字式探测系统使用传统的电荷型前置放大器及主放大器进行脉冲信号调理，给系统的计数率带来限制［5－7］。电流型计数系统使用高带宽电流型前置放大器对Si-PIN探测器输出信号进行线性放大并尽量减小探测器输出回路时间常数，使放大后的脉冲宽度无明显展宽，以利于达到较高的计数率。放大后的脉冲信号通过阻抗匹配的传输线输入超高速数据采集设备进行记录。使用脉冲幅度提取和时间信息分析算法统计各粒子的波形数据，从而实现能谱和时间信息的联合测量。

在普通的数字式探测系统中，脉冲幅度提取算法主要有直接比较法、曲线拟合法和滤波成形法等，其中最常用的是以梯形成形滤波为代表的成形算法，但其适用对象通常是电荷灵敏型前置放大器输出的负指数信号［8－10］，对于电流型前置放大器输出的高速电流脉冲并不适用。由于脉冲波形的面积表征了脉冲所包含的电荷量，因此对波形进行数值积分可获得入射粒子的能量信息。对于α粒子测量，在采样率较高的情况下还可使用直接比较法统计脉冲信号的幅度来获得脉冲幅度谱。这是由于α粒子等重带电粒子在Si-PIN探测器中的射程较短且射程歧离很小，对于电荷收集来说，载流子漂移的情况相近，因此探测器输出的电流脉冲形状相近。该情况下脉冲的幅度主要由入射粒子的能量决定，且较小的射程歧离使弹道亏损较小。

2 实验

利用Si-PIN探测器、电流型前置放大器和高带宽示波器组建电流型计数测量系统。该探测器的灵敏区直径φ＝20 mm、厚度d＝300μm，工作偏压Vd＝90 V。测量时探测器与源置于真空腔体中，以消除空气对α粒子的吸收并屏蔽电磁干扰。采用具有密封性能的BNC电缆座为探测器提供信号输出及供电输入接口。其中，信号输出通过长15 cm、阻抗50Ω的同轴电缆输入电流型前置放大器，该段电缆外部利用铜网屏蔽以减小电磁干扰和电子学噪声。采用带屏蔽的电池组为探测器供电以降低电源噪声对测量的影响。电流型前置放大器输出的信号由高带宽示波器在计算机控制下记录并存储。测量系统结构示于图1。

图1 测量系统结构Fig.1 Structure of measurement system

由于受到输出回路电容和α粒子入射的等离子体时间等因素的影响，探测器输出电流波形的形状难以解析描述，但根据Si的载流子平均漂移速率、工作偏压和灵敏区厚度等参数可估算出电流脉冲信号的底部宽度约为20 ns。考虑到等离子体时间和输出回路电容对波形上升时间的展宽，可认为上升时间的量级约为10 ns，因此电子学设备的带宽上限（－3 dB）应达到100 MHz。据此设计基于2级运算放大器的800倍增益、100 MHz带宽、50Ω输入阻抗的电流型前置放大器，实现脉冲信号的线性放大。采用带宽1 GHz、最大采样率20 GS／s的高带宽数字示波器记录波形数据；使用C＋＋语言开发实验控制软件，实现采集窗和连续记录两种数据记录模式及自动测量功能［11］。测量系统的最大计数率与探测器输出脉冲的宽度及可接受的脉冲堆积程度相关。利用输出脉冲底宽约100 ns的LaBr3：Ce无机闪烁体探测器，在不同强度的137Cs源上对系统的数据记录功能和计数率进行考核，得到的结果为：当输入脉冲底宽不大于100 ns、堆积不超过20%时，系统的计数率在采集窗模式下约达到2× 105s－1，连续记录模式下约达到2×106s－1，因此适用于相应计数率的低强度脉冲辐射场测量。由于Si-PIN探测器输出脉冲宽度仅约20 ns，因此系统的理论计数率将高于上述实验值。在堆积不超过20%时，系统的计数率理论上限约为107s－1。

3 数据处理

在传统的计数型测量系统中，电荷灵敏型前置放大器和脉冲成形主放大器的参数通常针对噪声进行优化，因此成形后的脉冲具有较高的信噪比（SNR）。在电流型计数测量系统中，由于电流型前置放大器对较宽频段的信号进行线性放大，因此输出信号的SNR通常不如传统系统的，但可利用数字滤波算法处理原始数据来抑制电子学噪声，提高能谱统计时的能量分辨率。采样率较高时，Si-PIN探测器输出的电流脉冲信号的频谱位于相对低频的部分，因此可使用数字低通滤波器（LPF）算法去除噪声。常用LPF算法可分为FIR和IIR两类，其在计算量和稳定性上各有优势。主要的FIR型滤波算法有Hann、Hamming、Blackman和滑动平均滤波等算法；IIR型滤波算法有Butterworth、ChebyshevⅠ型与Ⅱ型、Bessel和椭圆滤波等。

实验中，测量系统记录的单粒子的典型波形示于图2，可看出，波形上叠加有较大噪声。对该波形进行能谱分析，得其主要能量处于30 MHz以下的频率范围内。按照通带边缘频率ωp＝30 MHz，设计实现上述4种FIR和5种IIR的LPF算法，实现波形数据的去噪处理，在处理实验数据中反复调整滤波器参数以获得较优的结果。

图2241Am－244Cm 源α粒子波形Fig.2 Waveform ofα－particle of241Am-244Cm source

利用239Pu源测量得到的原始波形数据，采用直接比较法进行脉冲幅度谱统计，得到α峰的能量分辨率仅约17%（图4a）；使用传统MCA进行对比测量，得到的α峰能量分辨率为2.9%（图4b）。

图3241Am-244Cm 源α能谱的电流型计数测量结果Fig.3 α－particle spectra of241Am-244Cm measured by current-mode-counting method

图4239Pu源α能谱的电流型计数测量原始结果Fig.4 α－particle spectra of239Pu measured by current-mode-counting method

图5 数据经LPF处理后获得的241Am-244Cm 源α能谱Fig.5 α－particle spectra of241Am-244Cm with data processed by LPF

为评价滤波算法的效果，定义两个峰的区分参数FOM如下：

其中：H1为241Am的α峰计数；L1为能谱曲线在241Am的α峰与244Cm的α峰之间的计数最小值。

利用上述各种LPF处理原始数据后，使用直接比较法统计能谱，得到的能谱曲线经双高斯拟合后判读出H1和L1，根据式（1）计算得到的区分参数列于表1。

对于239Pu源测量，FIR和IIR滤波器的典型处理效果示于图6。利用各种LPF处理原始数据后使用直接比较法统计能谱，得到的能谱曲线经高斯拟合后，获得α峰能量分辨率的典型值为6.1%～6.4%（表2）。

表1241Am-244Cm 源α粒子测量中数字滤波算法效果Table 1 Effect of digital filter with data of241Am-244Cm αsource measurement

图6 数据经LPF处理后获得的239Pu源α能谱Fig.6 α－particle spectra of239Pu with data processed by LPF

表2239Pu源α粒子测量中数字滤波算法效果Table 2 Effect of digital filter with data of239Puαsource measurement

利用数字式梯形成形、三角形成形和高斯滤波等算法处理数据，得到241Am-244Cm能谱曲线的FOM为0.61～0.75，239Pu能谱α峰的能量分辨率为8.0%～11.1%，低于上述除滑动平均滤波外的所有数字LPF算法，说明在处理此类线性放大的脉冲信号时传统算法的幅度信息提取能力有限。利用波形面积数值积分方法进行能谱统计，获得与直接比较法一致的结果，但能量分辨率略低，这是由于实验中波形采集时的采样率远高于信号的带宽，有利于直接比较法。且对于单能的入射粒子来说，较小的射程歧离使电流脉冲强度峰值的弹道亏损较小，直接比较法获得的脉冲幅度能较好表征事件能量。利用SRIM-2006计算得到的4.5～5.5 Me V的α粒子入射Si的射程与纵向歧离列于表3。可见，4.5～5.5 MeV的α粒子射程差为7.06μm。对于灵敏体积厚度为300μm的Si-PIN探测器，射程差占总厚度的比例约为2.4%，可认为射程差对输出脉冲幅度的影响较小。

表3 α粒子在Si中的射程与纵向歧离Table 3 Project range and longitudinal straggling ofα－particle in Si

图7239Pu源α粒子测量5 000个事件的时间分布Fig.7 Time distribution of 5 000 measured events for239Puα－particle

4 结论

本文利用电流型Si-PIN探测器、电流型前置放大器和高带宽示波器组建了电流型计数式α粒子测量系统，最大计数率达2×106s－1，能实现相应计数率的脉冲辐射场的测量；电流型计数测量的计数率上限与探测器速度和测量中可接受的脉冲堆积程度相关，本文利用Si-PIN探测器建立的测量系统在堆积20%时计数率理论上限约为107s－1。在241Am－244Cm和239Pu源上开展实验，获得了α粒子入射探测器时产生的电流波形和入射时刻信息，实现了α粒子能量和入射时间分布的联合测量。在能谱测量中，通过使用FIR和IIR等数字LPF算法对原始波形进行数字滤波，有效抑制了噪声，得到了接近于传统MCA的能量分辨率。

基于Si-PIN探测器的电流型计数测量方法适用于低强度脉冲辐射场测量，有望为大型物理研究设施的物理过程诊断提供有效测量手段。

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Current-mode-counting Measurement ofα－particle with Si-PIN Detector

TIAN Geng1，OUYANG Xiao-ping1，LIU Jin-liang1，LI Hai-tao1，ZHANG Xian-peng1，2，QU Hong－guang1
（1.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，China；2.School of Nuclear Science and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

The current-mode-counting measurement method was proposed to overcome the shortcomings of traditional counting system with Si-PIN detector such as relatively low count rate and the inconvenience of time information measurement of particles in low intensity pulsed radiation measurement.In the method，the pulse generated by Si-PIN detector as induced by incident particle was amplified linearly and then digitized at high speed，and the spectrum was acquired by digital signal processing algorithms with the waveform data.The current-mode-counting measurement system was developed with Si-PIN detector，current-sensitive preamplifier and wideband digital oscilloscope.Experiments were carried out with241Am-244Cm and239Pu sources，and spectra and time distributions of incidentα－particles were acquired.The energy resolution of spectra wasenhanced by FIR and IIR digital filters in data processing.The count rate is up to 2× 106s－1，and the system is suitable for the measurement of low intensity pulsed radiation field.

Si-PIN；current-mode-counting；α－particle measurement；digital filter；pulsed radiation field

O571.53；TN152

A

1000-6931（2015）09-1678-07

10.7538／yzk.2015.49.09.1678

2015-02-04；

2015-03-18

国家自然科学基金资助项目（11305129）

田 耕（1978—），男，河北保定人，高级工程师，硕士，从事脉冲射线束测量及核电子学研究