CsI(Tl)晶体的APD前端读出特性研究

胡　浪　张开琪　曾国强　赖茂林　杨　剑　魏世龙

（成都理工大学　地学核技术重点实验室　成都　610059）

CsI(Tl)晶体的APD前端读出特性研究

胡浪张开琪曾国强赖茂林杨剑魏世龙

（成都理工大学地学核技术重点实验室成都610059）

雪崩光电二极管（Avalanche photodiode, APD）体积小、探测效率高、内置增益、对磁场不敏感，但其内置增益、输出脉冲信号的信噪比受偏置电压与温度影响明显。将APD作为CsI（Tl）闪烁晶体的光电读出器件，并配以低噪声的电荷灵敏前置放大器，组成闪烁探测器的探头。在不同的偏置电压与温度下，测试了该探头组成的闪烁探测器的能量分辨率。实测表明，偏置电压、温度将影响探测系统的能量分辨率，在室温且APD两端的偏置电压为370 V时，对能量为662 keV的γ射线能量分辨率为4.98%；在-20-40 ºC内，能量分辨率随温度的降低而提高。

雪崩光电二极管，CsI（Tl）闪烁晶体，偏置电压，温度，能量分辨率

闪烁探测器具有探测效率高、时间响应快、能量分辨率高等优点，主要由闪烁体、光电转换器件及相关电子学器件组成［1］。光电转换器件在闪烁探测器中作用是将闪烁体产生的荧光光子转化成电脉冲信号，光电转换器件输出电脉冲信号的信噪比、输出脉冲信号的线性都对闪烁探测器的能量分辨率有一定的影响。通常选用的光电转换器件有本征光电二极管（PIN photodiode, PIN）、雪崩光电二极管（Avalanche photodiode, APD）、光电倍增管（Photomultiplier tube, PMT）以及硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier, SiPM）。PIN无增益放大、输出脉冲信号信噪比低、出谱效果差；APD体积小、量子效率高、内置增益、对磁场不敏感，但增益小、输出脉冲信号较为微弱；PMT灵敏度高、增益大、噪声小、输出脉冲信号信噪比高，但PMT为真空器件体积大、机械强度小；SiPM结构紧凑、偏置电压低、增益与PMT相近，但输出脉冲信号的噪声大［2-5］。

闪烁探测器的广泛应用对闪烁探测器的光电转换器件提出了新的要求。比如体积小、功耗低、机械强度大、噪声低以及对磁场不敏感等，相比于PIN、PMT及SiPM，APD更满足这些要求，因此可选择APD作为闪烁探测器的光电转换器件。但APD为基于半导体的光电转换器件，两端的偏置电压与工作的温度均影响APD输出脉冲信号的信噪比，进而影响闪烁探测器的能量分辨率。本实验将测试偏置电压与温度对以APD为光电转换器件的闪烁探测器的性能影响，进而确定最佳的工作偏置电压及温度的影响。实验采用了日本滨松生产的尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的CsI（Tl）闪烁体及滨松S8664-1010大面积雪崩光电二极管构成辐射探头。

1　APD工作原理

能量高于禁带宽度的入射光子进入APD后，产生电子-空穴对，电子-空穴对在反向偏置电压的作用下分别向P区与N区漂移，当PN结之间的场强高于104V·cm-1时，这些电子-空穴对与半导体的晶格原子发生碰撞并使晶格原子电离产生新的电子-空穴对，新产生的电子-空穴对将继续被偏置电场加速并获得足够的能量再发生碰撞同时产生新的电子-空穴对，如此循环过程连锁反应最终导致光电流的雪崩放大。根据两端所加偏置电压的大小，APD的工作模式可以分为雪崩模式与盖革模式［3］。雪崩模式下的增益大致范围在100倍左右，同时其输出电流的大小与所加的反向偏置电压具有良好的线性关系，可以用于能谱测量［6］。但APD的增益小，输出脉冲信号微弱，可使用输入阻抗大、噪声低、增益稳定的电荷灵敏前置放大器（Charge sensitive preamplifier, CSP）对APD输出脉冲信号进行放大。APD正常工作时，实际性能受增益、暗电流、结电容等因素的影响，本文将从偏置电压与温度两个方面来探究以APD为光电转换器件的闪烁探测器对137Cs放射源产生的能量为662 keV的γ射线的能量分辨率以及信号脉冲幅度大小的影响。

2　实验设计

APD输出脉冲信号的信噪比会直接影响探测系统的性能。APD实际的增益、暗电流、结电容的大小与两端实际的偏置电压和工作温度相关，因此从偏置电压、温度两方面进行测试，探究偏置电压、温度对APD输出脉冲信号的信噪比影响，间接地通过探测系统对137Cs放射源产生的能量为662 keV的γ射线的能量分辨率来确定APD最佳的工作偏置电压以及温度的影响。

测试偏置电压与温度对APD性能的影响需耦合闪烁晶体，滨松S8664-1010型APD在入射荧光光子波长在680 nm时量子效率最高可达到86%左右，而目前使用较为广泛的无机闪烁体中，相对于NaI（Tl）闪烁体，CsI（Tl）闪烁体的抗机械性能强、密度高、对γ射线吸收系数大，峰值波长550 nm处量子效率可达到85%，因此选用CsI（Tl）闪烁体。APD输出脉冲信号较为微弱，可使用CSP放大，但是CSP增益调节不方便，因此在CSP的后级增加了一级增益可调的同向放大以调节输出脉冲的幅度，放大后的脉冲信号经带上升时间甄别的数字多道脉冲幅度分析器（Digital multi-channel pulse amplitude analyzer, DMCA）进行幅度分析得到谱线，DMCA将谱线上传到上位机，经专门的能谱数据测试平台保存记录下来，在成谱和能谱数据记录的同时，上位机也可实时调整DMCA中软/硬增益、成形时间常数、快通道触发阈值、甄别时间等参数，以得到最佳能量分辨率的谱线［4,7］。最后在PC上显示数据。具体的测试系统如图1所示。

图1　测试系统结构图Fig.1　Structure diagram of test system.

3　实验结果与分析

3.1偏置电压影响测试

APD实际的增益与两端所加的偏置电压大小相关，偏置电压的大小将影响输出脉冲信号的幅度，同时也会影响APD的暗电流与结电容的大小，这些都会影响输出脉冲信号的信噪比、探测系统的能量分辨率。工作于雪崩模式有效的线性输出范围之内的APD实际的增益大小与输出脉冲信号幅度成正比，因此实际的增益大小可通过测试输出脉冲信号的幅度来间接表示增益。在保持所有的参数不变的情况下，仅改变所加的偏置电压来测试输出脉冲信号幅度的大小，图2为将137Cs源放置在距离探测器10 cm处，APD输出脉冲信号经过CSP放大后再同向放大5倍的实际波形。最终输出的脉冲幅度约650 mV，因此APD的信号经过CSP放大后输出脉冲信号的幅度为130 mV。

图2　CSP的输出波形图Fig.2　Output waveform of CSP.

室温（约23 ºC）下，将137Cs源放置于离CsI（Tl）闪烁晶体10 cm处，且正对屏蔽盒的窗口处，分别测试偏置电压分别为330 V、350 V、370 V、390 V下系统的能谱响应，测量时间为5 min。同时，在上位机能谱测量平台上，记录相关数据，包括输出脉冲信号的幅值和上升时间，实测数据如图3所示，其中输出脉冲信号的幅度为CSP输出脉冲信号的幅度。谱线的能量分辨率如图4所示。

图3　室温下针对137Cs测量不同偏置电压下的曲线Fig.3　Pulse amplitude and rise time curves of different bias voltages for137Cs at room temperature.

由图3可见，在室温下，APD输出脉冲信号的幅度在经过相同放大倍数的CSP放大后，输出脉冲信号幅度变化明显，且随偏置电压而增加，同时输出脉冲信号的上升时间与偏置电压成线性关系。根据APD的工作原理可知：输出脉冲信号的幅度与APD的内置增益大小以及APD两端的偏置电压相关。偏置电压越大，内置增益越大，因此输出脉冲信号的幅度随偏置电压而增大；脉冲上升时间主要受闪烁体的衰减时间、载流子在探测器内部的漂移时间以及APD的结电容影响，CsI（Tl）晶体的发光衰减时间约为1 μs，不受偏置电压影响，APD偏置电压越高，APD内部电场越强，载流子在探测器内部漂移时间越短，同时偏置电压越大，APD结电容越小，因此脉冲信号的上升时间越短。

图4　室温下针对137Cs测量不同偏置电压下的能谱图（a） 330 V，（b） 350 V，（c） 370 V，（d） 390 VFig.4　Energy spectra of different bias voltages are measured at room temperature for137Cs.（a） 330 V, （b） 350 V, （c） 370 V, （d） 390 V

由图4可知，在室温、仅APD两端的偏置电压发生变化时，探测系统的能量分辨率将发生明显变化，偏置电压为370 V时能量分辨率最好能达到4.98%，低于或高于370 V能量分辨率将变差。原因在于偏置电压较低时，APD内置增益小，信号幅度小，信噪比未达到最佳，因此探测系统的能量分辨率低。同时，小信号容易被噪声干扰，被数字脉冲幅度分析器判断为不合格信号的概率变大，有效计数率偏低。增大偏置电压，APD内置增益变大，输出脉冲信号幅值增大，进而输出脉冲信号信噪比得到提高，由文献［8］可知，当APD结电容变小时，闪烁探测器的能量分辨率变好，同时受噪声干扰的影响较小，因此低能段射线损失的计数率较少，故偏置电压增大，能量分辨率变好；但是进一步提高偏置电压后，暗电流将发生明显的变化，根据产品手册可知：当APD两端的偏置电压为370 V时暗电流为7.5 nA，当偏置电压为390 V时暗电流约为14nA，因此使信噪比降低，进而探测系统的能量分辨率开始变差。

3.2温度影响测试

通过分析常温下对137Cs放射源测试时不同偏置电压下的能谱响应，由图4可知，在370 V偏置电压下，系统能量分辨率相对较好，能谱响应最好。因此，在进行温度测试时选择APD偏置电压为370V，测试时间5 min，放射源离探测器的距离保持不变，将晶体、APD、CSP全部放置于屏蔽盒中进行温度实验。根据厂家的建议将APD的工作温度设置在60 ºC以下，因此高温测试实验温度设置为40 ºC，温度测试变化范围为-20-40 ºC，分别为-20ºC、0 ºC、23 ºC、40 ºC。不同温度下在370 V偏置电压下对137Cs的能谱图如图5所示。

图5　370 V偏置电压下针对137Cs测量不同温度下的能谱图（a） -20ºC，（b） 0 ºC，（c） 23 ºC，（d） 40 ºCFig.5　Energy spectra of different temperature measurements under 370 V bias voltage for137Cs.（a） -20ºC, （b） 0 ºC, （c） 23 ºC, （d） 40 ºC

从图5可知，温度越低探测系统的能量分辨率越高，在制冷到-20 ºC的情况下，系统的分辨率有明显提高，从室温的4.98%提高到了4.77%，当温度升高至40 ºC，能量分辨率降低至5.33%。主要原因为低温下APD的漏电流降低、内置增益变大、CSP噪声降低、输出脉冲信号的信噪比变大，因此探测系统对能量为662 keV的γ射线的能量分辨率得到提高。

4　结语

本文以APD为CsI（Tl）闪烁晶体的光电转换器件，并耦合上CSP对APD输出的信号进行放大。测试了APD两端偏置电压对输出脉冲信号幅度与上升时间的影响。测试结果显示，输出脉冲信号幅度与APD两端的偏置电压成正相关，上升时间与偏置电压成负相关。将经过放大后的APD信号输入到DMCA中，测试了偏置电压与温度对以APD为光电转换器件的闪烁探测器的能谱响应，偏置电压会影响以APD为光电转换器件的CsI（Tl）闪烁探测器的能量分辨率，测试结果表明：当APD两端偏置电压为370 V时，探测系统对能量为662 keV的γ射线的能量分辨率相对最好，可以达到4.98%，温度也影响能量分辨率，-20-40 ºC范围内，温度越低，能量分辨率越高。

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Characteristics study on the APD-based front-end readout for CsI(Tl) detector

HU LangZHANG KaiqiZENG GuoqiangLAI MaolinYANG JianWEI Shilong

（Nuclear Technology Key Laboratory of Earth Science, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China）

Background: The avalanche photodiode （APD） has the advantages of small size, high detection efficiency, internal gain and insensitivity to magnet fields. But the internal gain and the signal-noise ratio (SNR） of the output signal of pulse are affected by bias voltage and temperature. Purpose: This study aims to test the effect of bias voltage and temperature on the APD-based front-end readout of scintillation detector. Methods: The avalanche photodiode is employed as the photodetector for CsI（Tl） scintillation, and equiped a charge sensitive preamplifier of low noise to form a probe. The energy resolution of scintillation detector with this probe was tested on a137Cs radiation source under different bias voltage and temperature. Results: The experimental results show that the energy resolution of the detection system is affected by both the bias voltage and the temperature. When the bias voltage at both ends of the APD is 370 V, the energy resolution is 4.98% for the gamma ray with the energy of 662 keV at the room temperature. Conclusion: The energy resolution will increase with the decrease of temperature within the range of −20 ºC to 40 ºC.

APD, CsI（Tl） scintillation crystal, Bias voltage, Temperature, Energy resolution

ZHANG Kaiqi, E-mail: zhangqiuq085@gmail.com

TL8

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.100401

国家自然科学基金（No.41474159）、四川省重点实验室基金（No.gnzds2014006）、四川省科技厅青年基金（No.2015JQO035）资助

胡浪，男，1987年出生，2011年毕业于成都理工大学，现为硕士研究生，从事电子仪器与测量技术研究

张开琪，E-mail: zhangqiuq085@gmail.com

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.41474159）, Key Laboratory Foundation of Sichuan Province （No.gnzds2014006）, Youth Foundation of Science Technology Department of Sichuan Province （No.2015JQO035）First author: HU Lang, male, born in1987, graduated from Chengdu University of Technology in 2011, master student, focusing on electronic instrument and measurement technology

2016-06-29，

2016-08-13