基于碘化铅X射线室温辐射探测器的研究

李小辉，朱兴华，孙 辉，杨定宇，赵 地

(成都信息工程大学 光电技术学院，四川 成都 610225)

基于碘化铅X射线室温辐射探测器的研究

李小辉，朱兴华，孙 辉，杨定宇，赵 地

(成都信息工程大学 光电技术学院，四川 成都 610225)

采用碘化铅(PbI2)晶体材料，设计了碘化铅X射线探测器及放大采样电路。在采用熔体法合成碘化铅多晶原料的基础上，用垂直布里奇曼法生长碘化铅晶体和TO8金属管壳(CETC 44，0.01 mm铝箔窗口)封装，对电荷放大和采样电路进行设计。实验结果表明，碘化铅制作成的探测器X射线辐射下，线性响应好，可用于室温核辐射检测仪的研究。

碘化铅探测器；熔体法；线性响应；室温核辐射检测仪

目前用于制作室温核辐射探测器的材料(如CdTe 、HgI2、Cd1-xZnxTe(CZT)等)[1-2]晶体的禁带宽度窄，制备好的探测器漏电流大，能量分辨率不能达到理想的结果，不能满足当代科技发展的需求，新型室温核辐射探测器材料的探索成为热点。

1971年关于碘化铅晶体可用于室温下γ射线探测器观点的提出[3-4]，碘化铅材料在辐射探测方面得到广泛关注。碘化铅晶体平均原子序数接近63且禁带宽度较大，能俘获一定范围范围内的辐射射线，较高的分辨率也是其优良的特性[5-6]。相对碘化汞晶体而言，碘化铅晶体的稳定、不易挥发、易制备等特性[2]，可用于制作高质量的微弱信号探测器的相关研究。室温电阻率高达1012Ω·cm量级，制成的碘化铅探测器暗电流范围低至-2～3 nA(厚度1 mm)，可在室温下实现高能射线能量分辨。

目前用于核辐射探测器的前置放大主要分为电荷灵敏和电压灵敏两大类[7]，其中电荷灵敏前置放大输出稳定、噪声低且性能良好，得到广泛应用。前置放大模块的设计主要趋向于分立元件的设计，其设计过程繁琐，器件兼容性不够，噪声影响了探测器正常工作。国外采用ASIC技术价格昂贵，军事领域限制技术提供，国内也难以制作出比较好的优异的前置放大。本文采用的IVC102低噪声互阻抗放大IC是一款高集成低噪声干扰的集成电路芯片，采用电荷灵敏放大方法，满足国内探测器信号放大的设计。国内也有许多基于IVC102的信号放大的相关文献，主要应用于医疗、海洋、核工业等方面。针对微弱信号的放大，选用IVC102作为研究碘化铅探测器前置放大器是可行的。

碘化铅探测器读出信号是基于低噪声高互阻增益的IVC102积分放大器和自带ADC采样组件的STC15W401AS系列单片机的。IVC102 是一款内置可控增益积分电容的精密积分放大器,具有灵敏度高、低噪声、输出误差小等特性。在微电流测量领域有着广泛应用。系统框图如图1所示。

图1 控制系统结构框图

1 碘化铅探测器的制备

碘化铅材料制备成的探测器属于半导体探测器。固定的偏置电压加在器件上，辐射照射在碘化铅材料中产生的光电流并外加良好的输出设备及相关放大电路，从而得到相关辐射剂量。当无辐射时，有微弱的暗电流但不影响输出。

目前在生长碘化铅晶体的方法中主要有凝胶法、气相法和熔体法。相对凝胶法和气相法，熔体法在大尺寸单晶体的制作上更容易实现。因此本文在采用熔体法合成碘化铅多晶法，加上改良的制作工艺，能够得到尺寸大、完整性好的碘化铅晶体[7-10]。

将制备好的碘化铅材料用TO8金属管壳(CETC 44，0.01 mm铝箔窗口)封装，制作成碘化铅探测器。制备好的探测器及其光电特性表分别如图2和图3所示。

图2 封装后的碘化铅探测器

图3 暗室条件探测器I-t特性曲线

探测器低且稳定的暗电流特性有利于辐射测量时获得较高的信噪比和灵敏度。图2(b)所示I-t特性测试表明，器件在50 V偏置电压的暗电流约为3.4 nA，显示出较好的稳定性。施加偏置电压初始阶段(0～5 s内)暗电流呈下降趋势，而后逐渐趋于稳定，在HgI2晶体的探测器中存在这种现象，其主要由极化引起[8-9]。

2 放大部分

IVC102 两种的信号输入方式，前端输入电流≥200 μA时，为3脚入，反之为2脚输入。本文探测信号输入为3.4～10 nA应采用2脚输入。其放大电路及控制时序分别如图4和图5所示。

图4 IVC102放大电路

图5 IVC102时序图

3 信号控制及处理部分

STC15W401AS为 STC公司生产的高速可靠、低功耗、低温漂、超强抗干扰的新一代8051单片机。它有8路10位高速A/D转换，大约每秒30万次的转换率，内置3路PWM输出脉冲，满足本文的设计需求。单片机外围电路如图6所示。

图6 STC15W401AS外围电路

S1和S2为单片机发出两组不同PWM脉冲信号。工作中的探测器输入电荷信号输入IVC102。在电源供电的基础上，IVC102进行积分放大将信号输入单片机A/D端口。单片机处理后将信输入到显示器上。前端探测器辐射照射产生光电效应，实测结果显示，探测器有3.4～10 nA的微弱信号进入放大器。系统仿真可测得在控制端S1周期T=150 ms、脉宽PW=3 ms，S2周期T=150 ms、PW=1 ms 的固定脉冲下，进行采样，理论数据如图7所示；横轴为理论探测器输入电流值，纵轴为A/D采用后电压值[12]。

图7 信号处理仿真数据

图7说明不同强度辐照与碘化铅探测器光电效应，具有线性相关的特性。A/D采样信号与辐射强度也具有线性相关的特性。

4 电源部分

稳定且纹波小的供电电源对放大电路的影响非常小。采用锂电池替代开关电源输入，从源端可以较好的控制纹波对放大电路和单片机的干扰。本设计采用TPS651032芯片是TI公司设计的DC-DC芯片。在1.8～4.2 V锂电池输入5 V输出的时候有效转换率高达95%，足以证明其优异的低纹波性能。IVC102的工作电压则是由Linear Technology公司研制的LTC3121电源管理芯片，同TI公司一样。其转换率也高达95%，优异的低纹波和低噪声性能，为放大器的正常工作提供了保障。

图8 光电流放大A/D采样的实测值与理论值

5 结束语

线性度是探测器是决定探测器性能的重要参数之一[13-15]，如图8所示，横轴表示不同强度X射线辐照在探测器产生的光电流，纵轴表示探测器在光电流经过IVC102放大进行A/D采样后的电压值，由图可知，测试值与理论值有较高的拟合度，也说明实测结果的线性度较高。研究结果表明，碘化铅探测器在辐射检测仪性能优异，可以深入研究，实现碘化铅探测器的工业价值。

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Radiation Detector Based on Lead Iodide (PbI2)

LI Xiaohui，ZHU Xinghua，SUN Hui，YANG Dingyu，ZHAO Di

(School of Optoelectronics Technology, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

In this paper, the innovative lead iodide (PbI2) crystal materials are adopted in the design of the iodide lead room temperature X-ray detector and the amplification sampling circuit. The polycrystalline lead is synthesized by the melt method, with the vertical Bridgman method for lead iodide crystal growth and TO8 metal shell (CETC 44 mm aluminum foil, 0.01 window) encapsulation. The design of the electric charge amplifier and sampling circuit is presented. The experimental results show that the lead iodide detector achieves good linear response under X-ray radiation, and can be used for room temperature nuclear radiation detector research.

lead iodide (PbI2); melt method; linear response; room temperature nuclear radiation detector

2016- 06- 03

四川省科技支撑计划(2014GZ0020, 2014GZX0012, 2015GZ0194, 15ZB0173, 2016FZ0018)

李小辉(1988-)，男，硕士研究生。研究方向：光电子器件及应用。朱兴华(1975-)，男，教授。研究方向：光电子材料与器件，光电微系统集成技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.019

TN304.2

A

1007-7820(2017)05-069-03