一种基于SiPM的具有高能量分辨率的紧凑型溴化镧γ谱仪

石伯轩，刘立业，曹勤剑，夏三强，王晓龙

(1.中核环保工程有限公司, 北京 100191； 2.中国辐射防护研究院, 太原 030006)

基于光电倍增管(photomultiplier tube，简称PMT)的LaBr3:Ce γ谱仪具有比NaI(Tl)γ谱仪更高的能量分辨率，逐渐成为辐射监测领域常用的设备之一。但其具有体积大、对磁场敏感、需要高电压等缺点。最近开发的硅光电倍增管(SiPM)具有与PMT相近的增益和效率，同时具有诸如高定时分辨率、抗磁场能力强、低偏压和紧凑尺寸等优良特性[1-2]。SiPM已在基于飞行时间技术的正电子发射断层扫描(TOF-PET)、高能物理(HEP)、高能快速伽马成像、天体物理和光谱学[3]上得到成熟应用。因此将LaBr3:Ce闪烁体和SiPM阵列组合是紧凑型γ谱仪的理想解决方案，但SiPM同时存在暗噪声、串扰和增益易受温度影响等缺点[4]。因此本文将LaBr3:Ce晶体与SiPM阵列耦合，设计研制了一款基于SiPM的紧凑型LaBr3:Ce γ谱仪，通过降噪、优化工作电压等措施改善SiPM的缺点对γ谱仪性能的影响。

1 材料和方法

1.1 探测器

由中国科学研究院提供的φ12.7 mm×25.4 mm的LaBr3：Ce晶体，出厂测试的环境温度为25 ℃条件下，采用PMT光电倍增管的能量分辨率为2.89%@662 keV。配置SiPM对信号进行收集和放大，LaBr3：Ce晶体与SiPM之间用光学润滑脂耦合，并用铝壳封装，探测器结构如图1所示。后端电路包括为SiPM提供偏置电压的电源模块。信号处理仪器采用的是ORTEC公司的digiBASE-E型数字多道，上升时间设置为0.75 μs，道数为1 024道，如图2所示。

SiPM尺寸为φ13 mm×13 mm的4×4阵列,生产厂家推荐的工作电压为54 V。SiPM的结构如图3所示。SiPM的像素单元是由雪崩光电二极管(avalanche photodiode,简称APD)和串联的淬灭电阻构成[5]，大量线路连接的像素单元以二维形式排列组成。

图1 基于SiPM的LaBr3:Ce探测器

图2 ORTEC公司的digiBASE-E型数字多道

图3 SiPM的实物图和电路结构

1.2 电源电路设计

电源电路为SiPM提供工作电压，在实验室利用示波器得到的不同工作电压下SiPM的增益如图4所示。在环境温度为25 ℃、相对湿度为40%条件下，利用Cs-137源进行γ谱测量，不同工作电压下662 keV全能峰的中心道址如图5所示。

图4 工作电压与增益关系

图5 工作电压与662 keV中心道址关系

对图4进行线性拟合，得到SiPM工作电压与增益关系式为：

G=5×105U-3×107

(1)

式中，G为增益；U为电压,V；相关指数R2=1。

对图5进行线性拟合，得到SiPM工作电压与662 keV中心道址关系式为：

N=198.75U-10571.57

(2)

式中，N为中心道址；U为电压，V；相关指数R2=0.994 1。

根据公式(1)可以得出，单位工作电压下的增益变化值为5×105;根据式(2)，工作电压每改变10 mV，中心道址将变化2道。由此可见，工作电压对SiPM的增益和γ谱中的道址影响很大。因此要求电源的输出电压精度在mV以内，输出电压的噪声尽可能小。设计的电源电路如图6所示，包括将5 V电压升到工作电压的升压电路、输出电压的微调电路和CLC π型降噪滤波器，输出电压范围50～70 V，输出电压精度±10 mV。

图6 电源电路

2 实验结果

2.1 降噪实验

CLC π型降噪滤波器的功能是利用其对直/交流阻抗的不同特性，将输出电压中的高频纹波进行滤除。输出电压设定值为54 V,未设置滤波器前，输出电压的纹波噪声约为40 mV，信噪比为62.6 dB。设置滤波器后，纹波噪声约为10 mV,信噪比为74.64 dB。滤波前后噪声的脉冲波形如图7所示。

图7 滤波前后噪声的脉冲波形

2.2 最佳工作电压确定

SiPM的工作电压主要对增益、串扰和暗计数有较大影响[6-8]，SiPM生产厂家给出的工作电压与串扰、暗计数间关系如图8和图9所示[9]。能量分辨率最小值对应于表示暗噪声、串扰、光电探测效率和SiPM增益之间折衷的最佳工作电压。通过实验给出环境温度25 ℃、相对湿度40%环境下，不同工作电压对应662 keV全能峰的能量分辨率，如图10所示。环境温度25 ℃、相对湿度40%环境下，最佳工作电压为54.8 V,对应662 keV的能量分辨率为3.06%，相应的测量谱如图11所示。

图8 串扰发生概率与工作电压关系[9]

图9 暗计数与工作电压关系[9]

图10 工作电压与能量分辨率(662 keV)关系

图11 工作电压为54.8 V的Cs-137 γ谱

3 结论

将LaBr3:Ce晶体与SiPM阵列耦合，设计研制基于SiPM的紧凑型LaBr3:Ce γ谱仪，通过降噪、优化工作电压等措施改善SiPM的缺点对γ谱仪性能的影响。通过设计无源滤波电路CLC π型滤波器，工作电压的信噪比从未降噪前的62.6 dB提高到74.64 dB；通过实验给出不同工作电压下能量分辨率，确定最佳工作电压为54.8 V，该电压下的能量分辨率为3.06%(@662 keV)，结果与使用光电倍增管(PMT)测量的2.89%非常接近。研制的基于SiPM的紧凑型溴化镧γ谱仪可以应用在光谱个人辐射探测器(SPRD)和手持式辐射监测设备上，也可以应用在核设施源项调查、核反恐和核事故中辐射监测，以及核医学剂量测量等要求设备体积小、功耗低以及抗电磁干扰的场景中。