基于LaBr3(Ce)晶体耦合SiPM的位置灵敏探测器的研制与性能校正

李 岩 王 川 刘立业 石伯轩 曹勤剑 赵 原 夏三强 董佳杰

1（中国辐射防护研究院 太原 030006）

2（核电运行研究（上海）有限公司 上海 200126）

射线成像技术广泛应用于宇宙空间探测、核工业、辐射环境监测以及核应急等领域［1-5］。传统的射线成像系统一般由位置灵敏探测器（γ 事例数据获取）、数据采集卡（模拟数据数字化以及传输）以及上位机软件（图像重建）组成［6］。位置灵敏探测器作为辐射探测的最前端设备，是决定成像系统性能指标的重要因素之一。随着核工业领域的辐射成像技术快速发展，针对高能量分辨率、高计数率、小型化γ相机探测器的设计是目前亟待解决的问题［7］。部分射线成像系统探测器由CsI（Tl）、NaI（Tl）等晶体阵列耦合位置灵敏型光电倍增管（Position Sensitive Photomultiplier Tube，PSPMT）构成［8］或者使用像素型碲锌镉（Cadmium Zinc Telluride，CdZnTe，CZT）半导体探测器［9］，然而CsI（Tl）和NaI（Tl）的能量分辨率有限，核素识别能力较差；PSPMT 也存在体积较大、对磁场敏感、供电电压较高且价格昂贵等缺点，不适合小型化成像系统的研制。而CZT 探测器虽然能量分辨率很高，但是由于输出的电荷信号脉冲宽度较宽，在高计数率情况下容易出现信号的堆积现象，在核工业高计数率的背景下显然不适合。LaBr3（Ce）晶体是一种具有光输出高［10-12］、发光衰减时间非常短（16 ns）、较大密度的晶体。该晶体由于其高能量分辨率等优势而广泛应用于核医学成像、地质勘探、石油测井、空间物理学和核辐射探测领域。硅光电倍增管SiPM作为新型光电转换器件，与PSPMT相比具有体积小、抗磁场干扰、供电电压低、时间分辨率好等优点。由此提出使用LaBr3（Ce）晶体阵列耦合SiPM 来组成新型的射线成像系统的探测器，并设计了前端读出电路。随后通过实验完成了整个位置灵敏探测器的性能测试，并进行了性能的校正工作。整个探测器的平均能量分辨率为4.96%，达到了设计预期的5.5%。各个晶体条之间校正后的能谱峰位一致性（662 keV）和灵敏度一致性的偏差在10%以内，也达到了相应的指标。

1 探测器研制以及测试系统

1.1 LaBr3(Ce)晶体阵列和SiPM阵列

LaBr3（Ce）晶体阵列由8×8根晶体条组成，每根晶体条的尺寸为6.4 mm×6.4 mm×20 mm，晶体之间使用0.8 mm厚的聚四氟乙烯反射层隔开，晶体阵列的外表面使用黑胶以及铝箔进行包裹以防止其潮解漏光。

光电转换器件使用的是SENSL 公司生产的ARRAYC-60035-64P 阵列型SiPM，是由8×8 片C-60035 像素型SiPM 组成。单片SiPM 像素面积为7.0 mm×7.0 mm，感光面积为6.0 mm×6.0 mm，相邻的两个SiPM的中心间距为7.2 mm，整个SiPM阵列的面积为57.4 mm×57.4 mm。每个SiPM 像素由18 980 个APD 组成，每个像素的尺寸为35 μm×35 μm。

图1 阵列型SiPM ARRAYC-60035-64P的顶面图(a)和底面图(b)Fig.1 Top view(a)and bottom view(b)of SiPM array ARRAYC-60035-64P

将LaBr3（Ce）晶体阵列通过光学硅脂进行耦合，并使用黑胶涂抹在其接缝处，最后在顶部再放置一个铝壳并使用黑胶进行密封，这样避免整个探测器模块的潮解和漏光。由于LaBr3（Ce）晶体具有潮解的性质，整个探测器模块的耦合都需要在真空的环境下进行。

1.2 前端读出电子学设计

在位置灵敏探测器的研制中，由于通道数较多，会使用离散定位电路（Discretized Positioning Circuit，DPC）［13］和均匀电荷分配电路（Symmetric Charge Division Circuit，SCDC）［14］作为探测器的读出电路，以此减少电路的通道数，然而这样做无疑也会降低信号的信噪比，也会造成通道之间的串扰。在整个位置灵敏探测器的位置识别中，首先需要进行整个探测器散点图和位置表的获取，对于上位机软件来说会变得较为复杂。因此在本次位置灵敏探测器的研制过程中直接只用64 通道独立读出的方式，虽然通道数有所增加，但是带来的信噪比等性能提升也同样重要。由于SiPM的输出信号较小，因此读出电路对其进行了放大，电路的原理图如图2（a）所示。由于探测器和放大电路之间连接方式是使用插针的方式相连，为了避免在竖放时整个探测器的重量都需要PCB板上的两个插件进行支撑，是用3D打印技术制作一个白色外壳包裹整个探测器以此达到支撑的目的，整体的探测器模块如图2（b）所示。

图2 探测器读出电路原理图(a)和探测器模块实物图(b)Fig.2 Schematic diagram of detector readout circuit(a)and physical drawing of detector module(b)

2 主要性能测试以及校正

2.1 能量分辨

在完成了整个探测器的研制以后，进行了整个探测器的性能测试。由于SiPM具有一定的温漂，整个测试过程在室温环境下，SiPM 的供电电压为27.5 V。将探测器置于标准辐射场，而且整个测试过程在避光的条件下。将一个137Cs点源放置在距离探测器195 cm 的位置，探测器位置处的剂量率为8.0 μSv·h-1，测试时间为10 min。在137Cs 放射源放出的γ 射线的照射下，晶体阵列的能谱如图3 所示，64通道探测器所获取的能谱中，能量分辨率最好为3.92%，最差为5.91%，整个64 通道的平均能量分辨率为4.96%，其余通道的能量分辨率如表1所示。通过能谱图可以看出，其峰康比较小，这是由于晶体条较小，在662 keV 的γ 射线击中晶体时，发生康普顿散射以后大部分的散射光子又打到周围的晶体上，而数据采集系统中的64通道之间是相互独立的，从而将一个事例变为“两个”事例导致全能峰计数下降以及康普顿坪区计数上升，因此峰康比较小。

表1 64根晶体条能量分辨率Table 1 Energy resolution of 64 crystal strips

图3 662 keV射线照射下最佳能量分辨率的晶体条能谱图(a)和最差能量分辨率能谱图(b)Fig.3 Crystal strip energy spectrum with the best energy resolution under 662 keV ray radiation(a)and energy spectrum with the worst energy resolution(b)

2.2 峰位一致性校正

探测器模块的峰位一致性表示各个晶体条对相同能量γ射线的响应情况。探测器模块各个晶体条对137Cs点源放出的662 keV的能谱峰位如图4所示。可以看出，各个晶体条的能谱峰位差距较大，这是由于各个晶体条对相同能量射线响应不一致以及SiPM 的增益一致性的差异造成的。在编码孔径γ成像系统的实际应用中会对能窗进行选择，如果不进行峰位一致性校正，则会造成真实事例的丢失，即探测效率的下降，进而影响成像效果，因此需要将各个晶体条进行能谱峰位一致性校正。

由于LaBr3（Ce）晶体条耦合SiPM测试的能谱峰位道址与射线能量不是一次线性关系，而是满足二次多项式，因此在进行峰位一致性校正的时候，各个晶体条像素使用二次多项式进行拟合。拟合过程如下所述：为了与成像系统实际应用的场景相符合，将整个系统置于标准辐射场中进行能谱数据的获取（即在有编码准直器的情况下进行测试）。首先对整个成像系统在用正码板的情况下进行一系列测试，其中包括241Am（60 keV）点源，探测器处的剂量率为9 μSv·h-1；137Cs（662 keV）点源，探测器处的剂量率为8 μSv·h-1；60Co（1.17 MeV、1.33 MeV）点源，探测器处的剂量率为20 μSv·h-1进行测试，并获取相应的测试数据。再用反码板进行上述相同的测试，获取相应的数据。然后分别将241Am、137Cs、60Co 的正、反码板能谱数据相加获取“最终的能谱数据”。最后提取各个能谱数据的峰位道址，对64个晶体条像素进行二次多项式的拟合，获取校正系数，完成整个探测器阵列的峰位一致性型校正。其中校正效果如图4所示。

图4 校正前(a)和校正后(b)64个晶体条像素137Cs能谱图Fig.4 137Cs energy spectrum of 64 crystal strip pixels before(a)and after(b)correction

2.3 灵敏度一致性测试以及校正

由于编码孔径成像是根据探测器的投影值（计数）不同来进行重建，所以对于整个探测器系统的64 通道之间的灵敏度一致性要求较高。如果各个晶体条的灵敏度一致性较差，会导致重建图像的信噪比下降，甚至严重的会造成伪影的出现。而LaBr3（Ce）晶体厂商和SiPM 厂商在进行晶体条像素和SiPM 的制造过程中，不可能保证各个晶体条和SiPM 的性质都是相同的，而且LaBr3（Ce）晶体条本身具有自发放射性，各个晶体条之间在相同时间内自发的γ 射线也不尽相同，以上种种原因导致必须进行探测器阵列的灵敏度一致性校正工作。

灵敏度一致性校正的思路如图5 所示，各个晶体条像素的计数与放射源的活度（剂量率）呈线性关系，不过由于各个晶体条性质差异等原因存在，导致其在相同剂量率条件下所获取的计数不同（从数学的表述上来说即是斜率不同）。通过一次线性拟合获取64通道各个晶体条的增长速率（斜率），然后求出它们的平均增长率（斜率），将平均增长率与各自的增长率的比值即为各个晶体条像素的校正系数，根据该校正系数进行灵敏度一致性的校正。

图5 探测器阵列灵敏度一致性校正方法示意图Fig.5 Schematic diagram of sensitivity uniformity correction method of detector array

使用不同活度的137Cs点源置于探测器正中心处进行测试，探测器处的剂量率分别为1.238 μSv·h-1、3 μSv·h-1、4 μSv·h-1、5 μSv·h-1、8 μSv·h-1，其中放射源与探测器的中心距离为500 cm、345 cm、270 cm、250 cm、195 cm，测试时间均为10 min。在本次测试中，距离最近为195 cm，在该次测试中距离放射源最近的探测器和最远的探测器之间的距离比值为0.99，γ 射线打到中心位置与边缘位置处的夹角为0.82°，可近似将γ射线视为平行入射，因此由此引入的探测效率一致性偏差可以忽略不计，其他更远的测试因距离不同所造成的偏差更小，可以忽略不计。图6是剂量率为3 μSv·h-1的137Cs点源测量10 min的结果，从图6可以看出，探测器模块各个晶体条的探测效率一致性较差，探测器阵列中晶体条最大计数与最小计数的比值达到了1.67倍。

图6 探测器模块中64个晶体条被137Cs点源照射10 min后各个晶体条的计数Fig.6 Counting of 64 crystal strips in the detector module after being irradiated by137Cs point source for 10 min

通过以上方法进行各个剂量率下64 根晶体条像素的灵敏度一致性校正，其校正结果如图7所示，其中在3 μSv·h-1测试10 min的测量条件下，探测器阵列中晶体条最大计数与最小计数的比值从1.67倍下降到了1.05。

图7 灵敏度一致性校正前(a)和校正后(b)Fig.7 Sensitivity uniformity before(a)and after(b)calibration

3 结语

针对用于核工业领域的高能量分辨率、高计数率、小型化γ 相机探测器的设计是目前亟待解决的问题，本文采用了LaBr3（Ce）晶体阵列耦合SiPM 阵列组成位置灵敏探测器，并设计了相应的SiPM读出电路。实验结果表明该位置灵敏探测器的64 根晶体条的平均能量分辨率为4.96%，其中能量分辨率最好为3.92%，最差为5.91%。后续进行了各个晶体条像素的峰位一致性和灵敏度一致性的测试和校正，都取得较好的效果。测试结果表明，该探测器在能量分辨率、峰位一致性以及灵敏度一致性等性能方面均能够满足预先设定的γ 相机成像的设计要求，具备应用于核工业领域的前景。

作者贡献声明李岩：负责文章的起草和收集文献；王川：负责研究的提出和设计；刘立业：负责研究的提出和设计；石伯轩：负责技术指导；曹勤剑：负责对文章的知识性内容作批评性审阅；赵原：负责文献收集和校对；夏三强：负责硬件研制；董佳杰：负责实验测试。