胡　浪　張開琪　曾國強　賴茂林　楊　劍　魏世龍

（成都理工大學(xué)　地學(xué)核技術(shù)重點實驗室　成都　610059）

CsI(Tl)晶體的APD前端讀出特性研究

胡浪張開琪曾國強賴茂林楊劍魏世龍

（成都理工大學(xué)地學(xué)核技術(shù)重點實驗室成都610059）

雪崩光電二極管（Avalanche photodiode, APD）體積小、探測效率高、內(nèi)置增益、對磁場不敏感，但其內(nèi)置增益、輸出脈沖信號的信噪比受偏置電壓與溫度影響明顯。將APD作為CsI（Tl）閃爍晶體的光電讀出器件，并配以低噪聲的電荷靈敏前置放大器，組成閃爍探測器的探頭。在不同的偏置電壓與溫度下，測試了該探頭組成的閃爍探測器的能量分辨率。實測表明，偏置電壓、溫度將影響探測系統(tǒng)的能量分辨率，在室溫且APD兩端的偏置電壓為370 V時，對能量為662 keV的γ射線能量分辨率為4.98%；在-20-40 oC內(nèi)，能量分辨率隨溫度的降低而提高。

雪崩光電二極管，CsI（Tl）閃爍晶體，偏置電壓，溫度，能量分辨率

閃爍探測器具有探測效率高、時間響應(yīng)快、能量分辨率高等優(yōu)點，主要由閃爍體、光電轉(zhuǎn)換器件及相關(guān)電子學(xué)器件組成［1］。光電轉(zhuǎn)換器件在閃爍探測器中作用是將閃爍體產(chǎn)生的熒光光子轉(zhuǎn)化成電脈沖信號，光電轉(zhuǎn)換器件輸出電脈沖信號的信噪比、輸出脈沖信號的線性都對閃爍探測器的能量分辨率有一定的影響。通常選用的光電轉(zhuǎn)換器件有本征光電二極管（PIN photodiode, PIN）、雪崩光電二極管（Avalanche photodiode, APD）、光電倍增管（Photomultiplier tube, PMT）以及硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier, SiPM）。PIN無增益放大、輸出脈沖信號信噪比低、出譜效果差；APD體積小、量子效率高、內(nèi)置增益、對磁場不敏感，但增益小、輸出脈沖信號較為微弱；PMT靈敏度高、增益大、噪聲小、輸出脈沖信號信噪比高，但PMT為真空器件體積大、機械強度?。籗iPM結(jié)構(gòu)緊湊、偏置電壓低、增益與PMT相近，但輸出脈沖信號的噪聲大［2-5］。

閃爍探測器的廣泛應(yīng)用對閃爍探測器的光電轉(zhuǎn)換器件提出了新的要求。比如體積小、功耗低、機械強度大、噪聲低以及對磁場不敏感等，相比于PIN、PMT及SiPM，APD更滿足這些要求，因此可選擇APD作為閃爍探測器的光電轉(zhuǎn)換器件。但APD為基于半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換器件，兩端的偏置電壓與工作的溫度均影響APD輸出脈沖信號的信噪比，進(jìn)而影響閃爍探測器的能量分辨率。本實驗將測試偏置電壓與溫度對以APD為光電轉(zhuǎn)換器件的閃爍探測器的性能影響，進(jìn)而確定最佳的工作偏置電壓及溫度的影響。實驗采用了日本濱松生產(chǎn)的尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的CsI（Tl）閃爍體及濱松S8664-1010大面積雪崩光電二極管構(gòu)成輻射探頭。

1　APD工作原理

能量高于禁帶寬度的入射光子進(jìn)入APD后，產(chǎn)生電子-空穴對，電子-空穴對在反向偏置電壓的作用下分別向P區(qū)與N區(qū)漂移，當(dāng)PN結(jié)之間的場強高于104V·cm-1時，這些電子-空穴對與半導(dǎo)體的晶格原子發(fā)生碰撞并使晶格原子電離產(chǎn)生新的電子-空穴對，新產(chǎn)生的電子-空穴對將繼續(xù)被偏置電場加速并獲得足夠的能量再發(fā)生碰撞同時產(chǎn)生新的電子-空穴對，如此循環(huán)過程連鎖反應(yīng)最終導(dǎo)致光電流的雪崩放大。根據(jù)兩端所加偏置電壓的大小，APD的工作模式可以分為雪崩模式與蓋革模式［3］。雪崩模式下的增益大致范圍在100倍左右，同時其輸出電流的大小與所加的反向偏置電壓具有良好的線性關(guān)系，可以用于能譜測量［6］。但APD的增益小，輸出脈沖信號微弱，可使用輸入阻抗大、噪聲低、增益穩(wěn)定的電荷靈敏前置放大器（Charge sensitive preamplifier, CSP）對APD輸出脈沖信號進(jìn)行放大。APD正常工作時，實際性能受增益、暗電流、結(jié)電容等因素的影響，本文將從偏置電壓與溫度兩個方面來探究以APD為光電轉(zhuǎn)換器件的閃爍探測器對137Cs放射源產(chǎn)生的能量為662 keV的γ射線的能量分辨率以及信號脈沖幅度大小的影響。

2　實驗設(shè)計

APD輸出脈沖信號的信噪比會直接影響探測系統(tǒng)的性能。APD實際的增益、暗電流、結(jié)電容的大小與兩端實際的偏置電壓和工作溫度相關(guān)，因此從偏置電壓、溫度兩方面進(jìn)行測試，探究偏置電壓、溫度對APD輸出脈沖信號的信噪比影響，間接地通過探測系統(tǒng)對137Cs放射源產(chǎn)生的能量為662 keV的γ射線的能量分辨率來確定APD最佳的工作偏置電壓以及溫度的影響。

測試偏置電壓與溫度對APD性能的影響需耦合閃爍晶體，濱松S8664-1010型APD在入射熒光光子波長在680 nm時量子效率最高可達(dá)到86%左右，而目前使用較為廣泛的無機閃爍體中，相對于NaI（Tl）閃爍體，CsI（Tl）閃爍體的抗機械性能強、密度高、對γ射線吸收系數(shù)大，峰值波長550 nm處量子效率可達(dá)到85%，因此選用CsI（Tl）閃爍體。APD輸出脈沖信號較為微弱，可使用CSP放大，但是CSP增益調(diào)節(jié)不方便，因此在CSP的后級增加了一級增益可調(diào)的同向放大以調(diào)節(jié)輸出脈沖的幅度，放大后的脈沖信號經(jīng)帶上升時間甄別的數(shù)字多道脈沖幅度分析器（Digital multi-channel pulse amplitude analyzer, DMCA）進(jìn)行幅度分析得到譜線，DMCA將譜線上傳到上位機，經(jīng)專門的能譜數(shù)據(jù)測試平臺保存記錄下來，在成譜和能譜數(shù)據(jù)記錄的同時，上位機也可實時調(diào)整DMCA中軟/硬增益、成形時間常數(shù)、快通道觸發(fā)閾值、甄別時間等參數(shù)，以得到最佳能量分辨率的譜線［4,7］。最后在PC上顯示數(shù)據(jù)。具體的測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of test system.

3　實驗結(jié)果與分析

3.1偏置電壓影響測試

APD實際的增益與兩端所加的偏置電壓大小相關(guān)，偏置電壓的大小將影響輸出脈沖信號的幅度，同時也會影響APD的暗電流與結(jié)電容的大小，這些都會影響輸出脈沖信號的信噪比、探測系統(tǒng)的能量分辨率。工作于雪崩模式有效的線性輸出范圍之內(nèi)的APD實際的增益大小與輸出脈沖信號幅度成正比，因此實際的增益大小可通過測試輸出脈沖信號的幅度來間接表示增益。在保持所有的參數(shù)不變的情況下，僅改變所加的偏置電壓來測試輸出脈沖信號幅度的大小，圖2為將137Cs源放置在距離探測器10 cm處，APD輸出脈沖信號經(jīng)過CSP放大后再同向放大5倍的實際波形。最終輸出的脈沖幅度約650 mV，因此APD的信號經(jīng)過CSP放大后輸出脈沖信號的幅度為130 mV。

圖2　CSP的輸出波形圖Fig.2　Output waveform of CSP.

室溫（約23 oC）下，將137Cs源放置于離CsI（Tl）閃爍晶體10 cm處，且正對屏蔽盒的窗口處，分別測試偏置電壓分別為330 V、350 V、370 V、390 V下系統(tǒng)的能譜響應(yīng)，測量時間為5 min。同時，在上位機能譜測量平臺上，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，包括輸出脈沖信號的幅值和上升時間，實測數(shù)據(jù)如圖3所示，其中輸出脈沖信號的幅度為CSP輸出脈沖信號的幅度。譜線的能量分辨率如圖4所示。

圖3　室溫下針對137Cs測量不同偏置電壓下的曲線Fig.3　Pulse amplitude and rise time curves of different bias voltages for137Cs at room temperature.

由圖3可見，在室溫下，APD輸出脈沖信號的幅度在經(jīng)過相同放大倍數(shù)的CSP放大后，輸出脈沖信號幅度變化明顯，且隨偏置電壓而增加，同時輸出脈沖信號的上升時間與偏置電壓成線性關(guān)系。根據(jù)APD的工作原理可知：輸出脈沖信號的幅度與APD的內(nèi)置增益大小以及APD兩端的偏置電壓相關(guān)。偏置電壓越大，內(nèi)置增益越大，因此輸出脈沖信號的幅度隨偏置電壓而增大；脈沖上升時間主要受閃爍體的衰減時間、載流子在探測器內(nèi)部的漂移時間以及APD的結(jié)電容影響，CsI（Tl）晶體的發(fā)光衰減時間約為1 μs，不受偏置電壓影響，APD偏置電壓越高，APD內(nèi)部電場越強，載流子在探測器內(nèi)部漂移時間越短，同時偏置電壓越大，APD結(jié)電容越小，因此脈沖信號的上升時間越短。

圖4　室溫下針對137Cs測量不同偏置電壓下的能譜圖（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

由圖4可知，在室溫、僅APD兩端的偏置電壓發(fā)生變化時，探測系統(tǒng)的能量分辨率將發(fā)生明顯變化，偏置電壓為370 V時能量分辨率最好能達(dá)到4.98%，低于或高于370 V能量分辨率將變差。原因在于偏置電壓較低時，APD內(nèi)置增益小，信號幅度小，信噪比未達(dá)到最佳，因此探測系統(tǒng)的能量分辨率低。同時，小信號容易被噪聲干擾，被數(shù)字脈沖幅度分析器判斷為不合格信號的概率變大，有效計數(shù)率偏低。增大偏置電壓，APD內(nèi)置增益變大，輸出脈沖信號幅值增大，進(jìn)而輸出脈沖信號信噪比得到提高，由文獻(xiàn)［8］可知，當(dāng)APD結(jié)電容變小時，閃爍探測器的能量分辨率變好，同時受噪聲干擾的影響較小，因此低能段射線損失的計數(shù)率較少，故偏置電壓增大，能量分辨率變好；但是進(jìn)一步提高偏置電壓后，暗電流將發(fā)生明顯的變化，根據(jù)產(chǎn)品手冊可知：當(dāng)APD兩端的偏置電壓為370 V時暗電流為7.5 nA，當(dāng)偏置電壓為390 V時暗電流約為14nA，因此使信噪比降低，進(jìn)而探測系統(tǒng)的能量分辨率開始變差。

3.2溫度影響測試

通過分析常溫下對137Cs放射源測試時不同偏置電壓下的能譜響應(yīng)，由圖4可知，在370 V偏置電壓下，系統(tǒng)能量分辨率相對較好，能譜響應(yīng)最好。因此，在進(jìn)行溫度測試時選擇APD偏置電壓為370V，測試時間5 min，放射源離探測器的距離保持不變，將晶體、APD、CSP全部放置于屏蔽盒中進(jìn)行溫度實驗。根據(jù)廠家的建議將APD的工作溫度設(shè)置在60 oC以下，因此高溫測試實驗溫度設(shè)置為40 oC，溫度測試變化范圍為-20-40 oC，分別為-20oC、0 oC、23 oC、40 oC。不同溫度下在370 V偏置電壓下對137Cs的能譜圖如圖5所示。

圖5　370 V偏置電壓下針對137Cs測量不同溫度下的能譜圖（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

從圖5可知，溫度越低探測系統(tǒng)的能量分辨率越高，在制冷到-20 oC的情況下，系統(tǒng)的分辨率有明顯提高，從室溫的4.98%提高到了4.77%，當(dāng)溫度升高至40 oC，能量分辨率降低至5.33%。主要原因為低溫下APD的漏電流降低、內(nèi)置增益變大、CSP噪聲降低、輸出脈沖信號的信噪比變大，因此探測系統(tǒng)對能量為662 keV的γ射線的能量分辨率得到提高。

4　結(jié)語

本文以APD為CsI（Tl）閃爍晶體的光電轉(zhuǎn)換器件，并耦合上CSP對APD輸出的信號進(jìn)行放大。測試了APD兩端偏置電壓對輸出脈沖信號幅度與上升時間的影響。測試結(jié)果顯示，輸出脈沖信號幅度與APD兩端的偏置電壓成正相關(guān)，上升時間與偏置電壓成負(fù)相關(guān)。將經(jīng)過放大后的APD信號輸入到DMCA中，測試了偏置電壓與溫度對以APD為光電轉(zhuǎn)換器件的閃爍探測器的能譜響應(yīng)，偏置電壓會影響以APD為光電轉(zhuǎn)換器件的CsI（Tl）閃爍探測器的能量分辨率，測試結(jié)果表明：當(dāng)APD兩端偏置電壓為370 V時，探測系統(tǒng)對能量為662 keV的γ射線的能量分辨率相對最好，可以達(dá)到4.98%，溫度也影響能量分辨率，-20-40 oC范圍內(nèi)，溫度越低，能量分辨率越高。

1 丁洪林. 核輻射探測器［M］. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2009: 103 DING Honglin. Nuclear radiation detector［M］. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2009: 103

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3 黃飛. APD雪崩二極管測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2012

HUANG Fei. Design and implementation of the APD test system［D］. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2012

4 黃銳. 基于雪崩二極管的碘化銫能譜讀出設(shè)計［D］. 成都: 成都理工大學(xué), 2015

HUANG Rui. The design of gamma-ray well logger based on CsI（Tl） scintillator with avalanche photodiode［D］. Chengdu: Chengdu University of Technology, 2015

5 陳若富, 樊瑞睿, 徐瑚珊, 等. CsI（T1）晶體探測器APD讀出的溫度效應(yīng)［J］. 高能物理與核物理, 2007, 31（8）: 760-763

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YIN Liju. Research on photon counting imaging technology based on GM-APD［D］. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2012

7 曾國強, 魏世龍, 夏源, 等. 碲鋅鎘探測器的數(shù)字核信號處理系統(tǒng)設(shè)計［J］. 核技術(shù), 2015, 38（11）: 110401. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110401

ZENG Guoqiang, WEI Shilong, XIA Yuan, et al. Design of digital nuclear signal processing system for CdZnTe detector［J］. Nuclear Techniques, 2015, 38（11）: 110401. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110401

8 何景棠, 陳端保, 李祖豪, 等. 新型雪崩光電二極管和CsI（Tl）晶體組成的閃爍探測器［J］. 核電子學(xué)與探測技術(shù), 1996, 16（2）: 87-90

HE Jingtang, CHEN Duanbao, LI Zuhao, et al. Scinillation detector composed by newe type of avalanche photodiode and CsI（Tl） crystal［J］. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1996, 16（2）: 87-90

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

國家自然科學(xué)基金（No.41474159）、四川省重點實驗室基金（No.gnzds2014006）、四川省科技廳青年基金（No.2015JQO035）資助

胡浪，男，1987年出生，2011年畢業(yè)于成都理工大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，從事電子儀器與測量技術(shù)研究

張開琪，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