基于LaBr3(Ce)晶體耦合SiPM的位置靈敏探測器的研制與性能校正

李 巖 王 川 劉立業(yè) 石伯軒 曹勤劍 趙 原 夏三強(qiáng) 董佳杰

1（中國輻射防護(hù)研究院 太原 030006）

2（核電運行研究（上海）有限公司 上海 200126）

射線成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于宇宙空間探測、核工業(yè)、輻射環(huán)境監(jiān)測以及核應(yīng)急等領(lǐng)域［1-5］。傳統(tǒng)的射線成像系統(tǒng)一般由位置靈敏探測器（γ 事例數(shù)據(jù)獲?。?、數(shù)據(jù)采集卡（模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化以及傳輸）以及上位機(jī)軟件（圖像重建）組成［6］。位置靈敏探測器作為輻射探測的最前端設(shè)備，是決定成像系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要因素之一。隨著核工業(yè)領(lǐng)域的輻射成像技術(shù)快速發(fā)展，針對高能量分辨率、高計數(shù)率、小型化γ相機(jī)探測器的設(shè)計是目前亟待解決的問題［7］。部分射線成像系統(tǒng)探測器由CsI（Tl）、NaI（Tl）等晶體陣列耦合位置靈敏型光電倍增管（Position Sensitive Photomultiplier Tube，PSPMT）構(gòu)成［8］或者使用像素型碲鋅鎘（Cadmium Zinc Telluride，CdZnTe，CZT）半導(dǎo)體探測器［9］，然而CsI（Tl）和NaI（Tl）的能量分辨率有限，核素識別能力較差；PSPMT 也存在體積較大、對磁場敏感、供電電壓較高且價格昂貴等缺點，不適合小型化成像系統(tǒng)的研制。而CZT 探測器雖然能量分辨率很高，但是由于輸出的電荷信號脈沖寬度較寬，在高計數(shù)率情況下容易出現(xiàn)信號的堆積現(xiàn)象，在核工業(yè)高計數(shù)率的背景下顯然不適合。LaBr3（Ce）晶體是一種具有光輸出高［10-12］、發(fā)光衰減時間非常短（16 ns）、較大密度的晶體。該晶體由于其高能量分辨率等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)成像、地質(zhì)勘探、石油測井、空間物理學(xué)和核輻射探測領(lǐng)域。硅光電倍增管SiPM作為新型光電轉(zhuǎn)換器件，與PSPMT相比具有體積小、抗磁場干擾、供電電壓低、時間分辨率好等優(yōu)點。由此提出使用LaBr3（Ce）晶體陣列耦合SiPM 來組成新型的射線成像系統(tǒng)的探測器，并設(shè)計了前端讀出電路。隨后通過實驗完成了整個位置靈敏探測器的性能測試，并進(jìn)行了性能的校正工作。整個探測器的平均能量分辨率為4.96%，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期的5.5%。各個晶體條之間校正后的能譜峰位一致性（662 keV）和靈敏度一致性的偏差在10%以內(nèi)，也達(dá)到了相應(yīng)的指標(biāo)。

1 探測器研制以及測試系統(tǒng)

1.1 LaBr3(Ce)晶體陣列和SiPM陣列

LaBr3（Ce）晶體陣列由8×8根晶體條組成，每根晶體條的尺寸為6.4 mm×6.4 mm×20 mm，晶體之間使用0.8 mm厚的聚四氟乙烯反射層隔開，晶體陣列的外表面使用黑膠以及鋁箔進(jìn)行包裹以防止其潮解漏光。

光電轉(zhuǎn)換器件使用的是SENSL 公司生產(chǎn)的ARRAYC-60035-64P 陣列型SiPM，是由8×8 片C-60035 像素型SiPM 組成。單片SiPM 像素面積為7.0 mm×7.0 mm，感光面積為6.0 mm×6.0 mm，相鄰的兩個SiPM的中心間距為7.2 mm，整個SiPM陣列的面積為57.4 mm×57.4 mm。每個SiPM 像素由18 980 個APD 組成，每個像素的尺寸為35 μm×35 μm。

圖1 陣列型SiPM ARRAYC-60035-64P的頂面圖(a)和底面圖(b)Fig.1 Top view(a)and bottom view(b)of SiPM array ARRAYC-60035-64P

將LaBr3（Ce）晶體陣列通過光學(xué)硅脂進(jìn)行耦合，并使用黑膠涂抹在其接縫處，最后在頂部再放置一個鋁殼并使用黑膠進(jìn)行密封，這樣避免整個探測器模塊的潮解和漏光。由于LaBr3（Ce）晶體具有潮解的性質(zhì)，整個探測器模塊的耦合都需要在真空的環(huán)境下進(jìn)行。

1.2 前端讀出電子學(xué)設(shè)計

在位置靈敏探測器的研制中，由于通道數(shù)較多，會使用離散定位電路（Discretized Positioning Circuit，DPC）［13］和均勻電荷分配電路（Symmetric Charge Division Circuit，SCDC）［14］作為探測器的讀出電路，以此減少電路的通道數(shù)，然而這樣做無疑也會降低信號的信噪比，也會造成通道之間的串?dāng)_。在整個位置靈敏探測器的位置識別中，首先需要進(jìn)行整個探測器散點圖和位置表的獲取，對于上位機(jī)軟件來說會變得較為復(fù)雜。因此在本次位置靈敏探測器的研制過程中直接只用64 通道獨立讀出的方式，雖然通道數(shù)有所增加，但是帶來的信噪比等性能提升也同樣重要。由于SiPM的輸出信號較小，因此讀出電路對其進(jìn)行了放大，電路的原理圖如圖2（a）所示。由于探測器和放大電路之間連接方式是使用插針的方式相連，為了避免在豎放時整個探測器的重量都需要PCB板上的兩個插件進(jìn)行支撐，是用3D打印技術(shù)制作一個白色外殼包裹整個探測器以此達(dá)到支撐的目的，整體的探測器模塊如圖2（b）所示。

圖2 探測器讀出電路原理圖(a)和探測器模塊實物圖(b)Fig.2 Schematic diagram of detector readout circuit(a)and physical drawing of detector module(b)

2 主要性能測試以及校正

2.1 能量分辨

在完成了整個探測器的研制以后，進(jìn)行了整個探測器的性能測試。由于SiPM具有一定的溫漂，整個測試過程在室溫環(huán)境下，SiPM 的供電電壓為27.5 V。將探測器置于標(biāo)準(zhǔn)輻射場，而且整個測試過程在避光的條件下。將一個137Cs點源放置在距離探測器195 cm 的位置，探測器位置處的劑量率為8.0 μSv·h-1，測試時間為10 min。在137Cs 放射源放出的γ 射線的照射下，晶體陣列的能譜如圖3 所示，64通道探測器所獲取的能譜中，能量分辨率最好為3.92%，最差為5.91%，整個64 通道的平均能量分辨率為4.96%，其余通道的能量分辨率如表1所示。通過能譜圖可以看出，其峰康比較小，這是由于晶體條較小，在662 keV 的γ 射線擊中晶體時，發(fā)生康普頓散射以后大部分的散射光子又打到周圍的晶體上，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的64通道之間是相互獨立的，從而將一個事例變?yōu)椤皟蓚€”事例導(dǎo)致全能峰計數(shù)下降以及康普頓坪區(qū)計數(shù)上升，因此峰康比較小。

表1 64根晶體條能量分辨率Table 1 Energy resolution of 64 crystal strips

圖3 662 keV射線照射下最佳能量分辨率的晶體條能譜圖(a)和最差能量分辨率能譜圖(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

探測器模塊的峰位一致性表示各個晶體條對相同能量γ射線的響應(yīng)情況。探測器模塊各個晶體條對137Cs點源放出的662 keV的能譜峰位如圖4所示?？梢钥闯?，各個晶體條的能譜峰位差距較大，這是由于各個晶體條對相同能量射線響應(yīng)不一致以及SiPM 的增益一致性的差異造成的。在編碼孔徑γ成像系統(tǒng)的實際應(yīng)用中會對能窗進(jìn)行選擇，如果不進(jìn)行峰位一致性校正，則會造成真實事例的丟失，即探測效率的下降，進(jìn)而影響成像效果，因此需要將各個晶體條進(jìn)行能譜峰位一致性校正。

由于LaBr3（Ce）晶體條耦合SiPM測試的能譜峰位道址與射線能量不是一次線性關(guān)系，而是滿足二次多項式，因此在進(jìn)行峰位一致性校正的時候，各個晶體條像素使用二次多項式進(jìn)行擬合。擬合過程如下所述：為了與成像系統(tǒng)實際應(yīng)用的場景相符合，將整個系統(tǒng)置于標(biāo)準(zhǔn)輻射場中進(jìn)行能譜數(shù)據(jù)的獲?。丛谟芯幋a準(zhǔn)直器的情況下進(jìn)行測試）。首先對整個成像系統(tǒng)在用正碼板的情況下進(jìn)行一系列測試，其中包括241Am（60 keV）點源，探測器處的劑量率為9 μSv·h-1；137Cs（662 keV）點源，探測器處的劑量率為8 μSv·h-1；60Co（1.17 MeV、1.33 MeV）點源，探測器處的劑量率為20 μSv·h-1進(jìn)行測試，并獲取相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)。再用反碼板進(jìn)行上述相同的測試，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。然后分別將241Am、137Cs、60Co 的正、反碼板能譜數(shù)據(jù)相加獲取“最終的能譜數(shù)據(jù)”。最后提取各個能譜數(shù)據(jù)的峰位道址，對64個晶體條像素進(jìn)行二次多項式的擬合，獲取校正系數(shù)，完成整個探測器陣列的峰位一致性型校正。其中校正效果如圖4所示。

圖4 校正前(a)和校正后(b)64個晶體條像素137Cs能譜圖Fig.4 137Cs energy spectrum of 64 crystal strip pixels before(a)and after(b)correction

2.3 靈敏度一致性測試以及校正

由于編碼孔徑成像是根據(jù)探測器的投影值（計數(shù)）不同來進(jìn)行重建，所以對于整個探測器系統(tǒng)的64 通道之間的靈敏度一致性要求較高。如果各個晶體條的靈敏度一致性較差，會導(dǎo)致重建圖像的信噪比下降，甚至嚴(yán)重的會造成偽影的出現(xiàn)。而LaBr3（Ce）晶體廠商和SiPM 廠商在進(jìn)行晶體條像素和SiPM 的制造過程中，不可能保證各個晶體條和SiPM 的性質(zhì)都是相同的，而且LaBr3（Ce）晶體條本身具有自發(fā)放射性，各個晶體條之間在相同時間內(nèi)自發(fā)的γ 射線也不盡相同，以上種種原因?qū)е卤仨氝M(jìn)行探測器陣列的靈敏度一致性校正工作。

靈敏度一致性校正的思路如圖5 所示，各個晶體條像素的計數(shù)與放射源的活度（劑量率）呈線性關(guān)系，不過由于各個晶體條性質(zhì)差異等原因存在，導(dǎo)致其在相同劑量率條件下所獲取的計數(shù)不同（從數(shù)學(xué)的表述上來說即是斜率不同）。通過一次線性擬合獲取64通道各個晶體條的增長速率（斜率），然后求出它們的平均增長率（斜率），將平均增長率與各自的增長率的比值即為各個晶體條像素的校正系數(shù)，根據(jù)該校正系數(shù)進(jìn)行靈敏度一致性的校正。

圖5 探測器陣列靈敏度一致性校正方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of sensitivity uniformity correction method of detector array

使用不同活度的137Cs點源置于探測器正中心處進(jìn)行測試，探測器處的劑量率分別為1.238 μSv·h-1、3 μSv·h-1、4 μSv·h-1、5 μSv·h-1、8 μSv·h-1，其中放射源與探測器的中心距離為500 cm、345 cm、270 cm、250 cm、195 cm，測試時間均為10 min。在本次測試中，距離最近為195 cm，在該次測試中距離放射源最近的探測器和最遠(yuǎn)的探測器之間的距離比值為0.99，γ 射線打到中心位置與邊緣位置處的夾角為0.82°，可近似將γ射線視為平行入射，因此由此引入的探測效率一致性偏差可以忽略不計，其他更遠(yuǎn)的測試因距離不同所造成的偏差更小，可以忽略不計。圖6是劑量率為3 μSv·h-1的137Cs點源測量10 min的結(jié)果，從圖6可以看出，探測器模塊各個晶體條的探測效率一致性較差，探測器陣列中晶體條最大計數(shù)與最小計數(shù)的比值達(dá)到了1.67倍。

圖6 探測器模塊中64個晶體條被137Cs點源照射10 min后各個晶體條的計數(shù)Fig.6 Counting of 64 crystal strips in the detector module after being irradiated by137Cs point source for 10 min

通過以上方法進(jìn)行各個劑量率下64 根晶體條像素的靈敏度一致性校正，其校正結(jié)果如圖7所示，其中在3 μSv·h-1測試10 min的測量條件下，探測器陣列中晶體條最大計數(shù)與最小計數(shù)的比值從1.67倍下降到了1.05。

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

3 結(jié)語

針對用于核工業(yè)領(lǐng)域的高能量分辨率、高計數(shù)率、小型化γ 相機(jī)探測器的設(shè)計是目前亟待解決的問題，本文采用了LaBr3（Ce）晶體陣列耦合SiPM 陣列組成位置靈敏探測器，并設(shè)計了相應(yīng)的SiPM讀出電路。實驗結(jié)果表明該位置靈敏探測器的64 根晶體條的平均能量分辨率為4.96%，其中能量分辨率最好為3.92%，最差為5.91%。后續(xù)進(jìn)行了各個晶體條像素的峰位一致性和靈敏度一致性的測試和校正，都取得較好的效果。測試結(jié)果表明，該探測器在能量分辨率、峰位一致性以及靈敏度一致性等性能方面均能夠滿足預(yù)先設(shè)定的γ 相機(jī)成像的設(shè)計要求，具備應(yīng)用于核工業(yè)領(lǐng)域的前景。

作者貢獻(xiàn)聲明李巖：負(fù)責(zé)文章的起草和收集文獻(xiàn)；王川：負(fù)責(zé)研究的提出和設(shè)計；劉立業(yè)：負(fù)責(zé)研究的提出和設(shè)計；石伯軒：負(fù)責(zé)技術(shù)指導(dǎo)；曹勤劍：負(fù)責(zé)對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱；趙原：負(fù)責(zé)文獻(xiàn)收集和校對；夏三強(qiáng)：負(fù)責(zé)硬件研制；董佳杰：負(fù)責(zé)實驗測試。