eng
Выпуск #4/2014
E.Беккер, A.Фарсони
Беспроводной бюджетный компактный гамма-спектрометр на программируемой пользователем вентильной матрице (ППВМ)
Беспроводной бюджетный компактный гамма-спектрометр на программируемой пользователем вентильной матрице (ППВМ)
Просмотры: 6225
Разработкой компактного, недорогого, беспроводного гамма-спектрометра занимаются многие компании. Такое устройство необходимо в условиях чрезвычайных ситуациий для оценки степени боевых повреждений и восстановления техники, а также для персональной дозиметрии.
Прототип спектрометра с подходящими параметрами был сконструирован в отделении ядерной техники и радиационной безопасности университета штата Орегон, г. Корваллис, США. Прототип состоит из сцинтилляционного детектора на основе кристалла CsI(Tl), твердотельного кремниевого фотоумножителя фирмы SensL и цифрового процессора импульсных сигналов (40 МГц, 12-бит) построенного на программируемой пользователем вентильной матрице (ППВМ) (англ.: Field-Programmable Gate Array – FPGA). Кроме того, пользователь может удаленно получать данные со спектрометра, используя мобильный телефон. Прототип потребляет 420 мВт электрической мощности, весит около 28 г (не учитывая вес аккумулятора) и имеет габариты 2,54×3,81 см2. В дополнение прототип позволяет достичь энергетического разрешения 5,9% (полная ширина на половине высоты – ПШПВ) по линии 662 кЭв (изотоп 137Cs).
Введение
После аварии на атомной электростанции Фукусима-1 в 2011 году заметно вырос спрос на компактные недорогие детекторы гамма-излучения. Особый интерес такие датчики представляют для использования в условиях чрезвычайных ситуаций, для обеспечения безопасности на границе, для оценки степени боевых повреждений и для восстановления техники, а также для персональной дозиметрии. Цель настоящей статьи – описание результатов проектирования и создания компактного и недорогого беспроводного гамма-спектрометра, а также оценка его параметров. Прибор имеет источник питания в виде аккумулятора и предназначен для решения множества прикладных задач, в том числе и названных выше.
Каждый метод радиационного контроля обладает своими достоинствами и недостатками. Идеальным гамма-детектором является компактный, недорогой, прочный детектор, который имеет низкое энергопотребление, может работать при комнатной температуре, а также обладает высокой эффективностью регистрации гамма-излучения и возможностью работы в спектрометрическом режиме. Таким требованиям удовлетворяют газовые детекторы, подобные счетчику Гейгера-Мюллера. Однако для их работы требуется высокое напряжение смещения, к тому же их конструкция содержат хрупкие компоненты. Эти детекторы не обладают высокой эффективностью регистрации высокоэнергетичных гамма-квантов и не обеспечивают работу в спектрометрическом режиме.
Альтернатива газовым детекторам – полупроводниковые детекторы. Кремниевые фотодиоды обладают небольшими размерами, прочны, могут работать при комнатной температуре, обеспечивают работу в спектрометрическом режиме. Однако они не лишены недостатков – имеют высокую стоимость и недостаточно эффективны при регистрации высокоэнергетичных гамма-квантов. Другие полупроводниковые детекторы на основе соединения, например CdZnTe, могут быть компактными, прочными, использоваться при комнатной температуре, обеспечивать эффективную регистрацию гамма-квантов, а также работать в спектрометрическом режиме. Однако детекторы на основе CdZnTe обычно имеют высокую стоимость.
Наконец, существуют детекторы на базе сцинтилляторов, состыкованных с чувствительными фотоприемниками. Сцинтилляционные кристаллы могут быть компактными, недорогими, обеспечивать эффективную регистрацию гамма-квантов, могут использоваться при комнатной температуре, а также обеспечивают возможность работы в спектрометрическом режиме. Одним из вариантов чувствительных фотоприемников являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Но ФЭУ – хрупкие и дорогостоящие устройства, кроме того для их работы требуется высокое напряжение питания. Альтернатива традиционным стеклянным ФЭУ – кремниевые фотоумножители (Si-ФЭУ), недорогие, компактные, прочные; кроме того, напряжение смещения, необходимое для их работы, обычно составляет менее 100 В. Таким образом, идеальным детектором для гамма-спектрометрии, отвечающим указанным здесь требованиям, является сцинтиллятор, состыкованный с Si-ФЭУ. Описываемый в настоящей работе гамма-спектрометр, названный MiniSpec, состоит из сцинтиллятора, состыкованного с Si-ФЭУ (детекторный блок), цифрового процессора импульсных сигналов и беспроводной сетевой карты (WCN) (блок электроники).
Описание гамма-спектрометра
Гамма-спектрометр MiniSpec разрабатывался как автономный, беспроводной и недорогой радиоизотопный идентификатор. Другими словами, конструкция MiniSpec должна была содержать в корпусе детектирующую и обрабатывающую части, а также беспроводной интерфейс, способный соединяться с любым мобильным телефоном. Кроме того, готовый спектрометр должен был быть компактным, легким, иметь низкое энергопотребление. Его конструкция должна быть простой для серийного производства (порядка 10 000 шт/год), и дешевой – стоить около 200 долларов США. Указанные параметры, согласующиеся с еречисленными требованиями, были достигнуты путем разработки цифрового процессора импульсных сигналов DPP (англ.: Digital Pulse Processor), основанного на программируемой пользователем вентильной матрице (ППВМ). При этом все компоненты DPP были размещены на изготовленной под заказ печатной плате, включая аналоговую и цифровую электронику цепи обработки сигнала, а также полную цепь питания спектрометра, состоящую из нескольких стабилизаторов напряжения. Это означает, что для работы прототипа MiniSpec требуется только один источник питания с напряжением 3,7 В. Схема MiniSpec, включающая DPP, детектор, а также совместимую беспроводную сетевую карту, представлена на рис.1.
Детектор
Для прототипа MiniSpec был выбран детектор на основе кремниевого фотоумножителя, состыкованного со сцинтиллятором CsI(Tl). Несмотря на имеющиеся преимущества Si-ФЭУ перед традиционными стеклянными ФЭУ, параметры Si-ФЭУ проявляют более сильную зависимость от температуры, чем параметры ФЭУ [1, 2]. Однако способы компенсирования температурной зависимости Si-ФЭУ известны, и они будут приведены далее.
В работе был использован Si-ФЭУ серии MicroSL-60035 производства компании SensL (Ирландия) [3]. В дальнейшем Si-ФЭУ этой серии заменили на MicroSM-60035. Кремниевый фотоумножитель MicroSL-60035 представляет собой 4 ячейки с размерами активных областей 3×3 мм2, каждая из которых содержит по 4774 микроячки. Таким образом, всего получается 19 096 микроячеек на один кремниевый фотоумножитель MicroSL-60035. Каждая микроячейка представляет собой лавинный фотодиод, подключенный к общему для всех микроячеек аноду и катоду. Когда падающий фотон создает электронно-дырочную пару в микроячейке, высокое электрическое поле, приложенное к микроячейке, ускоряет образовавшиеся носители заряда. За счет процесса ударной ионизации возникает электронная лавина, как в счетчике Гейгера-Мюллера [4–6]. При этом величина сигнала с каждой микроячейки примерно одинаковая. Так как микроячейки подсоединены к одному аноду, сигнал на выходе будет пропорционален количеству "сработавших" микроячеек.
В идеальной ситуации каждый фотон, созданный в сцинтилляционном кристалле, вызовет срабатывание только одной микроячейки кремниевого фотоумножителя, поэтому энергия частицы, поглощенной сцинтилляционным кристаллом, будет пропорциональна количеству "сработавших" микроячеек Si-ФЭУ. Однако, если два или более фотонов были поглощены одной и той же микроячейкой за один и тот же промежуток времени, выходной сигнал будет таким же, как и в случае, если бы микроячейка поглотила только один фотон. Таким образом, выходной сигнал Si-ФЭУ выходит на насыщение при определенной величине плотности потока фотонов. Скорость выхода кривой на насыщение можно оценить [7] по формуле:
Nfired = M ∙ [ 1 – exp ( –PDE ∙ Nph ) / M ], (1)
где Nfired – количество сработавших микроячеек; М – общее количество микроячеек; PDE– эффективность регистрации фотонов; Nph – количество фотонов, падающих на активную область Si-ФЭУ. Количество сработавших микроячеек Nph зависит от используемого сцинтилляционного кристалла и энергии частицы, поглощенной сцинтилляционным кристаллом. В случае, когда M >> PDE ∙ Nph, выражение (1) упрощается и принимает вид:
Nfired ≈ PDE ∙ Nph. (2)
В уравнении (2) количество "сработавших" микроячеек Nfired линейно зависит от количества фотонов Nph, падающих на активную область Si-ФЭУ. Значит, чем больше микроячеек содержит Si-ФЭУ, тем выше значение плотности фотонов, при которой выходной сигнал Si-ФЭУ выйдет на насыщение. Таким образом, могут быть идентифицированы частицы с большими энергиями.
Сцинтилляционный кристалл CsI(Tl) был выбран для прототипа спектрометра MiniSpec благодаря своему большому световыходу [фотон/МэВ], высокому порядковому номеру, а также потому, что его пик на спектре высвечивания максимально соответствует пику на кривой чувствительности Si-ФЭУ MicroSL-60035. На рис.2 представлены спектральные характеристики используемого сцинтиляционного кристалла CsI(Tl) и Si-ФЭУ типа MicroSL-60035. Из него ясно видно, что пик на спектре высвечивания CsI(Tl) распологается примерно на длине волны 565 нм, в то время как пик на кривой эффективности регистрации фотонов PDE (англ.: Photon Detection Efficiency) Si-ФЭУ типа MicroSL-60035 располагается примерно на волне 500 нм. Однако PDE Si-ФЭУ типа MicroSL-60035 имеет достаточно высокое значение на длине волны 565 нм. Сцинтилляционный кристалл, использовавшийся в прототипе спектрометра MiniSpec имел размеры 6×6×10 мм, и все его стороны, за исключением одной (6×6 мм), были покрыты белой отражающей эпоксидной смолой (рис.3 и 4). Непокрытая эпоксидной смолой сторона сцинтиллятора была состыкована c активной областью Si-ФЭУ MicroSL-60035 с площадью 6×6 мм с помощью оптической смазки BC-630 производства фирмы Saint-Gobain Crystals. Далее Si-ФЭУ MicroSL-60035, состыкованный со сцинтилляционным кристаллом CsI(Tl) (детектор), туго обернули тефлоновой лентой для лучшего сбора света от сцинтиллятора. После этого детектор поместили в изготовленный на заказ светонепроницаемый корпус для предотвращения фоновой засветки детектора. На рис.3 представлены процессы подготовки детектора: Si-ФЭУ MicroSL-60035 и сцинтилляционный кристалл CsI(Tl); детектор, обернутый тефлоновой лентой; также детектор в светонепроницаемом корпусе.
Результаты
Использованные схемы проведения эксперимента
Для проведения эксперимента использовали две схемы. В первой конфигурации источник рентгеновского излучения размещали как можно ближе к сцинтилляционному кристаллу CsI(Tl) для того, чтобы получить максимальное количество срабатываний микроячеек Si-ФЭУ за минимальный промежуток времени. Эта схема использовалась для всех измерений за исключением измерений полной эффективности энергетического пика FEPE (англ.: Full Energy Peak Efficiency). Вторую схему использовали для измерения FEPE. В ней источник рентгеновского излучения размещали на расстоянии 200 мм от поверхности сцинтиллятора CsI(Tl). Такое расстояние было выбрано с тем, чтобы применить приближение модели точечного источника. Информация записывалась с помощью платы USB интерфейса и интерфейса MATLAB PC. При этом при использовании беспроводного интерфейса WNC скорость передачи данных не изменялась.
Измерение шума спектрометра MiniSpec
Для оценки шума измеряли число срабатываний как с детектором, подсоединенным к плате, так и без соединения с детектором. Среднеквадратичный шум RMS (англ.: Root Mean Square) вычисляли с помощью программы MATLAB [9], а значение полной ширины на полувысоте (ПШПВ) было определено, исходя из значения RMS. Величина вклада эквивалентного шума электроники с прикрепленным детектором составляла 6,19 кэВ (ПШПВ), а соответственно без него – 0,5 кэВ (ПШПВ). Причин резкого увеличения шума при подсоединении детектора может быть несколько [10]. Первая связана с фактором подключения электродов детектора в разъем платы. Шум, вызванный этим фактором, может быть уменьшен в случае, если Si-ФЭУ припаять к плате, или – если использовать Si-ФЭУ в корпусе для поверхностного монтажа SMT (англ.: Surface-mount technology). Другим фактором является то, что детектор сам генерирует темновой ток [4], который вносит вклад в среднеквадратичный шум спектрометра MiniSpec. Кроме того, детекторный блок спектрометра MiniSpec неэкранирован, в отличие от DPP. В дополнение часть шума может являться следствием наводок на электродах Si-ФЭУ.
Измерение энергетического разрешения спектрометра MiniSpec
Для измерения энергетического разрешения спектрометра MiniSpec были сняты энергетические спектры семи различных радиоактивных изотопов (рис.5). Эксперимент проводили по схеме, в которой источник излучения размещался близко к кристаллу CsI(Tl). Отметим, что не все результаты экспериментов представлены в этой статье. На рис.6 показан энергетический спектр источника 0,46μCi109Cd. Оба характеристических пика энергий (22 кэВ и 88 кэВ) различимы на графике. Сигнал, соответствующий линии излучения 22 кэВ 109Cd, использовался для определения значения срабатывания триггера для всех последующих измерений.
На рис.7 представлен энергетический спектр изотопа 0,97 μCi137Cs. Наилучшее энергетическое разрешение, которое удалось достичь в эксперименте, составило 5,9 % для линии 662 кэВ. Хотя для этого измерения использовался тот же детекторный блок спектрометра MiniSpec на основе Si-ФЭУ и сцинтилляционного кристалла CsI(Tl), но блок электроники MiniSpec был другим [11]. Его использование позволило достичь значительного увеличения энергетического разрешения. Заметное улучшение может быть следствием действия сразу нескольких факторов, например, использования экранирующего корпуса. Надо отметить, что пик, соответствующий энергии 32 кэВ, также четко виден на спектре (см.рис.7).
На рис.8 представлена зависимость энергетического разрешения пика ПШПВ от энергии, а также аппроксимирующая линия тренда для этой зависимости. В теории, энергетическое разрешение должно быть пропорционально обратной величине корня квадратного из числа фотонов, излучаемых сцинтиллятором CsI(Tl) [12]. Однако из-за шумов, связанных с блоком электроники спектрометра MiniSpec, нужно учесть соответствующий вклад эквивалентного электронного шума (6,15 кЭв) в уширение линии. Принимая во внимание этот факт, выражение, использованное для построения аппроксимирующей линии тренда, представленной на рис. 8, будет иметь следующий вид:
___
R = 2,35 / √ FF ∙ PDE ∙ Y ∙ E + FWHMe / E , (3)
где R – энергетическое разрешение; FF – полный фактор заполнения [11]; PDE – эффективность регистрации фотонов Si-ФЭУ [3]; Y – световыход сцинтилляционного кристалла CsI(Tl), фотон/МэВ [13]; E – центроид пика энергии; FWHMe – вклад электронного шума в ПШПВ пика.
Линейность отклика и динамический диапазон спектрометра MiniSpec
Линейность отклика Si-ФЭУ была вычислена с использованием центроидов пиков энергий, измеренных на предыдущем этапе эксперимента. На рис.9 приведена зависимость количества каналов (как будет видно далее, количество каналов пропорционально количеству "сработавших" микроячеек) от положения центроида пика энергии, а также две теоретические зависимости: линейная зависимость количества каналов от положения центроида пика энергии (рис.9) и соответствующая зависимость, с учетом насыщения Si-ФЭУ. Линейная зависимость была построена исходя из формулы (2) – по четырем наименьшим по энергиям пикам. Как и ожидалось, для пиков, соответствующих частицам с большими энергиями, линейная зависимость не наблюдалась. Зависимость, с учетом насыщения Si-ФЭУ (рис.9), была получена исходя из формулы (1). Так как количество "сработавших" в данный момент микроячеек неизвестно, то для конвертации количество сработавших микроячеек в количество каналов, на котором расположен центроид пика энергии, в формулу (1) был введен дополнительный коэффициент k, полученный из результатов измерения положений центроидов пиков энергий:
Cpeak = k M [ 1 – exp ( –PDE · Nph / k M )], (4)
где Cpeak – положение центроида пика энергии в единицах количества каналов системной шины MCA (Micro Channel Architecture); М – общее число микроячеек; PDE – эффективность детектирования фотонов, учитывает фактор заполнения Si-ФЭУ; Nph – количество фотонов, падающих на активную область Si-ФЭУ, оценивается из результата умножения световыхода сцинтиллятора на МэВ на предполагаемую энергию гамма-кванта; k – эмпирический коэффициент, полученный из результатов измерения положений центроидов пиков энергий. Таким образом, зависимость с учетом насыщения Si-ФЭУ (см.рис.9) была построена с использованием формулы (4). Экспериментальные данные, полученные для частиц высоких энергий, соответствуют зависимости с учетом насыщения Si-ФЭУ (см.рис.9). Это свидетельствует о том, что за нелинейность отклика спектрометра MiniSpec в области больших энергий ответственен эффект насыщения Si-ФЭУ.
Верхний предел динамического диапазона энергий частиц, которые могут быть идентифицированы с помощью спектрометра MiniSpec, определяется выбором устройств электроники для вычислительного блока MiniSpec. Пределы динамического диапазона АЦП – главный фактор, ограничивающий предел динамического диапазона энергий частиц, которые могут быть идентифицированы с помощью MiniSpec. Однако другие компоненты MiniSpec в аналоговой части DPP также обладают ограничениями на ввод и вывод. Основываясь на измерениях, проведенных с использованием осциллографа, а также калибровки по энергиям, проведенной с помощью зависимости количества каналов от положения центроида пика энергии с учетом насыщения Si-ФЭУ (см.рис.9), определено максимальное значение энергии частицы, которая может быть идентифицирована с помощью текущей конфигурации спектрометра MiniSpec – она составляет 1,8 МэВ.
Минимальная регистрируемая энергия частицы, которая может быть идентифицирована с помощью спектрометра MiniSpec, определяется выставленным пороговым значением срабатывания триггера. Это значение зависит от эквивалентного шума аналоговой электроники вычислительного блока MiniSpec. Наименьший по энергии пик, который мог быть идентифицирован с помощью текущей конфигурации спектрометра MiniSpec, был пик в 22 кэВ, зарегистрированный от изотопа 109Cd. В дальнейшем его использовали в качестве порогового значения срабатывания триггера.
Полная эффективность энергетического пика (FEPE)
Характеристическая полная эффективность энергетического пика [14] была измерена для всех энергетических пиков, которые удалось идентифицировать в работе. Однако пики с энергиями ниже 511 кэВ недостаточно выделялись над уровнем шума, и их значения FEPE были вычислены грубо. Поэтому их FEPE не приведены, а вычисленные значения FEPE для остальных пиков представлены на рис.10.
Заключение
В представленной статье показаны результаты проектирования и создания недорогого компактного беспроводного гамма-спектрометра с питанием от аккумулятора, также дана оценка его параметров. Гамма-спектрометр MiniSpec является маломощным прибором, потребляя всего 420 мВт от аккумулятора с напряжением 3,7 В. Он легок в обращении благодаря массе всего в 28 г (без учета веса аккумулятора), а также своим компактным габаритам 2,54×3,81 см. Данные со спектрометра MiniSpec могут быть переданы по WiFi любому мобильному устройству с использованием веб-браузера, исключая необходимость в специальном приложении. Гамма-спектрометр MiniSpec позволяет получить энергетическое разрешение 5,9% по линии 662 кэВ (ПШПВ). Кроме того, динамический диапазон гамма-спектрометра MiniSpec составляет 22 кэВ – 1,8 МэВ, что позволяет идентифицировать пики низкоэнергетичных гамма-частиц, пики обратно рассеянных частиц, а также пики вылета. Характеристическая полная эффективность энергетического пика составила 1,79 % по линии 662 кэВ. Вклад шума электроники в общий шум составил величину 6,15 кэВ (ПШПВ).
В качестве одной из наиболее перспективных возможных модификаций гамма-спектрометра MiniSpec можно предложить возможность внесения температурной поправки. Эта модификация уже готова к испытаниям. Для этого в DPP гамма-спектрометра MiniSpec был встроен температурный датчик, сигнал с которого учитывается при написании алгоритма для MCA с целью внесения поправки в количество каналов на гистограмме. Дальнейшее улучшение детектора может быть достигнуто внесением поправки нелинейности отклика детектора, усовершенствованием беспроводного интерфейса, а также оптимизацией мощностных характеристик, экранированием шумов, оптимизацией скорости счета и уменьшением габаритов гамма-спектрометра MiniSpec.
Литература
1.Ramilli M. Characterization of SiPM: temperature dependencies. – Proceedings of IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, 2008.
2.Tur C., Solovyev V., Flamanc J. – Nuclear Instruments and Methods A 620 (2), (2010) 351.
3.www.sensl.com [Online]. MicroSL Silicon Photomultiplier Detectors Datasheet. – SensL, 2012 January.
4.www.sensl.com/downloads/ds. [Online]. An Introduction to the Silicon Photomultiplier. – SensL, 21 October 2011.
5.Renker D. – Nuclear Instruments and Methods A 567 (1), (2006) 48.
6.Rutherford E., Geiger H. – Proceedings of the Royal Society of London A 81 (546), (1908) 141.
7.Stewart A. et al. – IEEE Journal of Quantum Electronics, 44 (2), (2008) 157.
8.www.detectors.saint-gobain.com/uploadedFiles/SGdetectors/Documents/Product_Data_Sheets/CsI(Na)-CsI(Tl)-Data-Sheet.,[online]. CsI(Tl), sI(Na),Cesium Iodide Scintillation Material. – Saint-Gobain. Crystals, 2012.
9.www.mathworks.com/products/matlab/?s_tid=hp_fp_ml. [Online], The MathWorks,Inc., "MATLAB, v.2012b, 2013.
10.Becker E., Farsoni A., Alhawsawi A., Alemayehu B. – IEEE Transactions on Nuclear Science NS60 (2), (2013) 968.
11.www.nndc.bnl.gov/chart/chartNuc.jsp. [Online], Brookhaven National Laboratory, "Interactive Chart of Nuclides".
12.Knoll G. Radiation Detection and Measurement. – JohnWiley&Sons,Inc.: Hoboken, USA, 2000.
13.www.hilger-crystals.co.uk/properties.asp?material=7. [Online]. Properties of CsI(Tl). – Hilger Crystals, 2013.
14.IEEE Standard Test "Procedures for Germanium Gamma Ray Detectors" ANSI/IEEEStd.325-1986. The Insitute of Electrical and Electronics Engineers. – IEEE, NewYork, 1986.
Введение
После аварии на атомной электростанции Фукусима-1 в 2011 году заметно вырос спрос на компактные недорогие детекторы гамма-излучения. Особый интерес такие датчики представляют для использования в условиях чрезвычайных ситуаций, для обеспечения безопасности на границе, для оценки степени боевых повреждений и для восстановления техники, а также для персональной дозиметрии. Цель настоящей статьи – описание результатов проектирования и создания компактного и недорогого беспроводного гамма-спектрометра, а также оценка его параметров. Прибор имеет источник питания в виде аккумулятора и предназначен для решения множества прикладных задач, в том числе и названных выше.
Каждый метод радиационного контроля обладает своими достоинствами и недостатками. Идеальным гамма-детектором является компактный, недорогой, прочный детектор, который имеет низкое энергопотребление, может работать при комнатной температуре, а также обладает высокой эффективностью регистрации гамма-излучения и возможностью работы в спектрометрическом режиме. Таким требованиям удовлетворяют газовые детекторы, подобные счетчику Гейгера-Мюллера. Однако для их работы требуется высокое напряжение смещения, к тому же их конструкция содержат хрупкие компоненты. Эти детекторы не обладают высокой эффективностью регистрации высокоэнергетичных гамма-квантов и не обеспечивают работу в спектрометрическом режиме.
Альтернатива газовым детекторам – полупроводниковые детекторы. Кремниевые фотодиоды обладают небольшими размерами, прочны, могут работать при комнатной температуре, обеспечивают работу в спектрометрическом режиме. Однако они не лишены недостатков – имеют высокую стоимость и недостаточно эффективны при регистрации высокоэнергетичных гамма-квантов. Другие полупроводниковые детекторы на основе соединения, например CdZnTe, могут быть компактными, прочными, использоваться при комнатной температуре, обеспечивать эффективную регистрацию гамма-квантов, а также работать в спектрометрическом режиме. Однако детекторы на основе CdZnTe обычно имеют высокую стоимость.
Наконец, существуют детекторы на базе сцинтилляторов, состыкованных с чувствительными фотоприемниками. Сцинтилляционные кристаллы могут быть компактными, недорогими, обеспечивать эффективную регистрацию гамма-квантов, могут использоваться при комнатной температуре, а также обеспечивают возможность работы в спектрометрическом режиме. Одним из вариантов чувствительных фотоприемников являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Но ФЭУ – хрупкие и дорогостоящие устройства, кроме того для их работы требуется высокое напряжение питания. Альтернатива традиционным стеклянным ФЭУ – кремниевые фотоумножители (Si-ФЭУ), недорогие, компактные, прочные; кроме того, напряжение смещения, необходимое для их работы, обычно составляет менее 100 В. Таким образом, идеальным детектором для гамма-спектрометрии, отвечающим указанным здесь требованиям, является сцинтиллятор, состыкованный с Si-ФЭУ. Описываемый в настоящей работе гамма-спектрометр, названный MiniSpec, состоит из сцинтиллятора, состыкованного с Si-ФЭУ (детекторный блок), цифрового процессора импульсных сигналов и беспроводной сетевой карты (WCN) (блок электроники).
Описание гамма-спектрометра
Гамма-спектрометр MiniSpec разрабатывался как автономный, беспроводной и недорогой радиоизотопный идентификатор. Другими словами, конструкция MiniSpec должна была содержать в корпусе детектирующую и обрабатывающую части, а также беспроводной интерфейс, способный соединяться с любым мобильным телефоном. Кроме того, готовый спектрометр должен был быть компактным, легким, иметь низкое энергопотребление. Его конструкция должна быть простой для серийного производства (порядка 10 000 шт/год), и дешевой – стоить около 200 долларов США. Указанные параметры, согласующиеся с еречисленными требованиями, были достигнуты путем разработки цифрового процессора импульсных сигналов DPP (англ.: Digital Pulse Processor), основанного на программируемой пользователем вентильной матрице (ППВМ). При этом все компоненты DPP были размещены на изготовленной под заказ печатной плате, включая аналоговую и цифровую электронику цепи обработки сигнала, а также полную цепь питания спектрометра, состоящую из нескольких стабилизаторов напряжения. Это означает, что для работы прототипа MiniSpec требуется только один источник питания с напряжением 3,7 В. Схема MiniSpec, включающая DPP, детектор, а также совместимую беспроводную сетевую карту, представлена на рис.1.
Детектор
Для прототипа MiniSpec был выбран детектор на основе кремниевого фотоумножителя, состыкованного со сцинтиллятором CsI(Tl). Несмотря на имеющиеся преимущества Si-ФЭУ перед традиционными стеклянными ФЭУ, параметры Si-ФЭУ проявляют более сильную зависимость от температуры, чем параметры ФЭУ [1, 2]. Однако способы компенсирования температурной зависимости Si-ФЭУ известны, и они будут приведены далее.
В работе был использован Si-ФЭУ серии MicroSL-60035 производства компании SensL (Ирландия) [3]. В дальнейшем Si-ФЭУ этой серии заменили на MicroSM-60035. Кремниевый фотоумножитель MicroSL-60035 представляет собой 4 ячейки с размерами активных областей 3×3 мм2, каждая из которых содержит по 4774 микроячки. Таким образом, всего получается 19 096 микроячеек на один кремниевый фотоумножитель MicroSL-60035. Каждая микроячейка представляет собой лавинный фотодиод, подключенный к общему для всех микроячеек аноду и катоду. Когда падающий фотон создает электронно-дырочную пару в микроячейке, высокое электрическое поле, приложенное к микроячейке, ускоряет образовавшиеся носители заряда. За счет процесса ударной ионизации возникает электронная лавина, как в счетчике Гейгера-Мюллера [4–6]. При этом величина сигнала с каждой микроячейки примерно одинаковая. Так как микроячейки подсоединены к одному аноду, сигнал на выходе будет пропорционален количеству "сработавших" микроячеек.
В идеальной ситуации каждый фотон, созданный в сцинтилляционном кристалле, вызовет срабатывание только одной микроячейки кремниевого фотоумножителя, поэтому энергия частицы, поглощенной сцинтилляционным кристаллом, будет пропорциональна количеству "сработавших" микроячеек Si-ФЭУ. Однако, если два или более фотонов были поглощены одной и той же микроячейкой за один и тот же промежуток времени, выходной сигнал будет таким же, как и в случае, если бы микроячейка поглотила только один фотон. Таким образом, выходной сигнал Si-ФЭУ выходит на насыщение при определенной величине плотности потока фотонов. Скорость выхода кривой на насыщение можно оценить [7] по формуле:
Nfired = M ∙ [ 1 – exp ( –PDE ∙ Nph ) / M ], (1)
где Nfired – количество сработавших микроячеек; М – общее количество микроячеек; PDE– эффективность регистрации фотонов; Nph – количество фотонов, падающих на активную область Si-ФЭУ. Количество сработавших микроячеек Nph зависит от используемого сцинтилляционного кристалла и энергии частицы, поглощенной сцинтилляционным кристаллом. В случае, когда M >> PDE ∙ Nph, выражение (1) упрощается и принимает вид:
Nfired ≈ PDE ∙ Nph. (2)
В уравнении (2) количество "сработавших" микроячеек Nfired линейно зависит от количества фотонов Nph, падающих на активную область Si-ФЭУ. Значит, чем больше микроячеек содержит Si-ФЭУ, тем выше значение плотности фотонов, при которой выходной сигнал Si-ФЭУ выйдет на насыщение. Таким образом, могут быть идентифицированы частицы с большими энергиями.
Сцинтилляционный кристалл CsI(Tl) был выбран для прототипа спектрометра MiniSpec благодаря своему большому световыходу [фотон/МэВ], высокому порядковому номеру, а также потому, что его пик на спектре высвечивания максимально соответствует пику на кривой чувствительности Si-ФЭУ MicroSL-60035. На рис.2 представлены спектральные характеристики используемого сцинтиляционного кристалла CsI(Tl) и Si-ФЭУ типа MicroSL-60035. Из него ясно видно, что пик на спектре высвечивания CsI(Tl) распологается примерно на длине волны 565 нм, в то время как пик на кривой эффективности регистрации фотонов PDE (англ.: Photon Detection Efficiency) Si-ФЭУ типа MicroSL-60035 располагается примерно на волне 500 нм. Однако PDE Si-ФЭУ типа MicroSL-60035 имеет достаточно высокое значение на длине волны 565 нм. Сцинтилляционный кристалл, использовавшийся в прототипе спектрометра MiniSpec имел размеры 6×6×10 мм, и все его стороны, за исключением одной (6×6 мм), были покрыты белой отражающей эпоксидной смолой (рис.3 и 4). Непокрытая эпоксидной смолой сторона сцинтиллятора была состыкована c активной областью Si-ФЭУ MicroSL-60035 с площадью 6×6 мм с помощью оптической смазки BC-630 производства фирмы Saint-Gobain Crystals. Далее Si-ФЭУ MicroSL-60035, состыкованный со сцинтилляционным кристаллом CsI(Tl) (детектор), туго обернули тефлоновой лентой для лучшего сбора света от сцинтиллятора. После этого детектор поместили в изготовленный на заказ светонепроницаемый корпус для предотвращения фоновой засветки детектора. На рис.3 представлены процессы подготовки детектора: Si-ФЭУ MicroSL-60035 и сцинтилляционный кристалл CsI(Tl); детектор, обернутый тефлоновой лентой; также детектор в светонепроницаемом корпусе.
Результаты
Использованные схемы проведения эксперимента
Для проведения эксперимента использовали две схемы. В первой конфигурации источник рентгеновского излучения размещали как можно ближе к сцинтилляционному кристаллу CsI(Tl) для того, чтобы получить максимальное количество срабатываний микроячеек Si-ФЭУ за минимальный промежуток времени. Эта схема использовалась для всех измерений за исключением измерений полной эффективности энергетического пика FEPE (англ.: Full Energy Peak Efficiency). Вторую схему использовали для измерения FEPE. В ней источник рентгеновского излучения размещали на расстоянии 200 мм от поверхности сцинтиллятора CsI(Tl). Такое расстояние было выбрано с тем, чтобы применить приближение модели точечного источника. Информация записывалась с помощью платы USB интерфейса и интерфейса MATLAB PC. При этом при использовании беспроводного интерфейса WNC скорость передачи данных не изменялась.
Измерение шума спектрометра MiniSpec
Для оценки шума измеряли число срабатываний как с детектором, подсоединенным к плате, так и без соединения с детектором. Среднеквадратичный шум RMS (англ.: Root Mean Square) вычисляли с помощью программы MATLAB [9], а значение полной ширины на полувысоте (ПШПВ) было определено, исходя из значения RMS. Величина вклада эквивалентного шума электроники с прикрепленным детектором составляла 6,19 кэВ (ПШПВ), а соответственно без него – 0,5 кэВ (ПШПВ). Причин резкого увеличения шума при подсоединении детектора может быть несколько [10]. Первая связана с фактором подключения электродов детектора в разъем платы. Шум, вызванный этим фактором, может быть уменьшен в случае, если Si-ФЭУ припаять к плате, или – если использовать Si-ФЭУ в корпусе для поверхностного монтажа SMT (англ.: Surface-mount technology). Другим фактором является то, что детектор сам генерирует темновой ток [4], который вносит вклад в среднеквадратичный шум спектрометра MiniSpec. Кроме того, детекторный блок спектрометра MiniSpec неэкранирован, в отличие от DPP. В дополнение часть шума может являться следствием наводок на электродах Si-ФЭУ.
Измерение энергетического разрешения спектрометра MiniSpec
Для измерения энергетического разрешения спектрометра MiniSpec были сняты энергетические спектры семи различных радиоактивных изотопов (рис.5). Эксперимент проводили по схеме, в которой источник излучения размещался близко к кристаллу CsI(Tl). Отметим, что не все результаты экспериментов представлены в этой статье. На рис.6 показан энергетический спектр источника 0,46μCi109Cd. Оба характеристических пика энергий (22 кэВ и 88 кэВ) различимы на графике. Сигнал, соответствующий линии излучения 22 кэВ 109Cd, использовался для определения значения срабатывания триггера для всех последующих измерений.
На рис.7 представлен энергетический спектр изотопа 0,97 μCi137Cs. Наилучшее энергетическое разрешение, которое удалось достичь в эксперименте, составило 5,9 % для линии 662 кэВ. Хотя для этого измерения использовался тот же детекторный блок спектрометра MiniSpec на основе Si-ФЭУ и сцинтилляционного кристалла CsI(Tl), но блок электроники MiniSpec был другим [11]. Его использование позволило достичь значительного увеличения энергетического разрешения. Заметное улучшение может быть следствием действия сразу нескольких факторов, например, использования экранирующего корпуса. Надо отметить, что пик, соответствующий энергии 32 кэВ, также четко виден на спектре (см.рис.7).
На рис.8 представлена зависимость энергетического разрешения пика ПШПВ от энергии, а также аппроксимирующая линия тренда для этой зависимости. В теории, энергетическое разрешение должно быть пропорционально обратной величине корня квадратного из числа фотонов, излучаемых сцинтиллятором CsI(Tl) [12]. Однако из-за шумов, связанных с блоком электроники спектрометра MiniSpec, нужно учесть соответствующий вклад эквивалентного электронного шума (6,15 кЭв) в уширение линии. Принимая во внимание этот факт, выражение, использованное для построения аппроксимирующей линии тренда, представленной на рис. 8, будет иметь следующий вид:
___
R = 2,35 / √ FF ∙ PDE ∙ Y ∙ E + FWHMe / E , (3)
где R – энергетическое разрешение; FF – полный фактор заполнения [11]; PDE – эффективность регистрации фотонов Si-ФЭУ [3]; Y – световыход сцинтилляционного кристалла CsI(Tl), фотон/МэВ [13]; E – центроид пика энергии; FWHMe – вклад электронного шума в ПШПВ пика.
Линейность отклика и динамический диапазон спектрометра MiniSpec
Линейность отклика Si-ФЭУ была вычислена с использованием центроидов пиков энергий, измеренных на предыдущем этапе эксперимента. На рис.9 приведена зависимость количества каналов (как будет видно далее, количество каналов пропорционально количеству "сработавших" микроячеек) от положения центроида пика энергии, а также две теоретические зависимости: линейная зависимость количества каналов от положения центроида пика энергии (рис.9) и соответствующая зависимость, с учетом насыщения Si-ФЭУ. Линейная зависимость была построена исходя из формулы (2) – по четырем наименьшим по энергиям пикам. Как и ожидалось, для пиков, соответствующих частицам с большими энергиями, линейная зависимость не наблюдалась. Зависимость, с учетом насыщения Si-ФЭУ (рис.9), была получена исходя из формулы (1). Так как количество "сработавших" в данный момент микроячеек неизвестно, то для конвертации количество сработавших микроячеек в количество каналов, на котором расположен центроид пика энергии, в формулу (1) был введен дополнительный коэффициент k, полученный из результатов измерения положений центроидов пиков энергий:
Cpeak = k M [ 1 – exp ( –PDE · Nph / k M )], (4)
где Cpeak – положение центроида пика энергии в единицах количества каналов системной шины MCA (Micro Channel Architecture); М – общее число микроячеек; PDE – эффективность детектирования фотонов, учитывает фактор заполнения Si-ФЭУ; Nph – количество фотонов, падающих на активную область Si-ФЭУ, оценивается из результата умножения световыхода сцинтиллятора на МэВ на предполагаемую энергию гамма-кванта; k – эмпирический коэффициент, полученный из результатов измерения положений центроидов пиков энергий. Таким образом, зависимость с учетом насыщения Si-ФЭУ (см.рис.9) была построена с использованием формулы (4). Экспериментальные данные, полученные для частиц высоких энергий, соответствуют зависимости с учетом насыщения Si-ФЭУ (см.рис.9). Это свидетельствует о том, что за нелинейность отклика спектрометра MiniSpec в области больших энергий ответственен эффект насыщения Si-ФЭУ.
Верхний предел динамического диапазона энергий частиц, которые могут быть идентифицированы с помощью спектрометра MiniSpec, определяется выбором устройств электроники для вычислительного блока MiniSpec. Пределы динамического диапазона АЦП – главный фактор, ограничивающий предел динамического диапазона энергий частиц, которые могут быть идентифицированы с помощью MiniSpec. Однако другие компоненты MiniSpec в аналоговой части DPP также обладают ограничениями на ввод и вывод. Основываясь на измерениях, проведенных с использованием осциллографа, а также калибровки по энергиям, проведенной с помощью зависимости количества каналов от положения центроида пика энергии с учетом насыщения Si-ФЭУ (см.рис.9), определено максимальное значение энергии частицы, которая может быть идентифицирована с помощью текущей конфигурации спектрометра MiniSpec – она составляет 1,8 МэВ.
Минимальная регистрируемая энергия частицы, которая может быть идентифицирована с помощью спектрометра MiniSpec, определяется выставленным пороговым значением срабатывания триггера. Это значение зависит от эквивалентного шума аналоговой электроники вычислительного блока MiniSpec. Наименьший по энергии пик, который мог быть идентифицирован с помощью текущей конфигурации спектрометра MiniSpec, был пик в 22 кэВ, зарегистрированный от изотопа 109Cd. В дальнейшем его использовали в качестве порогового значения срабатывания триггера.
Полная эффективность энергетического пика (FEPE)
Характеристическая полная эффективность энергетического пика [14] была измерена для всех энергетических пиков, которые удалось идентифицировать в работе. Однако пики с энергиями ниже 511 кэВ недостаточно выделялись над уровнем шума, и их значения FEPE были вычислены грубо. Поэтому их FEPE не приведены, а вычисленные значения FEPE для остальных пиков представлены на рис.10.
Заключение
В представленной статье показаны результаты проектирования и создания недорогого компактного беспроводного гамма-спектрометра с питанием от аккумулятора, также дана оценка его параметров. Гамма-спектрометр MiniSpec является маломощным прибором, потребляя всего 420 мВт от аккумулятора с напряжением 3,7 В. Он легок в обращении благодаря массе всего в 28 г (без учета веса аккумулятора), а также своим компактным габаритам 2,54×3,81 см. Данные со спектрометра MiniSpec могут быть переданы по WiFi любому мобильному устройству с использованием веб-браузера, исключая необходимость в специальном приложении. Гамма-спектрометр MiniSpec позволяет получить энергетическое разрешение 5,9% по линии 662 кэВ (ПШПВ). Кроме того, динамический диапазон гамма-спектрометра MiniSpec составляет 22 кэВ – 1,8 МэВ, что позволяет идентифицировать пики низкоэнергетичных гамма-частиц, пики обратно рассеянных частиц, а также пики вылета. Характеристическая полная эффективность энергетического пика составила 1,79 % по линии 662 кэВ. Вклад шума электроники в общий шум составил величину 6,15 кэВ (ПШПВ).
В качестве одной из наиболее перспективных возможных модификаций гамма-спектрометра MiniSpec можно предложить возможность внесения температурной поправки. Эта модификация уже готова к испытаниям. Для этого в DPP гамма-спектрометра MiniSpec был встроен температурный датчик, сигнал с которого учитывается при написании алгоритма для MCA с целью внесения поправки в количество каналов на гистограмме. Дальнейшее улучшение детектора может быть достигнуто внесением поправки нелинейности отклика детектора, усовершенствованием беспроводного интерфейса, а также оптимизацией мощностных характеристик, экранированием шумов, оптимизацией скорости счета и уменьшением габаритов гамма-спектрометра MiniSpec.
Литература
1.Ramilli M. Characterization of SiPM: temperature dependencies. – Proceedings of IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, 2008.
2.Tur C., Solovyev V., Flamanc J. – Nuclear Instruments and Methods A 620 (2), (2010) 351.
3.www.sensl.com [Online]. MicroSL Silicon Photomultiplier Detectors Datasheet. – SensL, 2012 January.
4.www.sensl.com/downloads/ds. [Online]. An Introduction to the Silicon Photomultiplier. – SensL, 21 October 2011.
5.Renker D. – Nuclear Instruments and Methods A 567 (1), (2006) 48.
6.Rutherford E., Geiger H. – Proceedings of the Royal Society of London A 81 (546), (1908) 141.
7.Stewart A. et al. – IEEE Journal of Quantum Electronics, 44 (2), (2008) 157.
8.www.detectors.saint-gobain.com/uploadedFiles/SGdetectors/Documents/Product_Data_Sheets/CsI(Na)-CsI(Tl)-Data-Sheet.,[online]. CsI(Tl), sI(Na),Cesium Iodide Scintillation Material. – Saint-Gobain. Crystals, 2012.
9.www.mathworks.com/products/matlab/?s_tid=hp_fp_ml. [Online], The MathWorks,Inc., "MATLAB, v.2012b, 2013.
10.Becker E., Farsoni A., Alhawsawi A., Alemayehu B. – IEEE Transactions on Nuclear Science NS60 (2), (2013) 968.
11.www.nndc.bnl.gov/chart/chartNuc.jsp. [Online], Brookhaven National Laboratory, "Interactive Chart of Nuclides".
12.Knoll G. Radiation Detection and Measurement. – JohnWiley&Sons,Inc.: Hoboken, USA, 2000.
13.www.hilger-crystals.co.uk/properties.asp?material=7. [Online]. Properties of CsI(Tl). – Hilger Crystals, 2013.
14.IEEE Standard Test "Procedures for Germanium Gamma Ray Detectors" ANSI/IEEEStd.325-1986. The Insitute of Electrical and Electronics Engineers. – IEEE, NewYork, 1986.
Отзывы читателей
