基于硅光电倍增管的γ闪烁谱仪研究

发布时间：2020-10-17 10:31

　　 随着核能的大力发展,环境辐射监测越来越受到重视。γ射线探测作为一种重要辐射监测技术,在辐射防护、核医学及核技术应用领域有着重大意义。而闪烁体探测器则是探测γ射线最常用的检测器件之一。为扩大闪烁体探测器的应用范围,对闪烁体探测器中耦合晶体的光电器件提出了新的要求。比如紧凑的结构、低的功耗、大的机械强度、极低的噪声以及对磁场不敏感等,相比于硅二极管、光电倍增管,硅光电倍增管更满足这些条件。硅光电倍增管是近年来兴起的一种由大量工作在盖革模式下的雪崩二极管集成的新型光子探测器。具有体积小,工作电压低,对磁场不敏感,单光子分辨能力强等优点。本工作应对上述要求建立了一套基于硅光电倍增管的γ闪烁谱仪系统,对硅光电倍增管耦合不同闪烁晶体探测γ射线进行了详细的研究。本文利用蒙特卡罗软件Geant4构建了探测模块几何结构,定义了相关的物理过程,对LaBr_3:10%Ce~(3+),NaI(TI)闪烁晶体耦合SiPM测量γ射线能谱进行了细致的模拟,计算结果以Tree数据模型的形式保存在Root文件中。作为一种有效的粒子输运模拟方法,蒙特卡罗方法存在着计算机时较长的不足,为此本文研究了重要性采样这种减小方差技巧在γ射线监测模拟计算中的应用效果。本文设计了硅光电倍增管的前置适配电路,经电路结构及元器件参数优化有较好的响应输出。数字化谱仪采用插件式能谱仪进行信号的滤波整形及采集处理。对~(152)Eu,~(137)Cs标准源在多种实验环境下的γ能谱特性响应进行测量研究。实验结果与修正后的模拟结果相符合,验证了封装闪烁晶体的材料及晶体本身光学参数在模拟程序中设置的可靠性与合理性。并与传统光电倍增管为光电器件的闪烁体探测装置进行对比,对谱仪温度响应、磁场特性、抗辐照、探测效率、能量线性及能量分辨率等性能指标重点进行了讨论。该套系统结构紧凑、功耗低、不受环境磁场影响、测量γ射线能量分辨率较好、适用于便携式、狭小空间固定式仪表应用。
【学位单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL81
【部分图文】：

图2.1SensL公司型号为MicroFC-30035-SMT的SiPM内部集成APD微元图2.2雪崩二极管内部结构图2.2 APD 探测光子过程光子入射雪崩二极管后将经历以下几个过程：1.表面反射损失；2.顶部保

组成多工作在盖革模式下的雪崩二极管微元集成的anche Photodiode）中入射光子激发产生的电子移，在漂移过程中经耗尽层雪崩区间的碰撞电一个信号电流，雪崩效应使得硅光电倍增管对加反向偏压超过击穿电压阈值时，电子漂移到大的雪崩电流，反向加的偏压越大则电流增益式称为盖革模式。在雪崩电流增大的同时，淬压及时降低到雪崩阈值以下，使雪崩结束。随一个光子做好准备。图 2.1 为 SiPM 内部集成了简化后的雪崩二极管 PN 结内部结构，红色

折射率低的介质（如空气）入射到折射率高的介质表分光子会被反射。APD 管硅半导体表面通常会覆盖一1.46）来减少光反射，但仍然有 20%-30%的入射光会被度与折射率有关）进而导致 APD 管的量子效率 QE 减表面再加几层不同折射率的反射层，这样反射损失可层光吸收损失表面的二氧化硅在空气中会形成一层很薄的钝化层，性能，其光学损失可以忽略，但入射光为波长小于 3层对其有较大的影响。半导体中的光吸收穿过 APD 管表面氧化层进入硅片的光子绝大部分会被光的光波长有关，如图 2.3 所示。
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本文编号：2844661