Устройство для регистрации излучения
DEVICE FOR REGISTRATION OF RADIATION

Изобретение относится к технической и экспериментальной физике, в частности, к сцинтилляционным детекторам, работающим на основе кремниевых фотоумножителей, и может быть использовано в системах регистрации и обработки ионизирующих излучений.
В настоящее время происходит активное развитие детекторов, работающих на основе различных сцинтилляторов и твердотельных фотоумножителей. Данный тип детекторов широко известен под общим названием кремниевый фотоумножитель (Si-ФЭУ, MAPD, МРРС, SiPM, G-APD и т.д.) [1. Каталог компании Азимут Фотоникс, дата обращения 15.10.2021, режим доступа https://azimp.ru/catalogue/silicon-pm2/, свободный]. Принцип работы подобных устройств основан на конверсии ионизирующего излучения специальным сцинтиллятором, например, ZnS:Li6 - для нейтронов, Lu2SiO5:Ce - для гамма-излучения, и дальнейшей доставки света до светочувствительного элемента - ячейки кремниевого фотоумножителя.
В зависимости от состава, время высвечивания сцинтиллятора варьируется в широком диапазоне времен от 5 нс до 10 мкс. Большее время высвечивания влечет, в частности, увеличение мертвого времени работы фотоумножителя. Это, как следствие, ограничивает максимальную загрузку детектора. Помимо времени высвечивания, на ограничение максимальной загрузки влияет также время восстановления емкости ячейки кремниевого фотоумножителя (SiPM) после срабатывания.
Известно устройство для регистрации ионизирующего излучения, в котором для увеличения загрузочной способности используются кремниевый фотоумножитель для быстрого съема сигнала компании SensL, подключаемый к усилителю и источнику напряжения, и содержащий дополнительно к аноду и катоду третий электрод, обеспечивающий специальный быстрый выход (fast) для достижения лучшего времени нарастания сигнала [2. И. Иванов, Методика оценки и сравнения кремниевых фотоумножителей, Элементная база Электроники, №2 (00152) 2016 г., стр 62-75 https://www.electronics.ru/files/article_pdf/5/article_5135_240.pdf]. Быстрый выход имеет емкостную связь с каждой микроячейкой, в то время как выходной сигнал является производной от внутреннего быстрого переключения микроячейки в ответ на регистрацию единичных фотонов. Емкость этого входа составляет около 10% от общей емкости кремниевого фотоумножителя. Эти быстрые выходные сигналы в зависимости от размера SiPM-детектора обычно имеют времена нарастания от 300 пс до 200 нс и длительность импульса от 600 пс до 400 нс.
6
Меньшая емкость быстрого выхода приводит к ослаблению сигнала на выходе и к нежелательным изменениям амплитудного разрешения, что не позволяет связать амплитуду импульса с количеством фотонов. Наряду с этим, пониженная остаточная емкость фотоумножителя приводит к снижению скорости заряда фотоумножителя, и при слишком большой загрузке фотоумножитель не будет успевать заряжаться. Таким образом, в известном устройстве с фотоумножителем со специальным быстрым выходом (fast) не обеспечивается идентификация типов излучений в зависимости от амплитуды сигнала на выходе с SiPM, а загрузочная способности достигается в пределах 5*10 Гц, что ограничивает область применений устройств регистрации.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство для измерения света [3. RU, №2742597, МПК H01L 27/00, опубл. 08.02.2021 г], состоящее из оптического аттенюатора, установленного с возможностью уменьшения интенсивности падающего потока малофотонных импульсов на кремниевый фотоумножитель, к которому подключены высокочастотный усилитель для фотоэлектрического сигнала с возможностью установки полосового высокочастотного фильтра, и источник напряжения. Усилитель и источник напряжения также подключены к электронной системе управления, обрабатывающей фотоэлектрический импульс, сформированный на выходе фотоумножителя, и выполненной с возможностью управления напряжением, оптическим аттенюатором и полосовым высокочастотным фильтром, в том числе посредством эквализации с помощью обратной связи.
Высокая производильность данного устройства обеспечена за счет формирования потока малофотонных импульсов таким образом, чтобы засвечивались все микроячейки кремниевого фотоумножителя. Для этого электронной системой управления ослабляется интенсивность падающего на матричный детектор от оптического аттенюатора потока малофотонных импульсов таким образом, что срабатывает малая часть микроячеек фотоумножителя, и регистрируются время появления фотоэлектрического импульса, сформированного на выходе фотоумножтеля посредством срабатывания микроячеек при поглощении малофотонного импульса, далее повторно регистрируются время появления фотоэлектрического импульса, сформированного на выходе фотоумножителя посредством срабатывания микроячеек, не поглотивших фотон из предыдущего малофотонного импульса. Высокочастотным усилителем фотоэлектрический сигнал усиливается до уровня, пригодного для обработки с высоким соотношением сигнал/шум, а высокочастотным фильтром фильтруют медленно меняющуюся компоненту сигнала для выделения отдельных импульсов, укорачивая передний фронт фотоэлектрического импульса и тем самым повышая пропускную способность детектора при регистрации потока малофотонных импульсов.
Известное устройство обеспечивает обработку импульсов, следующих друг за другом в пределах мертвого времени каждой микроячейки детектора, за счет организации по времени в виде периодической последовательности малофотонных оптических импульсов, полученных путем формирования и ослабления падающего потока фотонов. Обработка импульсов таким образом позволяет повысить загрузочную способность фотоумножителя, однако она заключается в выделении пиков в сигнале и сопровождается сильными искажениями в оптической части сбора фотонов, что не позволяет сохранить зависимость амплитуды сигнала от количества фотонов, исключая возможность идентификации импульсов и ограничивая применение устройства в области обработки цифровых сигналов для оптических линий связи.
Кремниевые твердотельные фотоумножители изначально разработаны как замена фотоэлектронных умножителей, которые повсеместно используются как раз из-за возможности получения зависимости амплитуды от количества света. Для целей обработки цифровых сигналов существуют более простые приборы и схемы (например, специализированные диоды) которые не требует сложной оптической схемы и электроники, что в свою очередь приводит к повышению стоимости устройства и ограничивает применение данного устройства.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для регистрации излучения, в котором за счет конструктивных особенностей обеспечивается сохранение зависимости амплитуды сигнала от количества фотонов при снижении длительности мертвого времени ячеек фотоумножителя, что обеспечивает возможность идентификации импульсов при высокой загрузочной способности фотоумножителя, расширяя при этом функциональные возможности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для регистрации излучения, содержащем кремниевый фотоумножитель, с подключенными к нему усилителем и источником напряжения, согласно изобретению, источник напряжения содержит взаимосвязанные регулятор напряжения, на вход которого подается напряжение питания фотоумножителя, и стабилизатор тока заряда фотоумножителя, включающий P-N-P транзистор, коллектор которого соединен с катодом кремниевого фотоумножителя и конденсатором на землю, и два последовательно соединенных резистора, где выход первого резистора соединен через конденсатор с землей, выход второго резистора соединен с эмиттером P-N-P транзистора.
Целесообразно выполнение регулятора напряжения в виде переменного резистора, средняя точка которого подключена к базе P-N-P транзистора.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображена блок-схема устройства для регистрации излучения, подключаемого к регистрирующей электронике, на фиг. 2 - схематично изображен источник напряжения, на фиг. 3 - сравнительный график выходных сигналов устройства для регистрации с типовым источником напряжения (Т1), и изобретения (Т2), фиг. 4 - сравнительный график выходных сигналов изобретения в зависимости от типа излучения.
6
Устройство для регистрации света содержит кремниевый фотоумножитель 1 фирмы Sensl microfc-30035-smt, содержащий матрицу однофотонных детекторов, т.е. микроячеек фотоумножиеля, и использующий в качестве источника света сцинтиллятор ZnS:Li. К фотоумножителю 1 подключены трансрезистивный усилитель 2 (может также использоваться зарядо-чувствительный тип усилителя) и источник 3 напряжения, содержащий регулятор 4 напряжения, выполненный в виде переменного резистора, и стабилизатор 5 тока заряда фотоумножителя 1 (фиг. 1). Стабилизатор 5 включает P-N-P транзистор 6, коллектор которого соединен с катодом кремниевого фотоумножителя 1 и конденсатором 7 на землю, и два последовательно соединенных резистора 8, 9, где выход первого резистора 8 соединен через конденсатор 10 с землей, выход второго резистора 9 соединен с эмиттером P-N-P транзистора 6 (фиг. 2). Регулятор 4 напряжения и стабилизатор 5 тока взаимосвязаны между собой путем прямого подключения средней точки переменного резистора к базе P-N-P транзистора 6.
Для обработки сигнала усилитель 2 подключен к регистрирующей электронике, в качестве которой использован аналого-цифровой преобразователь CAEN Digitizer с шириной канала 3 нс. Для анализа сигнала могут быть использованы простой осциллограф или другие сложные устройства аналого-цифрового преобразования.
252
На вход регулятора напряжения 4 подается напряжение питания фотоумножителя 1 от источника питания с постоянным напряжением 25 Вольт. Источник питания может быть любым с постоянным напряжение от 25 до 35 Вольт. В качестве источников нейтронов используется Cf.
252
6
Устройство работает следующим образом. Регулятором 4 напряжения, выполненным в виде переменного резистора, задается необходимое рабочее напряжение для кремниевого фотоумножителя 1, которое находится в пределах 30-35 Вт. В отсутствии фотонов кремниевый фотоумножитель 1 пропускает малые напряжение и ток, обусловленные тепловым шумом кремниевого фотоумножителя 1 и вызванные срабатыванием одиночных ячеек. Низкий проходящий ток определяется как скорость счета на уровне одного фотона, которая создается тепловой генерацией электронов в активной области кремния. При облучении источником нейтронов Cf сцинтиллятором ZnS:Li осуществляется захват ионизирующего излучения и происходит конверсия излучения в фотоны, количество которых пропорциональны энергии излучения. Образовавшиеся в результате конверсии нейтронов фотоны по световоду попадают на светочувствительный элемент фотоумножителя 1 и вызывают появления заряда, который равен интегралу от импульса обратного тока, который пропорционален количеству сработавших ячеек и, следовательно, количеству фотонов. Этот заряд стекает на усилитель 2, что приводит появлению в системе усилитель-фотоумножитель импульса напряжения, который пропорционален количеству фотонов. Чем сильнее вспышка, тем больше ток. Этот ток разряжает внутренние конденсаторы ячеек фотоумножителя 1 и, соответственно, уменьшает напряжение на конденсаторах 7, 10 стабилизатора 5 тока. Затем начинается процесс восстановления разряженных ячеек фотоумножителя 1. Процесс восстановления носит линейный характер, обусловленный работой P-N-P транзистор 6, работающим в качестве генератора тока. Генератор тока на транзисторе 6 открывается, если напряжение на конденсаторе 7 меньше напряжения рабочей точки фотоумножителя 1. При достижении напряжения на конденсаторе 7 рабочего напряжения кремниевого фотоумножителя 1, напряжение на коллекторе транзистора 6 сравнивается с напряжением на базе транзистора 6 и он закроется. Ограничение тока заряда задается резисторами 8, 9.
При использовании изобретения исключены искажения в оптической части сбора фотонов и используется вся емкость и все микропиксели кремниевого фотоумножителя, что обеспечивает сохранение зависимости амплитуды сигнала от количества фотонов при снижении длительности мертвого времени ячеек фотоумножителя.
В процессе работы устройства регулятором напряжения 4 поддерживается напряжение рабочей точки кремниевого фотоумножителя 1 в заданных в соответствии со спецификацией SiPM пределах, что позволяет улучшить рабочие характеристики кремниевого фотоумножителя, в частности повысить эффективность обнаружения фотонов (PDE), снизить шум, стабилизировать коэффициент усиления. Вместе с тем, при изменениях температуры рабочей среды регулятором напряжения варьируется напряжение рабочей точки для уменьшения шума и стабилизации коэффициента усиления, что в свою очередь влияет на амплитудное разрешение и снижает длительность мертвого времени ячейки.
Время восстановления фотоумножителя, подключенного к типовому источнику напряжения (без регулятора напряжения и стабилизатора тока) протекает по экспоненте и равно времени заряда собственной емкости T~2.7RC, где R - собственное сопротивление кремниевого фотоумножителя, Ом, а С - собственная емкость кремниевого фотоумножителя, Фарад.
За счет стабилизации тока заряда фотоумножителя 1 P-N-P транзистором 6 ток зарядки становиться постоянным во времени и выполняется равенство UC = IT, где U - напряжение, Вольт; С - собственная емкость кремниевого фотоумножителя, Фарад; Т - время полной зарядки, сек; I - ток, А.
В то же время постоянный ток I равен I = U/R, из чего следует, что время полной зарядки Т составляет Т = RC, где R - собственное сопротивление кремниевого фотоумножителя, Ом; С - собственная емкость кремниевого фотоумножителя, Фарад.
Таким образом, в изобретении зарядка емкости кремниевого фотоумножителя 1 протекает по линейному закону и происходит уменьшение времени зарядки, что в свою очередь уменьшает длительность мертвого времени ячеек фотоумножителя 1.
6
252
Для оценки возможности идентификации импульсов и загрузочной способности было проведено сравнительное тестирование изобретения и устройства для регистрации излучения с типовым источником напряжения (в котором отсутствует регулятор напряжения со стабилизатором тока), в котором используется тот же фотоумножитель фирмы Sensl microfc-30035-smt, со сцинтиллятором ZnS:Li, облучаемым тем же источником нейтронов Cf (фиг. 3). В результате время зарядки Т1 фотоумножителя устройства с типовым источником напряжения составило 570 каналов или 1.71 мкс, а время зарядки Т2 фотоумножителя изобретения составило 220 каналов или 0.66 мкс. Таким образом, использование изобретения позволяет уменьшить время зарядки, т.е. длительности мертвого времени ячейки фотоумножителя, более чем в 2.5 раза, а, следовательно, и обеспечивает высокую загрузку фотоумножителя.
Также было проведено сравнение сигнала от нейтронов и гамма-излучения для показания сохранения зависимости амплитуды от количества фотонов (фиг 4). Для этого непосредственно перед сцинтиллятором ставилась пластина из кадмия толщиной 5 мм которая поглощала все нейтроны и давала вторичное гамма с энергией около 500 кэВ, которое регистрировалось сцинтиллятором. Сигналы с устройств снимались и обрабатывались АЦП фирмы CAEN dt5720 с шириной канала 3нс.
На фиг 4. проведено сравнение сигнала от нейтронов и гамма-излучения и как показано на графике, амплитуда сигнала от гамма-излучения А2 имеет меньшее значение чем от нейтронов А1 т.к. дает меньше фотонов. Также из-за теплового шума кремниевого фотоумножителя на спектре появляется амплитуда A3 которая не несет никакой информации и служит лишь для определения теплового шума и выставления порогов в регистрирующем оборудовании для дискриминации шум/полезный сигнал. В нашем случае она равна - 12 мВ. Эти результаты показывают сохранение зависимости амплитуды от количества фотонов.
7
Таким образом, при использовании изобретения обеспечивается возможность идентификации импульсов при высокой загрузочной способности фотоумножителя, которая более чем в 2.5 меньше мертвого времени и достигает 1.25*10 Гц, расширяя при этом функциональные возможности и область применения устройства. Изобретение может быть использовано в различных системах регистрации и обработки ионизирующих излучений, а также в области оптической связи и регистрации фотонов, где в качестве приемного детектора используется кремниевый фотоумножитель, например, в линиях оптической связи или фотометрии.