СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ЛАВИННОГО ШУМА В СПЕКТРОМЕТРАХ С МЕДЛЕННЫМИ СЦИНТИЛЛЯТОРАМИ И КРЕМНИЕВЫМИ ФОТОУМНОЖИТЕЛЯМИ
METHOD OF SUPPRESSING AVALANCHE NOISE IN SPECTROMETERS WITH SLOW SCINTILLATORS AND SILICON PHOTOELECTRON MULTIPLIERS

2
2
Настоящее изобретение относится к области ядерного приборостроения, точнее к устройствам сцинтилляционных спектрометров ионизирующих излучений, в которых для достижения предельного энергетического разрешения необходима длительная обработка каждого из сигналов детектора. В первую очередь это те спектрометры, где сцинтилляторы характеризуются относительно большими временами высвечивания, например с кристаллами CsI:Tl, BaF, SrI:Eu и др.
РА
r
Типичный сцинтилляционный спектрометр энергий содержит (фиг. 1) сцинтиллятор и оптически сочлененный с ним фотоэлектронный умножитель, образующих детектор 1; зарядочувствительный предусилитель 2 или резистор нагрузки 3 и процессор детекторных импульсов 4. Сцинтиллятор служит для преобразования энергии поглощенных в нем гамма-квантов или заряженных частиц в световые вспышки пропорциональной интенсивности. РМТ преобразует световые вспышки в пропорциональные импульсы тока на своем аноде; ChA, являющийся по сути интегратором, преобразует импульсы тока на аноде фотоумножителя в экспоненциальные импульсы напряжения с постоянной времени спада τ≥50µs и временем нарастания T, определяемым длительностью импульса тока на аноде фотоумножителя. Процессор детекторных импульсов выполняет функции усиления; формирования детекторных импульсов с амплитудой, пропорциональной площади импульса тока на аноде фотоумножителя (а значит, и энергии кванта или частицы); стабилизации базовой линии спектрометра, инспекции и режекции наложенных во времени сигналов, преобразования амплитуд сформированных импульсов в цифровой код и передачу этих кодов в устройство накопления, обработки и визуализации спектров (обычно это какой-либо персональный компьютер, но может быть и специализированный микропроцессор).
phe
phe
РА
5
6
Современные электронные фотоумножители характеризуются высоким коэффициентом усиления G числа образованных в материале фотокатода светом фотоэлектронов (G=10÷5×10). Поэтому принципиальной необходимости применения зарядочувствительного предусилителя, который с детекторами без внутреннего усиления обеспечивает минимизацию вносимых электронным трактом шумов, здесь нет. ChA применяют в сцинтилляционных спектрометрах с электронным каналом (PDP), выполненном на универсальных спектрометрических модулях [CANBERRA. Instrument Catalog (Edition 9). 338 р.] для обеспечения требуемой ими формы импульсов (τ≥50µs). В моноприборах ограничиваются простой резистивной нагрузкой на аноде РМТ, обычно это 50 Ω для согласования с кабелем [Belousov М.Р. и др. Портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр СТАРК-01. Аналитика и контроль V. 15 (2011) №4. р. 429-438, Belousov М.Р. et al. Scintillation spectrometer SBL-1 for the x-ray densitometer of radioactive technological solutions. Analytics and Control V. 17 (2013) №1, p. 21-26].
peak
LF
peak
LF
peak
peak
peak
γ
peak
LF
LF
LF
LF
LF
LF
В любом случае, есть в составе спектрометра зарядочувствительный предусилитель либо нет, на выходе формирователя детекторных импульсов стремятся получать импульсы с временем достижения пикового значения T, большим, чем полная длительность сцинтилляционной вспышки T. Этим обеспечивается максимальное использование фотонов сцинтилляции в формировании импульса, чья амплитуда является мерой энергии поглощенного в детекторе гамма-кванта или заряженной частицы. Если T<T, то фотоны света, возникшие после T, и рожденные ими фотоэлектроны никак не участвуют в формировании максимального значения сигнала S при t=T - возникает так называемый баллистический дефицит. При данной энергии γ-кванта Е амплитуда импульса оказывается меньше, чем была бы при выполнении условия T≥T. Сцинтилляционные вспышки сцинтилляторов в первом приближении описываются одной или суммой нескольких экспоненциальных компонент высвечивания. В случае однокомпонентной сцинтилляции T≥4,6τ (99% полной длительности) или T≥6,9τ (99,9%). Здесь τ - постоянная времени высвечивания сцинтиллятора. Сигналы на выходе формирователя имеют, как правило, квазигауссову форму, что достигается 2-3-кратным интегрированием экспоненциальных импульсов на активных фильтрах нижних частот.
G
G
5
6
В последнее десятилетие получают все большее применение кремниевые фотоумножители (SiPM) [Акимов Ю.К. Фотонные методы регистрации излучений. Дубна: ОИЯИ, 2014 г., 323 с.]. Они представляют собой кремниевые сэндвичи - слои, образующие pn-переходы, на которые подано обратное смещение. Размеры чувствительной к свету поверхности от 1×1 до 6×6 mm. Толщина сэндвича ≈5µm. Каждый такой сэндвич содержит в себе несколько тысяч микропикселей - миниатюрных счетчиков Гейгера-Мюллера с гасящими разряд резисторами. Размер одного микропикселя от 10×10 до 50×50 µm. Фотон света, с вероятностью 40÷70% (отношение чувствительной и общей площадей фотосенсора - FF) попавший на микропиксель с вероятностью 25÷75% (квантовая эффективность - QE), вызывает появление электрон-дырочной пары. Далее, с вероятностью 70÷90% (P), двигаясь в электрическом поле с высокой напряженностью, фотоэлектрон рождает лавину электронов с числом носителей 10÷10 (это вполне соответствует усилению вакуумных фотоумножителей). Величина, равная FF×QE×P, называется фотодетекторной эффективностью кремниевого фотоумножителя (PDE). Процесс образования лавины занимает около 1 ns. Возникающий лавинный ток протекает через гасящий резистор, напряжение падает и лавина прекращается. На нагрузке образуется сигнал стандартной амплитуды. Линейная зависимость между засветкой SiPM сцинтилляционной вспышкой и величиной выходного тока достигается за счет большого числа микропикселей, подключенных к общей нагрузке, но при условии, что число фотонов света во вспышке существенно ниже, чем число микропикселей.
Целый ряд преимуществ кремниевых фотоумножителей перед вакуумными фотоумножителями (РМТ) делают их очень перспективными для создания сцинтилляционных детекторов ионизирующих излучений. Это нечувствительность к магнитному полю; малые габариты и масса; низкое значение рабочего напряжения (25÷75 V против 1000÷2000 V, необходимых для РМТ); более широкий, чем для РМТ, спектральный диапазон чувствительности к свету (от фиолетового до оранжевого). Есть, однако, у SiPM свойства, которые не позволяют заместить ими во всех случаях РМТ.
G
R
R
Главное - это наличие темнового тока, который создает электронный шум, сильно зависящий от температуры. Другие полупроводниковые фотосенсоры, применяемые со сцинтилляторами (PIN-фотодиоды, лавинные фотодиоды), также обладают током утечки (темновым током), но характер возникающего в них шума коренным образом отличается от того, какой возникает в SiPM. Дело в том, что электроны, составляющие обычный ток утечки в полупроводнике, попадая в область высокой напряженности поля, вызывают с вероятностью P образование лавин точно так же, как это происходит от электронов, образованных в результате фотоэффекта. В итоге шум на выходе SiPM представляет собой пуассоновский поток однополярных импульсов экспоненциальной формы с дискретным рядом амплитуд, соответствующих 1-му, 2-му, 3-му первичным электронам. Постоянная времени спада τ обусловлена процессом восстановления напряжения на микропикселе после окончания лавины - восстановление заряда на паразитной емкости через гасящий резистор. В зависимости от размеров SiPM, размеров микропикселей и технологии изготовления τ=10÷100 ns. Характеристикой "лавинного" шума, образующегося в SiPM, является приводимая производителями темновая скорость счета (Dark Count Rate - DCR). Величина скорости счета "лавинных" шумовых импульсов при комнатной температуре может достигать значений DCR=1,20÷3,4 MHz ("SensL" C-series 6×6 mm, 35 µm).
Можно оценить влияние "лавинного" шума на энергетическое разрешение спектрометра со сцинтиллятором CsI:Tl стандартного размера ⌀38×38 mm, например.
137
γ
Пусть регистрируется энергия γ-квантов от источника Cs (Е=662 KeV). Среднее число образованных фотонов света (ph) составит
где LY - световыход сцинтиллятора CsI:Tl, ph/KeV.
sc
Среднее число рожденных в SiPM лавинообразующих электронов <N> дается формулой (2):
sc
где PDE - эффективность преобразования в SiPM фотонов света лавинные электроны при λ=550 nm.
Сцинтиллятор CsI:Tl характеризуется достаточно большим временем высвечивания - около 15 µs и за это время возникнет в среднем 6355 рожденных светом электронов.
3
n_e
γ
Для сбора света со сцинтиллятора упомянутых размеров потребуется 49 экз. SiPM 6×6 mm. Если взять значение DCR=1,5 MHz для одного экземпляра, то средний интервал между возникновениями "лавинных" шумовых импульсов составит 830 ns. Для матрицы из параллельно включенных 49 экз. этот интервал составит ≈17 ns. Таким образом, за время высвечивания сцинтиллятора (15 µs) образуется 15×10ns/17ns=880 лавинных шумовых электронов <N>. За счет этих 880 лавинных шумовых электронов центр тяжести зарегистрированного пика Е=662 KeV сместится вправо по шкале энергий и новое положение будет соответствовать энергии 753 KeV. Приращение в 92 KeV получат и все остальные пики аппаратурного гамма-спектра. Хуже то, что положение пиков будет сильно зависеть от температуры из-за экспоненциальной зависимости от нее DCR. Система стабилизации энергетической шкалы спектрометра становится обязательной. Еще одно следствие действия лавинного шума - ухудшение относительного энергетического разрешения (η). Статистическая составляющая относительного энергетического разрешения обратно пропорциональна корню квадратному из среднего числа носителей заряда и дается выражением:
Флуктуации числа лавинных шумовых электронов, как упоминалось выше, подчиняется распределению Пуассона, поэтому шумовая составит
Величина шумовой составляющей энергетического разрешения составляет почти 40% от статистической. При меньших энергиях вклад еще выше. Никакими традиционными мерами, кроме охлаждения SiPM и применения сцинтилляторов с гораздо более коротким временем высвечивания (что не всегда приемлемо), избавиться от влияния лавинного шума невозможно.
Задачей изобретения является создание способа подавления лавинного шума в спектрометрах с медленными сцинтилляторами и кремниевыми фотоумножителями, основанного на том, что лавинный шум состоит из отдельных однополярных импульсов постоянной формы и конечной средней частоты следования.
Указанная задача решается тем, что сцинтилляционные сигналы и лавинные шумовые импульсы с выхода кремниевого фотоумножителя, прежде чем они попадут на интегратор сцинтилляционных импульсов, разветвляют в основной и вспомогательный каналы и при этом во вспомогательном канале, пользуясь значительным, не менее чем 10-кратным отличием в длительностях сцинтилляционных и лавинных шумовых импульсов, производят укорачивание сцинтилляционных импульсов до длительности, соизмеримой с длительностью исходных лавинных шумовых импульсов, а затем, с помощью нелинейных или время-вариантных преобразований, выделяют модифицированные шумовые импульсы, масштабируют их таким образом, чтобы их площади соответствовали площадям исходных лавинных шумовых импульсов и подают их на суммирование со сцинтилляционными сигналами и лавинными шумовыми импульсами первого канала с полярностью, противоположной полярности лавинных шумовых импульсов в основном канале, после чего полученный аддитивный поток сцинтилляционных сигналов и лавинных шумовых импульсов из основного канала и модифицированных шумовых импульсов вспомогательного каналов подают на вход интегратора сцинтилляционных сигналов, где происходит окончательная попарная компенсация лавинных шумовых импульсов, прошедших по обоим каналам.
Реализация способа показана на фиг. 2, где приведена структурная схема компенсатора лавинных шумовых импульсов. Сигнал с 50-омной нагрузки 3 кремниевого фотоумножителя разветвляется на вход аналогового сумматора 8 и на вход формирователя компенсирующих импульсов, содержащий изодромный интегратор 5, устройство дифференцирования импульсов 6 и ограничитель с нулевым порогом 7. В формирователе компенсирующих импульсов происходит устранение быстрой составляющей сцинтилляционного импульса, описываемого выражением [G.F. Knoll. Radiation Detection and Measurement. John Wiley & Sons. 3-rd Edition, 1999, 801 P.]:
f
f
где τ - быстрая компонента высвечивания (τ=680 ns);
s
s
τ - медленная компонента высвечивания (τ=3,34 µs).
f
s
s
si
si
Изодромный интегратор 5 увеличивает постоянную высвечивания τ=680 ns до величины τ=3,34 µs, и в итоге сигнал, соответствующий сцинтилляционной вспышке, состоящей из суммы двух экспоненциальных компонент, превращается в однокомпонентный - экспонента с постоянной времени высвечивания τ=3,34 µs. Преобразование 2-компонентного сигнала в 1-компонентный необходимо принципиально, чтобы была возможность укоротить его до минимальной длительности. В данном случае такое укорачивание выполняется устройством линии задержки 6. Дифференцирование на линии задержки (DL) происходит путем суммирования на выходе А2 прямого и задержанного на время TDL=τ=100 ns импульсов (как сцинтилляционного, так и шумового). Здесь τ - постоянная времени восстановления SiPM. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу компенсатора, приведены на фиг. 3.
На компенсацию поступает отрицательная полуволна продифференцированного лавинного шумового импульса (показана штриховкой), которая выделяется с помощью ограничителя с нулевым порогом ограничения 7. Сцинтилляционный импульс необходимо укорачивать до минимума, чтобы компенсация происходила на возможно большей длительности сцинтилляционного импульса. Нижний предел укорачивания ограничивается падением амплитуды укороченных сцинтилляционных сигналов до амплитуд продифференцированных лавинных шумовых импульсов. На выходе сумматора 8 (фиг. 2) получается аддитивная смесь биполярных шумовых импульсов с равными площадями положительной и отрицательной частей и исходных сцинтилляционных импульсов. На интеграторе, размещенном в процессоре детекторных импульсов 4 (фиг. 1), формируется спектрометрический импульс с пиковым временем, достаточным для сбора всех фотонов световой вспышки, а биполярные шумовые импульсы дают нулевой вклад. Лишь малая их часть, а именно те, которые возникли в течение времени действия укороченного сцинтилляционного импульса, остаются нескомпенсированными.
Технический результат применения заявляемого способа подавления лавинного шума в спектрометрах с медленными сцинтилляторами и кремниевыми фотоумножителями состоит в том, что появляется возможность создавать матрицы из параллельно включенных SiPM для эффективного сбора света со сцинтилляционных кристаллов любых практически значимых размеров без ухудшения энергетического разрешения из-за действия лавинного шума.
Перечень фигур графических изображений
Фиг. 1 Типовая структура сцинтилляционного спектрометра с фотоумножителем,
f
Фиг. 2. Вариант компенсатора лавинного шума с активным изодромным интегратором (для устранения быстрой компоненты сцинтилляционной вспышки CsI:Tl с τ=680 ns).
γ
f
si
Фиг. 3. Временные диаграммы для сцинтилляционного и лавинного шумового импульсов. Сцинтилляционный импульс соответствует поглощенному гамма-кванту с энергией Е=59,5 KeV. Временные оси в целях наглядности даны в единицах постоянной времени высвечивания быстрой компоненты (τ=680 ns) для сцинтилляционного сигнала и единицах постоянной времени восстановления SiPM (τ=100 ns).