Приборы и техника эксперимента, 2021, № 5, стр. 147-151

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для регистрации фотонов сцинтилляционных детекторов все чаще используются полупроводниковые кремниевые фотоумножители – многопиксельные счетчики фотонов SiPM. Они состоят из большого числа пикселей с чувствительной областью 25, 50 или 100 мкм². Пиксели электрически соединены и расположены в двух измерениях.

Применение таких счетчиков в физике элементарных частиц, ядерной медицине и т.д. описано в [1]. Обзор методов определения характеристик SiPM представлен в работе Klanner [2], а их основных свойств и технологической реализации – в работе Piemonte и Gola [3]. Применениям SiPM в медицине посвящен обзор Bisogni et al. [4]. Использование SiPM в физике элементарных частиц и ядерной физике, а также в γ-спектроскопии было рассмотрено Simon [5] и Kobylka et al. [6]. Об использовании SiPM для обнаружения нейтронов сообщили Федоров и др. [7] и Santoro et al. [8].

Для измерения времени развития события, регистрации истинных совпадающих событий из большой группы и выделения частиц разных типов на основе различных временных характеристик их импульсов используется техника временных экспериментов [9]. Вероятно, самый эффективный и универсальный метод, доступный сегодня, – это метод временной привязки с постоянным порогом. В этом методе входящий импульс разделяется на две части. Одна часть задерживается на время, равное времени нарастания до определенного порога. Другая часть инвертируется и ослабляется. Затем эти два импульса суммируются для получения биполярного импульса [10].

В наших исследованиях по обнаружению γ-излучения с помощью многопиксельного счетчика фотонов МРРС (Multi-Pixel Photon Counter) реальные спектры γ-излучения радиоактивных источников терялись в шумах. По этой причине в данной работе предложено использовать метод временной привязки с постоянным порогом для подавления этого шума и получения четкого энергетического спектра γ-излучения для стандартного образца γ-источника ⁶⁰Co.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Нами использовался стандартный модуль многопиксельного счетчика фотонов SiPM фирмы Hamamatsu (C10507-11-100U). Модуль состоит из кремниевого фотоумножителя с активной площадью 1 × 1 мм², преобразователя тока в напряжение, высокоскоростного компаратора, высоковольтного источника питания, схемы температурной компенсации, счетчика и микроконтроллера. Модуль также имеет порт USB, подключенный к персональному компьютеру ПC, для подачи напряжения смещения, а также аналоговый и цифровой выходы (рис. 1).

Рис. 1.

Фотография модуля МРСС.

Источник излучения ⁶⁰Co (Spectrum Techniques Co.) в форме диска и сцинтиллятор Cs(Tl) (Epic Crystal Co., 1 × 1 × 5 cм) смонтированы на окне SiPM. Для предотвращения оптических потерь сцинтиллятор обернут белым тефлоном. Для минимизации потерь света между окном кремниевого фотоумножителя и сцинтилляционным кристаллом использовалась оптическая смазка (Silicone Technology, LS-3252). Вся система помещена в темный ящик. Для предотвращения зависимости электронного шума от температуры бокс помещали в холодильник и поддерживали при постоянной температуре. Время сбора данных составляло 100 с. Принципиальная схема использованной экспериментальной установки представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Принципиальная схема экспериментальной установки. AMP – усилитель; CFD – дискриминатор с постоянным порогом; TAC – амплитудно-временной преобразователь; D – временная задержка; FC – модуль совпадений; MCA – многоканальный анализатор.

Сигналы с аналогового выхода SiPM показаны на рис. 3. Видно, что сигнал теряется в шумах. Для устранения этого эффекта и выявления γ-пиков 1.17 и 1.33 МэВ был использован метод временной привязки с постоянным порогом.

Рис. 3.

Аналоговый выход МРРС.

Аналоговый выход MPPC был подключен к усилителю AMP (ORTEC 671) (см. рис. 2). Униполярный выходной сигнал с усилителя AMP направлялся на дискриминатор постоянного порога CFD (ORTEC 584) для процесса синхронизации (рис. 4).

Рис. 4.

Форма униполярного выходного сигнала усилителя.

На дискриминатор, устанавливающий постоянный порог, поступал выходной импульс усилителя, который умножался на коэффициент f для получения желаемого выходного сигнала. Входной сигнал также инвертировался и задерживался на время, превышающее время нарастания импульса (время, необходимое для роста сигнала от 10 до 90% от его амплитуды). Сумма основного, а также задержанного и инвертированного импульсов формировала выходной биполярный сигнал [11]. Для подавления шумовых импульсов порог дискриминации установлен равным 10 мВ.

Выходы дискриминатора с постоянным порогом подключались к входам “start” и “stop” времяамплитудного преобразователя TAC (ORTEC 566). Преобразователь генерировал выходной сигнал синхронизации, который пропорционален интервалу времени между его сигналами start и stop. Сигналы stop были задержаны на 8 нс относительно сигналов start через устройство задержки D (ORTEC 425A).

Биполярный выход усилителя был подключен к входу строба времяамплитудного преобразователя, чтобы инициировать цикл считывания для линейного затвора выходного сигнала преобразователя. Выход времяамплитудного преобразователя и униполярный выход усилителя подключались соответственно к входам антисовпадения и совпадения модуля совпадений FC (ORTEC 414A). Форма выходного сигнала блока совпадений представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Форма выходного сигнала модуля совпадений.

Выход компаратора МРСС (com) и системный шум дополнительно показаны на рис. 6.

Рис. 6.

Выход компаратора МРСС.

Синхронизирующие сигналы от времяамплитудного преобразователя и сигналы от усилителя подавались на модуль совпадения. В этом случае устройство принимало только сигналы детектора, запускаемые сигналами синхронизации. Выход компаратора модуля MPPC и логический выход модуля совпадений были подключены к многоканальному анализатору MCA (ORTEC Trump 8K). Последний регистрировал только входные сигналы, стробируемые сигналами модуля совпадений. Таким образом, в конечном итоге был получен энергетический спектр без шума, как показано на рис. 7.

Рис. 7.

Спектры ⁶⁰Co от МРСС, полученные при 33°C без использования (а) и с использованием (б) предложенной установки.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Поскольку прямой γ-спектр от модуля МРСС содержал слишком много импульсов электронного шума, был разработан спектрометр для подавления шумовых сигналов и накопления свободного от шума γ-спектра. После многочисленных испытаний с помощью модуля SiPM и предложенного спектрометра был получен экспериментальный γ-спектр ⁶⁰Co с подавленным шумом. Использованный спектрометр успешно уменьшил шумовые составляющие и позволил получить чистый γ-спектр с помощью метода временной привязки с постоянным порогом. Экспериментальные спектры при температуре среды 33°C без использования (рис. 7а) и с использованием (рис. 7б) предлагаемой установки показаны на рис. 7.

Предложенная установка выявила пики 1.17 и 1.33 МэВ, которые исчезали в шуме. Отличие хорошо видно на спектрах на рис. 7а и 7б.

Сравнение спектральных характеристик используемой установки с источником и без него показано на рис. 8. Как видно из рисунка, фоновые отсчеты с использованием предложенной установки меньше, чем фоновые отсчеты при температуре окружающей среды 20°С, что можно считать еще одним показателем того, что предложенная установка эффективна при подавлении шума.

Рис. 8.

Сравнение фона (красный) и спектра без шума (черный) при 20°C.

Влияние температуры среды на способность установки выявлять пики показано на рис. 9 и 10. На этих рисунках приведены спектры при средних температурах 20 и 33°C. Спектры от источника на этих рисунках совпадают. Согласно рис. 9, число фоновых сигналов при температуре 33°C выше, чем при 20°C. Рис. 10 показывает, что пики при температуре 20°C выше, чем при температуре 33°C.

Рис. 9.

Влияние температуры на свободный от шума спектр: красный – при 33°C, черный – при 20°C.

Рис. 10.

Влияние температуры на свободный от шума спектр: красный – при 20°C, черный – при 33°C.

Энергетическое разрешение (полная ширина на половине высоты) рассчитывалось с помощью программного обеспечения многоканального анализатора. При понижении температуры энергетическое разрешение улучшилось. Для γ-пика с энергией 1.17 МэВ разрешение составило 2.25% при 33°C и 2.14% при 20°C, а для γ-пика с энергией 1.33 МэВ – 2.15% (33°C) и 2.04% (20°C).