Беспроводной бюджетный компактный гамма-спектрометр на программируемой пользователем вентильной матрице
Введение
После аварии на атомной электростанции Фукусима-1 в 2011 году спрос на компактные недорогие детекторы гамма излучения существенно вырос. Такие датчики представляют особый интерес при чрезвычайных ситуациях, для обеспечения безопасности границы, для оценки степени радиоактивного повреждения техники, а также для персональной дозиметрии. Целью настоящей работы было проектирование, создание, а также оценка параметров компактного, недорогого, беспроводного гамма-спектрометра с питанием от аккумулятора, который может быть использован для указанных применений и прикладных задач.
Каждый метод радиационного контроля обладает своими преимуществами и недостатками. Идеальным гамма-детектором является компактный, недорогой, прочный детектор, который имеет низкое энергопотребление, может работать при комнатной температуре, а также обладает большой эффективностью регистрации гамма-излучения и обеспечивает возможность работы в спектрометрическом режиме. Газовые детекторы, такие как счетчик Гейгера-Мюллера, могут быть компактными, недорогими и работают при комнатной температуре. Однако для работы таких счетчиков требуется высокое напряжение смещения, они содержат хрупкие элементы конструкции, не обладают высокой эффективностью регистрации высокоэнергетичных гамма квантов и не обеспечивают работу в спектрометрическом режиме.
Альтернативой газовым детекторам являются полупроводниковые детекторы. Кремниевые диоды имеют небольшие размеры, они прочные, могут использоваться при комнатной температуре, обеспечивают работу в спектрометрическом режиме, однако они также обладают высокой стоимостью и недостаточной эффективностью регистрации высокоэнергетичных гамма квантов. Другими полупроводниковыми детекторами являются полупроводниковые соединения, например CdZnTe. Такие детекторы могут быть компактными, прочными, могут использоваться при комнатной температуре, обеспечивают эффективную регистрацию гамма квантов, а также работают 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 работают в спектрометрическом режиме. Одним из вариантов чувствительных фотоприемников являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Однако ФЭУ хрупкие, достаточно громоздкие и кроме того для их работы требуется высокое напряжение питания. Альтернативой традиционным стеклянным ФЭУ являются кремниевые фотоумножители (Si-ФЭУ), которые являются недорогими, компактными, прочными, напряжение смещения необходимое для их работы обычно составляет менее 100 В. Таким образом идеальным детектором для гамма-спектрометрии, отвечающим указанным выше 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 MiniSpec должен был содержать в корпусе детектирующую и обрабатывающую части, а также беспроводной интерфейс, позволяющий соединяться с любым мобильным телефоном. Кроме того готовый спектрометр должен был быть компактным, легким, иметь низкое энергопотребление, а также быть достаточно простым для серийного производства (порядка 10 000 шт/год) и стоить около $200. Указанные параметры были достигнуты с помощью разработки цифрового процессора импульсных сигналов (от англ. Digital Pulse Processor (DPP)) 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, показана на рис. 1.
Рис. 1: Схема гамма-спектрометра MiniSpec
Для прототипа MiniSpec был выбран детектор на основе кремниевого фотоумножителя состыкованного со сцинтиллятором CsI(Tl). Несмотря на указанные выше преимущества Si-ФЭУ над традиционными стеклянными ФЭУ, параметры Si-ФЭУ зависят от температуры сильнее, чем параметры ФЭУ. Однако существует ряд способов скомпенсировать температурную зависимость Si-ФЭУ, которые будут приведены ниже.
В работе использовался Si-ФЭУ серии MicroSL-60035 производства компании SensL (Ирландия). В дальнейшем эта серия Si-ФЭУ была заменена серией MicroSM-60035. Кремниевый фотоумножитель MicroSL-60035 представляет собой 4 ячейки с размерами активных областей 3x3 мм2, в каждой из которых содержится по 4774 микроячеек. Таким образом всего получается 19 096 микроячеек на каждый кремниевый фотоумножитель MicroSL-60035. Каждая микроячейка представляет собой лавинный фотодиод, подключенный к общему для всех микроячеек аноду и катоду. Когда попадающий фотон создает электронно-дырочную пару в микроячейке, носители заряда ускоряются высоким электрическим полем, приложенным к микроячейке. За счет процесса ударной ионизации образуется электронная лавина, как в счетчике Гейгера-Мюллера. 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, вызывает 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 в один и тот же промежуток времени, выходной сигнал будет таким же, как 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 по формуле 1:
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 фотонов, попадающих на активную область Si-ФЭУ, Nph зависит от используемого сцинтилляционного кристалла и энергии частицы, поглощенной сцинтилляционным кристаллом. При M >> PDE*Nph, выражение (1) упрощается:
Nfired ≈ PDE * Nph (2),
В этой форме уравнения количество «сработавших» микроячеек Nfired линейно зависит от количества фотонов Nph, попадающих на активную область Si-ФЭУ. Таким образом чем большее количество микроячеек содержит Si-ФЭУ, тем при большем значении плотности фотонов выходной сигнал Si-ФЭУ выйдет на насыщение, и поэтому частицы с большими энергиями могут быть идентифицированы.
Рис. 2: Спектральные зависимости высвечивания CsI(Tl) и PDE Si-ФЭУ серии MicroSL-60035 (ось Х - длина волны (нм), ось Y - интенсивность света)
Сцинтилляционный кристалл CsI(Tl) был выбран для прототипа спектрометра MiniSpec благодаря его большому световыходу [фотон/МэВ], высокому порядковому номеру, а также потому что его пик на спектре высвечивания максимально соответствует пику чувствительности Si-ФЭУ MicroSL-60035. На рисунке 2 представлены спектральные характеристики используемого сцинтиляционного кристалла CsI(Tl) и Si-ФЭУ типа MicroSL-60035. Из рисунка 2 видно, что пик на спектре высвечивания CsI(Tl) находится примерно на 565 нм, в то время как пик чувствительности на кривой PDE (Photon Detection Efficiency- эффективность регистрации фотонов) Si-ФЭУ типа MicroSL-60035 располагается примерно на 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 6x6x10 мм3 и все его стороны за исключением одной (6x6 мм2) были покрыты белой отражающей эпоксидной смолой. Непокрытая эпоксидной смолой сторона сцинтиллятора была состыкована c активной областью Si-ФЭУ MicroSL 60035 с площадью 6x6 мм2 с помощью оптического геля BC-630 фирмы Saint-Gobain Crystals. Далее Si-ФЭУ MicroSL-60035, состыкованный со сцинтилляционным кристаллом CsI(Tl)(детектор), были туго обернуты тефлоновой лентой для лучшего сбора света от сцинтиллятора. После этого детектор поместили в изготовленный на заказ светонепроницаемый корпус для предотвращения фоновой засветки детектора. На рисунке 3 представлены Si-ФЭУ MicroSL-60035 и сцинтилляционный кристалл CsI(Tl) (3,А), детектор, обернутый тефлоновой лентой (3, В), а также детектор в светонепроницаемом корпусе (3, С).
Рис. 3: Фотографии детекторного блока MiniSpec ((A) Si-ФЭУ серии MicroSL 60035 и сцинтилляционный кристалл CsI(Tl); B) Детектор (Si-ФЭУ MicroSL-60035 и сцинтилляционный кристалл CsI(Tl)) обернутый тефлоновой лентой; C) Детектор (Si- ФЭУ MicroSL 60035 и сцинтилляционный кристалл CsI(Tl)) в светонепроницаемом корпусе)
Результаты
В работе использовались две схемы проведения эксперимента. В первой конфигурации источник гамма-квантов размещался 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 (Full Energy Peak Efficiency (FEPE)). Вторая схема использовалась для измерения FEPE. В ней источник излучения размещался на расстоянии 200 мм от поверхности сцинтиллятора CsI(Tl). Такое расстояние было выбрано для того чтобы можно было пользоваться приближением точечного источника. Информация записывалась посредством платы USB интерфейса и интерфейса MATLAB PC. При этом при использовании беспроводного интерфейса WNC скорость передачи данных не изменялась.
Рис. 4: Фотография беспроводной сетевой карты, подключенной к печатной плате MiniSpec
Рис. 5: Фотография мобильного телефона, на экране которого отображены спектры источников 137Cs и 22Na снятые с помощью MiniSpec
Измерение шума спектрометра MiniSpec
Шум оценивался с помощью измерения числа срабатываний как с детектором подсоединенным к плате, так и без детектора. Среднеквадратичный шум (англ. Root Mean Square (RMS)) был вычислен при помощи программы MATLAB, а значение полной ширины на полувысоте (ПШПВ) было определено исходя из значения RMS. Величины вкладов эквивалентного шума электроники с прикрепленным детектором и без него составляли 6.19 кэВ (ПШПВ) и 0.5 кэВ (ПШПВ) соответственно. Резкое увеличение шума при подсоединении детектора может быть вызвано несколькими факторами. Первый фактор связан с подключением электродов детектора в разъем платы. Шум вызванный этим фактором может быть уменьшен в случае, если Si-ФЭУ будет припаян к плате, или если будет использован Si-ФЭУ в корпусе для поверхностного монтажа (англ. Surface-mount technology (SMT)). Другим фактором является то, что детектор сам генерирует темновой ток, 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.
Рис. 6: Энергетический спектр 109Cd (ось Х - количество каналов; ось Y - число отсчётов)
Измерение энергетического разрешения спектрометра MiniSpec
Энергетические спектры семи различных радиоактивных изотопов были измерены, используя первую схему эксперимента, описанную ранее. Стоит отметить, что не все результаты экспериментов представлены в этой статье. На рисунке 6 показан энергетический спектр источника 0.46μCi109Cd. Оба характеристических пика энергий (22 кэВ, 88 кэВ) могут быть различимы на графике. Сигнал, соответствующий линии излучения 22 кэВ 109Cd, использовался для определения значения срабатывания триггера для всех последующих измерений.
На рисунке 7 представлен энергетический спектр изотопа 0.97 μCi137Cs. Наилучшее энергетическое разрешение, которое удалось достичь, составило 5.9 % для линии 662 кэВ. Для этого измерения использовался тот же детекторный блок спектрометра MiniSpec на основе Si-ФЭУ и сцинтилляционного кристалла CsI(Tl), однако другой блок электроники MiniSpec, с которым удалось достичь значительного увеличения энергетического разрешения. Это может быть следствием сразу нескольких факторов, например, использованием экранирующего корпуса. Надо отметить, что пик 32 кэВ также четко виден на спектре.
Рис. 7: Энергетический спектр 137Cs (ось Х- количество каналов; ось Y- число отсчётов)
На рисунке 8 представлена зависимость энергетического разрешения пика (ПШПВ) (%) от энергии, а также аппроксимирующая линия тренда для этой зависимости. В теории энергетическое разрешение должно быть пропорционально обратному квадрату из числа фотонов, излучаемых сцинтиллятором CsI(Tl). Однако из-за шумов связанных с блоком электроники спектрометра MiniSpec должен быть учтен соответствующий вклад электронного эквивалента шума (6.15 кЭв) в уширение линии. Принимая этот факт во внимание, выражение, использованное для построения аппроксимирующей линии тренда, представленной на рисунке 8, принимает следующий вид:
R=2.35/ (FF * PDE * Y * E)^1/2 + FWHMe/ E (3),
где R - энергетическое разрешение;
FF - полный фактор заполнения;
PDE - эффективность регистрации фотонов Si-ФЭУ;
Y- световыход сцинтилляционного кристалла CsI(Tl), фотон/МэВ;
E- центроид пика энергии;
FWHMe - вклад электронного шума в ПШПВ пика.
Рис. 8: Зависимость энергетического разрешения пика от энергии, а также аппроксимирующая линия тренда для этой зависимости (ось Х - положение центроида пика, кэВ; ось Y - энергетическое разрешение пика (%))
Линейность отклика и динамический диапазон спектрометра MiniSpec
Линейность отклика Si-ФЭУ была вычислена с использованием центроидов пиков энергий измеренных ранее. На рисунке 9 показана зависимость количества каналов от положения центроида пика энергии, а также две теоретические зависимости: линейная зависимость количества каналов от положения центроида пика энергии (рис.9, «Linear») и соответствующая зависимость, с учетом насыщения Si-ФЭУ (рис.9, «Saturation»). Линейная зависимость была построена исходя из формулы (2) - по четырем наименьшим по энергиям пикам. Как и ожидалось, для пиков соответствующих частицам с большими энергиями зависимость не будет линейной. Зависимость с учетом насыщения Si-ФЭУ (рис.9, «Saturation») 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 количество 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.
Рис. 9: Зависимость количества каналов от положения центроида пика энергии, а также две теоретические зависимости: линейная зависимость количества каналов от положения центроида пика энергии (рис.9, «Linear») и соответствующая зависимость, с учетом насыщения Si-ФЭУ (рис.9, «Saturation») (ось Х - положение центроида пика, кэВ; ось Y - количество каналов)
Таким образом зависимость с учетом насыщения Si-ФЭУ (рис.9, «Saturation») была построена с использованием формулы (4). Экспериментальные данные полученные для частиц высоких энергий соответствуют зависимости с учетом насыщения Si-ФЭУ (рис.9, «Saturation»), что 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 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 пределами 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 (рис.9, «Saturation»), максимальная энергия частицы, которая может быть идентифицирована с помощью текущей конфигурации спектрометра MiniSpec, составляет 1.8 МэВ.
Минимальная энергия частицы, которая может быть идентифицирована с помощью спектрометра MiniSpec, определяется выставленным пороговым значением срабатыванием триггера, которое 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 22 кэВ от изотопа 109Cd, который в дальнейшем использовался в качестве порогового значения срабатывания триггера.
Полная эффективность энергетического пика (FEPE)
Характеристическая полная эффективность энергетического пика была измерена для всех энергетических пиков в работе, которые удалось идентифицировать. Однако пики с энергиями ниже 511 кэВ недостаточно выделялись из уровня шума, поэтому их значения FEPE были вычислены грубо. Поэтому их FEPE не представлены в работе. Вычисленные значения FEPE для остальных пиков представлены на рисунке 10.
Рис. 10: Зависимость характеристической полной эффективности энергетического пика от положения центроида пика (ось Х - положение центроида пика, кэВ; ось Y - характеристическая полная эффективность энергетического пика, %)
Заключение
Целью настоящей работы было проектирование, создание, а также в оценка параметров компактного, недорогого, беспроводного гамма-спектрометра с питанием от аккумулятора. Гамма-спектрометр MiniSpec является маломощным, потребляя всего 420 мВт от аккумулятора с напряжением 3.7 В, легким благодаря весу всего 28 г (без учета веса аккумулятора), а также компактным - его габариты 2.54 x 3.81 см2. Данные со спектрометра MiniSpec могут быть переданы по WiFi любому мобильному устройству с использованием веб-браузера, устраняя 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 внесение температурной поправки. Соответствующая модификация была выполнена после публикации данной статьи. Для этого в DPP гамма-спектрометра MiniSpec был встроен температурный датчик, сигнал с которого учитывался при написании алгоритма для MCA для внесения поправки в количество каналов на гистограмме. Дальнейшими улучшениями детектора могут стать внесение поправки нелинейности отклика детектора, усовершенствование беспроводного интерфейса, а также оптимизация мощностных характеристик, экранирование шума, оптимизация скорости счета и уменьшение габаритных размеров гамма-спектрометра MiniSpec.
