摘 要：隨著化石燃料迅速消耗，石油勘探難度日益增大，相關(guān)領(lǐng)域?qū)Ζ脺y(cè)井技術(shù)的要求也越來越高。在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)γ能譜儀的探頭存在著功耗較大、性能較低和體積較大等缺點(diǎn)。針對(duì)這種情況，文章對(duì)常用的探頭選擇方案進(jìn)行了論證，從而確定了以CsI（Tl）晶體匹配APD的方式設(shè)計(jì)探頭，并介紹了CsI（Tl）晶體與APD的選型，為γ能譜儀的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：CsI晶體；雪崩二極管；γ射線能譜儀；探頭選型

在γ能譜儀的應(yīng)用中，探頭的性能決定了能譜儀的能量分辨率、靈敏度和穩(wěn)定性等，而傳統(tǒng)探頭通常采用無機(jī)閃爍晶體與PMT相匹配的方式，這種方式存在著諸多不足：PMT的工作電壓較高，功耗相對(duì)較大，在測(cè)井環(huán)境中易造成信號(hào)短路，若設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，存在被電擊的風(fēng)險(xiǎn)；PMT為真空易碎器件，實(shí)際測(cè)井過程中常伴隨劇烈震動(dòng)，易使其損壞；PMT的體積相對(duì)較大，不適合應(yīng)用于小井眼探測(cè)領(lǐng)域；一些閃爍晶體（例如NaI晶體）吸濕性強(qiáng)，受溫度梯度影響顯著，易導(dǎo)致嚴(yán)重的能譜漂移。

針對(duì)上述情況，結(jié)合γ測(cè)井技術(shù)的實(shí)際要求，文章從γ能譜儀探頭的尺寸、能量分辨率、探測(cè)效率、耐高溫特性、穩(wěn)定性和抗機(jī)械振動(dòng)性的角度出發(fā)，提出了以CsI（Tl）晶體匹配APD的方式設(shè)計(jì)探頭，并對(duì)CsI（Tl）晶體和APD的選型進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 常見探頭匹配方式

常規(guī)γ探頭種類繁多，可分為光直接讀出和間接讀出兩種方式。直接讀出方式中，半導(dǎo)體探測(cè)器直接將吸收的γ射線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，例如：SiPIN探測(cè)器、CdZnTe探測(cè)器等。間接讀出方式中，探測(cè)器須與光電轉(zhuǎn)換器件配合使用，例如NaI（Tl）閃爍晶體匹配光電倍增管PMT，碘化銫CsI閃爍晶體分別匹配SiPIN/APD/SiPM，以及LaBr3匹配APD等方式[1]。

1.1 CsI匹配SiPIN

優(yōu)點(diǎn)：SiPIN厚度薄，體積小，但其光學(xué)探測(cè)靈敏面積較大，測(cè)井時(shí)無需組合陣列。

缺點(diǎn)：（1）SiPIN無光學(xué)放大倍數(shù)，輸出信號(hào)小，信噪比低，信號(hào)讀出電路復(fù)雜，出譜效果差；（2）SiPIN與CsI匹配時(shí)光耦合要求高，易導(dǎo)致較大的光損失；（3）SiPIN須在低溫下使用，以確保較好的分辨率，不符合深井高溫環(huán)境對(duì)探測(cè)器的要求。

1.2 CsI匹配APD

優(yōu)點(diǎn)：（1）在閃爍光譜范圍內(nèi)，APD的量子效率很高（～80%），一般是PMT量子效率的五倍以上；（2）APD所需的偏置電壓通常在300V左右，功耗比PMT低，體積小，滿足小井眼測(cè)井要求；（3）APD內(nèi)置增益通常在100左右，信噪比高，能譜分辨率高，且APD輸出信號(hào)較大，信號(hào)讀出電路簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：APD最大可做到中等面積（如RMD公司生產(chǎn)的13mm×13mm的Si-APD），測(cè)井時(shí)仍需要多個(gè)APD組合陣列。對(duì)于市場(chǎng)主流的Si-APD，靈敏面積最大為10mm×10mm，如日本濱松Hamamatsu公司S8664系列Si-APD，加拿大EGG OPTOELECTRONICS公司C30703FH系列Si-APD等。

1.3 CsI匹配SiPM

優(yōu)點(diǎn)：SiPM緊湊耐用，無需高壓偏置，具有較大的增益（一般為105～106），輸出信號(hào)幅值大，便于后級(jí)電路設(shè)計(jì)，同時(shí)SiPM時(shí)間響應(yīng)快，時(shí)間抖動(dòng)小，適于做時(shí)間能譜測(cè)量。

缺點(diǎn)：（1）SiPM內(nèi)部由多個(gè)APD陰極并聯(lián)，暗電流大，能量分辨率差（SiPM的能量分辨率低于APD，但高于PMT）；（2）SiPM成本較高，無大面積產(chǎn)品，測(cè)井時(shí)仍需多個(gè)SiPM組合陣列測(cè)量。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，SiPM的靈敏面積最大為10mm×10mm，如RMD公司的SS223-3CS12系列Si-PM。當(dāng)前主流的Si-PM靈敏面積一般為6mm×6mm，如德國KETEK的PM6660/C30742-66型SiPM，愛爾蘭SensL公司B/C系列的SiPM，美國Excelitas公司C30742-66系列SiPM等。

1.4 LaBr3匹配PMT/APD/SiPM

優(yōu)點(diǎn)：分辨率好，高低溫性能穩(wěn)定，適用于核素識(shí)別。

缺點(diǎn)：LaBr3自身帶138La和227Ac系固有放射性本底，會(huì)導(dǎo)致對(duì)自然放射性U、Th、K的能譜測(cè)量不準(zhǔn)確，尤其是1.46MeV干擾峰對(duì)地層中40K的探測(cè)產(chǎn)生干擾，不適用于自然γ能譜測(cè)井。

1.5 CdZnTe探測(cè)器

優(yōu)點(diǎn)：在使用CdZnTe半導(dǎo)體探測(cè)器時(shí)，不需要配合光電器件，可直接將高能γ射線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，信噪比和能量分辨率較高，溫度特性好，體積小。

缺點(diǎn)：（1）目前國內(nèi)的CdZnTe探測(cè)器無法做到較大體積（不超過10mm×10mm×10mm），在實(shí)際測(cè)井中對(duì)238U、232Th、40K高能射線的探測(cè)效率較低，無法滿足測(cè)井的需求；（2）CdZnTe半導(dǎo)體探測(cè)器存在電荷捕獲效應(yīng)，被測(cè)γ射線能量越高，分辨率越低，且CdZnTe價(jià)格昂貴。因此，CdZnTe探測(cè)器在現(xiàn)階段還無法滿足γ能譜測(cè)井的需求。

2 探頭設(shè)計(jì)方案

綜合上述幾種常規(guī)探頭的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前自然γ能譜測(cè)井工程的實(shí)際需要，從體積、高溫特性和抗振性能的角度，NaI（Tl）匹配PMT的方式須排除。LaBr3自帶本底，導(dǎo)致能譜測(cè)量不準(zhǔn)確，須排除。自然γ能譜測(cè)井的對(duì)象1.76MeV（238U）、2.62MeV（232Th）和1.46MeV（40K），CdZnTe探測(cè)器不適于1MeV以上γ射線的探測(cè)，須排除。表1列出了常規(guī)γ能譜測(cè)量探測(cè)器性能[2]。

綜合上述情況，APD可以達(dá)到中等面積，且信噪比高，能量分辨率好。雖然測(cè)井時(shí)需陣列組合，但相比其他匹配方式而言，在天然γ能譜測(cè)井方案中CsI（Tl）匹配APD仍屬較好的選擇，具有重要的研發(fā)意義。因此，文章采用CsI（Tl）匹配APD作為小井眼γ能譜儀的探頭。

3 探頭的選型

3.1 CsI晶體選型

CsI閃爍晶體是目前發(fā)光最亮的無機(jī)閃爍體之一，其密度大，平均原子序數(shù)高，主要用于高能γ射線和帶電重粒子的探測(cè)[3]。主要類型有：純CsI、摻鉈CsI（Tl）和摻鈉CsI（Na）。

物理性質(zhì)方面，CsI閃爍晶體無色透明，透光性好，密度4.51g/cm3，熔點(diǎn)621℃，沸點(diǎn)1280℃。CsI閃爍晶體非常柔軟，無解理面，晶體不易破裂，適合在測(cè)井、太空研究以及其他存在劇烈震動(dòng)的環(huán)境中使用。CsI閃爍晶體具有輕微吸濕性，使用時(shí)宜保持環(huán)境干燥，避免水源或者潮濕環(huán)境，實(shí)驗(yàn)環(huán)境越潮濕且暴露時(shí)間越長(zhǎng)，CsI閃爍晶體的閃爍發(fā)光能力越弱。從吸濕性來看，CsI（Na）的吸濕性最為嚴(yán)重，CsI（Tl）較輕微，純CsI的吸濕性最弱。

發(fā)光成分方面，純CsI晶體發(fā)光的主峰位為305nm（10ns），占發(fā)光成分的80%。純CsI輻照強(qiáng)度大，不易受輻照損傷。在三種CsI晶體中，純CsI晶體必須低溫下使用，常溫或高溫環(huán)境，光產(chǎn)額極低，不適用于測(cè)井。CsI（Na）發(fā)光的主峰位為420nm（630ns），粒度大小對(duì)CsI（Na）影響較為顯著，在粒度增至20μm時(shí)，420nm處發(fā)光增強(qiáng)，當(dāng)粒度減小至納米級(jí)時(shí)，420nm處發(fā)光減弱，通過CsI（Na）粒度的選擇可有效抑制慢分量305nm，增強(qiáng)快分量420nm，使其與PMT達(dá)到良好的光譜匹配，發(fā)光效率可達(dá)NaI（Tl）的85%。CsI（Tl）發(fā)光的主峰位為560nm（0.6μs），慢成分為410nm（3.5μs），主要發(fā)光在長(zhǎng)波區(qū)，非常適宜與Si-PD/APD進(jìn)行光譜匹配，其與Si-PD匹配時(shí)發(fā)光效率可達(dá)NaI（Tl）的145%，且CsI（Tl）發(fā)光基本不受粒度大小的影響。

光產(chǎn)額受溫度的影響方面，CsI閃爍晶體的熱穩(wěn)定性較強(qiáng)，但閃爍發(fā)光能力受溫度梯度影響較大，且摻雜與否會(huì)導(dǎo)致CsI晶體受溫度的影響大不相同。室溫下純CsI晶體相對(duì)光產(chǎn)額（RLT）很低，當(dāng)溫度降低，純CsI晶體的RTL會(huì)顯著增加，溫度低至-77℃以下時(shí)，其RTL與NaI（Tl）相近或甚至更好。當(dāng)溫度在-90℃～25℃范圍內(nèi)時(shí)，CsI（Tl）和CsI（Na）閃爍晶體隨溫度的升高RTL增大，溫度小于-30℃時(shí)，CsI（Na）的RLT略高于CsI（Tl），溫度大于-30℃時(shí)二者的RLT基本相等，當(dāng)溫度增加至25℃～35℃時(shí)RLT達(dá)到最大值，若溫度持續(xù)到35℃之后，RLT隨溫度繼續(xù)升高而降低。

對(duì)比CsI（Tl）、CsI（Na）、CsI（Na）易吸濕性，CsI（Tl）較微弱的多。從發(fā)光效率看，CsI（Tl）與Si-PD組合優(yōu)于CsI（Na）與PMT組合。因此，從光譜匹配而言，Si-APD對(duì)于420nm的波段探測(cè)效率較低，而對(duì)于摻Tl的560nm波段探測(cè)效率則較高，綜合考慮選擇摻Tl。CsI（Tl）之所以優(yōu)于CsI（Na）成為當(dāng)前僅次于NaI（Tl）應(yīng)用最廣泛的閃爍探測(cè)之一，從上面發(fā)光特性和吸濕性兩個(gè)方面均可看出。

綜合上述情況，本設(shè)計(jì)采用日本Hamamatsu公司生產(chǎn)的10mm×10mm×10mm柱體CsI（Tl）閃爍晶體，出光面做研磨處理，其余五面做成0.4mm的反射層，反射層采用Teflon反射膜與晶體表面緊密結(jié)合。

3.2 APD的選型

3.2.1 選型標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)不同的光探測(cè)需要，選擇最合適的雪崩光電二極管APD，通常需要從以下三個(gè)方面考慮：（1）確定所需要探測(cè)的光譜范圍，選擇能工作于此光譜范圍下的APD，確定APD的類型。一般商用APD適用的光譜范圍在300nm～1700nm之間，不同的APD類型其光譜響應(yīng)范圍略有差異，如硅（Si）APD介于300nm～1100nm，鍺（Ge）APD介于800nm～1600nm，砷化鎵（InGaAs）APD介于900nm～1100nm。由于本設(shè)計(jì)中CsI（Tl）閃爍晶體的發(fā)光主峰為560nm（0.6μs）和410nm（3.5μs），所以APD的類型確定為Si-APD。（2）確定所設(shè)計(jì)能譜系統(tǒng)中探測(cè)器的最小尺寸，選擇最小尺寸對(duì)應(yīng)光敏面積的APD，這比采用大面積Si-PIN或者APD更符合光傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，同時(shí)性價(jià)比更高。本設(shè)計(jì)采用的CsI（Tl）閃爍晶體為Hamamatsu公司10mm×10mm×10mm的立方體，其出光面面積為10mm×10mm，因此從光探測(cè)效率考慮，選用同面積（10mm×10mm）的Si-APD可得到最佳匹配。（3）確定系統(tǒng)的頻帶寬度，所選APD的截止頻率應(yīng)大于系統(tǒng)頻率，如果小于系統(tǒng)頻率，將降低系統(tǒng)的信噪比。

從能量分辨率的影響因素考慮，反向電壓型APD的選型方法有如下幾種：（1）APD的靈敏面積：在有條件的情況下，應(yīng)盡可能選擇光靈敏面積大的APD。（2）CsI閃爍晶體與APD的耦合比例：當(dāng)APD的靈敏面積和閃爍晶體的光耦合面積達(dá)到最佳匹配，方可得到最佳分辨率。（3）APD結(jié)電容：在靈敏面積和量子效率相差不大的情況下，結(jié)電容為最重要的因素，應(yīng)選擇結(jié)電容小的APD。

3.2.2 型號(hào)的確定

針對(duì)實(shí)際測(cè)井需要，為提高探測(cè)效率，文章設(shè)計(jì)主要參考市面上主流的幾款大面積反向型的Si-APD，如日本濱松Hamamatsu公司的S8664-1010和S8664-55型APD，加拿大Perkin Elmer公司的C30703E/F型APD，美國Excilitas公司的C30739ECERH、C30703FH和C30626FH型APD等，其性能參數(shù)見表2。

由表2可知，六款A(yù)PD在560nm處的量子效率相近且非常高（接近于85%），偏壓低于擊穿電壓時(shí)，增益范圍均在50～150，且能量響應(yīng)范圍均能滿足CsI（Tl）發(fā)光光譜的需求。從靈敏面積、暗電流和偏置電壓上看，S8664-1010、C30703FH和C30703E/F靈敏面積在六款中最大（10mm×10mm），暗電流較小，偏置電壓相近。設(shè)計(jì)最終選擇日本Hammatsu公司的S8664-1010型Si-APD，S8664-1010已經(jīng)在核電子學(xué)、光學(xué)、高能物理等眾多領(lǐng)域用于光信號(hào)讀出的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定，試驗(yàn)效果基本滿足需求。考慮到同為Hamamatsu公司出品的CsI（Tl）閃爍晶體，為獲得最佳光譜匹配度，本設(shè)計(jì)最終選擇靈敏面積為10mm×10mm的S8664-1010型Si-APD，作為10mm×10mm×10mmCsI（Tl）閃爍晶體的光電轉(zhuǎn)換器件。

4 結(jié)束語

文章以CsI（Tl）閃爍體匹配APD的方式設(shè)計(jì)了γ能譜儀的探頭，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)探頭體積大、探測(cè)效率低、機(jī)械性能差以及易受磁場(chǎng)干擾等缺點(diǎn)。通過分析不同型號(hào)的CsI（Tl）閃爍體與APD，選取了日本Hamamatsu公司生產(chǎn)的10mm×10mm×10mm的CsI（Tl）閃爍體與靈敏面積為10mm×10mm的S8664-1010型SiAPD光學(xué)耦合作為探頭，為γ能譜儀探頭的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃銳.基于雪崩二極管的碘化銫能譜讀出設(shè)計(jì)[D].成都理工大學(xué)，2015.

[2]何景棠，陳端保，李祖豪，等.新型雪崩光電二極管和CsI（Tl）閃爍體組成的閃爍探測(cè)器[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，1996，16（2）：87-90.

[3]Raffaele Scafe，Roberto Panib，Rosanna Pellegrinib. Livia Montania Si-APD readout for LaBr3：Ce scintillator[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 571，2007：355-357.

作者簡(jiǎn)介：李元東（1989-），男，山東乳山人，在讀碩士生，從事核輻射探測(cè)與核電子學(xué)研究。