許 滸 程 翀 劉翎箭, 郭智榮 陳祥磊 屈國(guó)普

1（武漢第二船舶研究設(shè)計(jì)所 武漢 430064）

2（南華大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 衡陽(yáng) 421001）

閃爍體耦合SiPM測(cè)量γ能譜的模擬研究

許 滸1程 翀1劉翎箭1,2郭智榮1陳祥磊1屈國(guó)普2

1（武漢第二船舶研究設(shè)計(jì)所 武漢 430064）

2（南華大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 衡陽(yáng) 421001）

硅光電倍增管(Silicon photomultiplier, SiPM)是一種新型的光電探測(cè)器件，由工作在蓋革模式下的雪崩二極管陣列組成。利用GEANT4蒙特卡羅軟件包對(duì)LaBr3:10%Ce3+、NaI(TI)閃爍晶體耦合SiPM測(cè)量γ射線(xiàn)能譜進(jìn)行了細(xì)致的模擬，通過(guò)單色光LED光源照射SiPM，得到SiPM自身暗電流噪聲經(jīng)電子學(xué)放大后，與集成的蓋革雪崩二極管之間的間隙引起吸收光子漲落對(duì)能譜的展寬。對(duì)模擬得到的662 keV γ射線(xiàn)能量分辨率進(jìn)行修正，最后與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比能夠很好地符合，還得到了一組對(duì)應(yīng)閃爍晶體本征能量分辨率的程序參數(shù)Pr,s。結(jié)果驗(yàn)證了模擬程序設(shè)置的閃爍晶體與封裝材料光學(xué)參數(shù)的合理性與可靠性，為閃爍體探測(cè)器設(shè)計(jì)提供了一套開(kāi)發(fā)工具。

閃爍晶體，硅光電倍增管，GEANT4軟件包，能量分辨

光電探測(cè)器是把光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或者電流等電信號(hào)的器件。蓋革雪崩光電二極管陣列(Geiger-Mode Avalanche Photodiode, GM-APD)，也稱(chēng)為硅光電倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)，是一種新型的光電探測(cè)器件，與其他光子計(jì)數(shù)探測(cè)器相比，SiPM體積小、工作電壓低、內(nèi)部增益高（高達(dá)106量級(jí)）、時(shí)間響應(yīng)快、且對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)不靈敏、可以靈活地做成二維陣列，所以廣泛應(yīng)用于微光探測(cè)、光子計(jì)數(shù)、高能物理及核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-3]。近年來(lái)，隨著SiPM中雪崩二極管(Avalanche Photodiode, APD)集成技術(shù)的進(jìn)步，在某些領(lǐng)域SiPM替代光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)作為閃爍晶體的光學(xué)讀出端正在成為一種新的研究方向。

蒙特卡羅程序(Monte Carlo N Particle Transport Code, MCNP、GEometry ANd Tracking 4, GEANT4、Electron-Gamma Shower, EGS、FLUktuierende KAskade, FLUKA)常作為一種節(jié)省時(shí)間、材料的開(kāi)發(fā)工具，為閃爍體探測(cè)器提供優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在閃爍體探測(cè)器以SiPM為光學(xué)讀出端測(cè)量能譜能量分辨的模擬中，為了獲得精確的結(jié)果，需對(duì)閃爍體中能量的沉積、閃爍光子的產(chǎn)生和傳輸、SiPM的閃爍光吸收等進(jìn)行完整詳細(xì)的模擬。同PMT一樣，

SiPM的能量分辨率ΔE/E可以寫(xiě)成[4-5]：

式中：δsc是閃爍晶體的本征能量分辨率；δp是閃爍光子從閃爍晶體到雪崩二極管由于輸運(yùn)引起的偏差對(duì)能量分辨的貢獻(xiàn)[4-5]；δst是SiPM中集成的雪崩二極管之間的縫隙對(duì)雪崩二極管吸收光子的統(tǒng)計(jì)漲落對(duì)能量分辨的展寬；δn是SiPM自身暗電流噪聲經(jīng)過(guò)放大電路后對(duì)能量分辨的貢獻(xiàn)。其中：δst可以描述成：

式中：Fe,n是雪崩二極管的過(guò)剩噪聲因子，即由于雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)。PMT對(duì)應(yīng)的Fe,n值一般在1.1-1.2之間[6]，而APD對(duì)應(yīng)的Fe,n值至少在2以上[7]；Ph,e為APD吸收光子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)或PMT光陰極吸收光子產(chǎn)生的光電子數(shù)。

目前，閃爍體探測(cè)器的蒙特卡羅模擬主要是以模擬沉積能量，再通過(guò)能譜展寬算法[8]對(duì)其展寬。而能譜展寬算法要求知道探測(cè)器在任意能量處的能量分辨率，而這在實(shí)際測(cè)量中是不可能的，只能根據(jù)已知的幾個(gè)能量點(diǎn)擬合得到其它能量處的分辨，這樣勢(shì)必對(duì)能譜展寬引入誤差。并且這種模擬方法缺乏對(duì)晶體閃爍過(guò)程真實(shí)模擬，電子學(xué)電路所造成的能譜展寬也并未考慮。本文利用GEANT4這種構(gòu)建于C++多態(tài)特性之上的完全開(kāi)源的蒙特卡羅程序包對(duì)晶體閃爍過(guò)程進(jìn)行細(xì)致模擬，結(jié)合單個(gè)單色光LED燈測(cè)得的SiPM自身暗電流，經(jīng)電子學(xué)放大后對(duì)能譜的展寬和對(duì)模擬結(jié)果的修正。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選擇愛(ài)爾蘭公司Sensl制造加工的MicroFC-60035-SMT型號(hào)的SiPM代替PMT作為閃爍體的光學(xué)讀出端，分別測(cè)試了兩種不同樣品的晶體：1#晶體為?6 mm×10 mm的NaI(TI)；2#晶體為?6 mm×10 mm的LaBr3:10%Ce3+。以上樣品晶體均由北京玻璃研究院生產(chǎn)加工。晶體主要參數(shù)在表1中列出。晶體出射面與SiPM光學(xué)靈敏面采用光學(xué)硅脂(Bicron BC-630)耦合，晶體用白色Teflon材料包裹充當(dāng)反射層，出射窗口光學(xué)封裝玻璃為石英玻璃（折射率為1.458）。入射源為662 keV的137Cs。實(shí)驗(yàn)還通過(guò)精密脈沖信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)單色光LED光源（發(fā)光波長(zhǎng)為460 nm）的發(fā)光強(qiáng)度照射SiPM和PMT輸入同一電子學(xué)放大系統(tǒng)，使其輸出能譜的峰位與閃爍晶體測(cè)得的662 keV γ射線(xiàn)能譜峰位一致，獲得SiPM自身暗電流經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)放大后對(duì)能譜的影響。PMT型號(hào)為北京濱松生產(chǎn)的CR110，其與SiPM的主要參數(shù)一同在表1中列出。

表1 SiPM與PMT的主要參數(shù)Table1 General parameters of SiPM and PMT.

電子學(xué)部分采用ORTEC插件式能譜儀，為探測(cè)器提供線(xiàn)性高壓電源(27.5 V)、主放大器、多道分析儀。晶體經(jīng)放射源照射或SiPM經(jīng)單色光LED燈照射的輸出信號(hào)經(jīng)前放放大進(jìn)入主放大器成形，輸入多道分析儀（4096道）后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行解譜。所有實(shí)驗(yàn)測(cè)試均在恒溫箱內(nèi)完成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖2給出了SiPM耦合樣品晶體測(cè)量662 keV γ射線(xiàn)得到的能譜，由于樣品晶體尺寸很小，γ射線(xiàn)能量越高越容易穿透閃爍晶體和難以在其內(nèi)部沉積能量，所以測(cè)得的能譜峰康比較小。NaI(TI)所測(cè)662keV γ射線(xiàn)的全能峰峰位在658道，LaBr3:10%Ce3+在726道。這是因?yàn)長(zhǎng)aBr3:10%Ce3+晶體密度比NaI(TI)大，對(duì)662 keV γ射線(xiàn)的阻止本領(lǐng)要高，且光產(chǎn)額也比NaI(TI)大，因此全能峰峰位在NaI(TI)右側(cè)。圖3給出了單色光LED燈照射SiPM與PMT歸一化后輸出的多光子譜，通過(guò)精密脈沖信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)LED燈發(fā)光強(qiáng)度使SiPM所測(cè)能譜峰位分別與圖2中NaI(TI)、LaBr3:10%Ce3+測(cè)得的662 keV γ射線(xiàn)能譜全能峰峰位對(duì)應(yīng)。而PMT與SiPM的量子效率不同，相同發(fā)光強(qiáng)度照射的條件下，輸出脈沖幅度不同，峰位道址不同，為方便對(duì)比，對(duì)PMT輸出多光子譜進(jìn)行歸一化處理使其與SiPM所測(cè)能譜峰位相對(duì)應(yīng)。通過(guò)高斯擬合得到NaI(TI)、LaBr3:10%Ce3+及與晶體道址對(duì)應(yīng)的LED燈照射SiPM的能量分辨率分別為(8.4±0.263)%、(4.27±0.143)%、(5.32±0.16)%、(3.46±0.121)%。SiPM測(cè)得的單色光LED燈的能譜展寬明顯比PMT要大，這是因?yàn)镾iPM對(duì)光子極為靈敏，SiPM中集成的APD之間存在間隙，光子打到APD上被轉(zhuǎn)換成電子空穴對(duì)的統(tǒng)計(jì)漲落較大，且SiPM自身暗電流噪聲比PMT要大，都會(huì)對(duì)所測(cè)能譜造成一定的展寬。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Structure diagram of experimental system.

圖2 SiPM耦合樣品晶體測(cè)量662 keV γ射線(xiàn)能譜Fig.2 Energy spectrum of sample scintillation crystal detected 662-keV γ-ray with SiPM photocoupled.

圖3 單色光LED燈照射SiPM與PMT歸一化后的多光子譜Fig.3 Normalized energy spectrum of monochromatic LED light illuminate SiPM and PMT.

2 模擬設(shè)計(jì)

GEANT4是由CERN基于C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)開(kāi)發(fā)的蒙特卡羅方法應(yīng)用軟件包，用于模擬粒子在物質(zhì)中的輸運(yùn)過(guò)程[9]。GEANT4計(jì)算程序的編寫(xiě)分為探測(cè)器構(gòu)造、源項(xiàng)指定、物理過(guò)程聲明、運(yùn)行與事件控制和輸出計(jì)算結(jié)果等幾個(gè)過(guò)程。下面詳細(xì)描述了程序主要組成部分。

2.1 探測(cè)模塊構(gòu)建

通過(guò)GEANT4中提供的Detector類(lèi)來(lái)建立探測(cè)模塊包括其幾何形狀、物質(zhì)材料、光學(xué)特性。探測(cè)模塊幾何結(jié)構(gòu)用程序語(yǔ)言描述為尺寸?6mm×10mm的閃爍晶體，外包一層厚度為1 mm的Teflon反射層，最外層用2 mm鋁殼進(jìn)行封裝，晶體出射面用2 mm光學(xué)玻璃封裝。SiPM幾何尺寸為7 mm× 7mm×0.65 mm的方形薄片[10]，有效光敏面積為6mm×6 mm。

表2給出了晶體樣品的一些物理特性參數(shù)，而閃爍晶體與封裝材料的光學(xué)特性參數(shù)如晶體自身光吸收長(zhǎng)度、反射層材料的反射率、光學(xué)封裝玻璃的吸收長(zhǎng)度與折射率等，均與閃爍晶體發(fā)射光譜的波長(zhǎng)相關(guān)。在GEANT4中這些與晶體發(fā)射光譜波長(zhǎng)相關(guān)的光學(xué)特性參數(shù)[11-14]均以數(shù)組的形式進(jìn)行設(shè)置。模擬程序里的閃爍晶體發(fā)光光譜波長(zhǎng)每隔2 nm取一個(gè)點(diǎn)，將波長(zhǎng)的值轉(zhuǎn)換成光子能量在Ep,num中描述。num是波長(zhǎng)范圍內(nèi)抽取點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，每個(gè)光子能量對(duì)應(yīng)的發(fā)射概率通過(guò)計(jì)算在Pnum中設(shè)置。同理，晶體內(nèi)光吸收長(zhǎng)度La,num、Teflon材料反射率RT,num、光學(xué)封裝玻璃的折射率Fg,num等的每個(gè)參數(shù)值均與發(fā)射光譜數(shù)組內(nèi)的光子能量一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。在GEANT4模擬晶體閃爍過(guò)程的眾多外部參數(shù)中，分辨率尺度Pr,s[15]起著重要的作用，其值直接決定晶體的本征能量分辨率。晶體實(shí)際發(fā)射光子數(shù)圍繞平均值漲落的寬度可表示為Pr,s×(Nmean,p)1/2，在堆棧行為StackingAction類(lèi)中限定一次完整事件內(nèi)閃爍晶體內(nèi)部產(chǎn)生的粒子類(lèi)型，只對(duì)一次事件的入射粒子反應(yīng)完全后產(chǎn)生的optical photon進(jìn)行記錄，可以獲得閃爍晶體的本征分辨率。為了與實(shí)際晶體樣品的本征能量分辨率相匹配，模擬程序在限制其他參數(shù)同一的條件下，僅改變Pr,s的值進(jìn)行多次運(yùn)算，獲得不同的本征分辨，擬合后反推相應(yīng)的Pr,s。圖4給出了GEANT4中105次662keV能量γ射線(xiàn)入射閃爍晶體內(nèi)部產(chǎn)生的光子譜圖，圖4中LaBr3:10%Ce3+與NaI(TI)的光子譜峰位比值與模擬程序中設(shè)置的晶體光產(chǎn)額有關(guān)，LaBr3:10%Ce3+與NaI(TI)光產(chǎn)額的比值為1.658。而圖2實(shí)驗(yàn)測(cè)得的能譜峰位比例關(guān)系與圖4有較大差別，這是因?yàn)闇y(cè)量LaBr3:10%Ce3+與NaI(TI)閃爍晶體耦合SiPM時(shí)，主放的放大倍數(shù)不同。圖5給出了662 keV能量γ射線(xiàn)入射閃爍晶體時(shí)設(shè)置不同的Pr,s值，得到一組對(duì)應(yīng)的閃爍晶體本征分辨率。對(duì)于入射能量662keV的γ射線(xiàn)，NaI(TI)與LaBr3:10%Ce3+的本征能量分辨率分別為5.9%[16]和1.8%[17]。對(duì)應(yīng)的GEANT4外部參數(shù)Pr,s分別為2.43和1.59。

圖4 GEANT4模擬105次的閃爍晶體內(nèi)部產(chǎn)生的光子譜Fig.4 GEANT4 toolkit simulate optical photons spectrum inside scintillation crystal in 105 events.

圖5 γ射線(xiàn)為662 keV時(shí)GEANT4中不同的Pr,s值對(duì)應(yīng)的晶體本征能量分辨率Fig.5 Pr,s in GEANT4 vs. intrinsic energy resolution of scintillation crystal when energy of γ-ray is 662 keV.

表2 閃爍晶體樣品的物理特性參數(shù)Table2 Physical properties of sample scintillators.

閃爍晶體與封裝材料之間的表面光學(xué)性質(zhì)通過(guò)GEANT4中G4OpBoundaryProcess類(lèi)提供的UNIFIED模型[7]來(lái)進(jìn)行描述。反射層與晶體之間的邊界類(lèi)型為dielectric_dielectric，拋光類(lèi)型為groundbackpainted，描述晶體表面粗糙程度的參數(shù)sigma alpha設(shè)置為0.1。

2.2 物理過(guò)程聲明

涉及到的物理與光學(xué)過(guò)程在PhysicsList類(lèi)里進(jìn)行定義，物理過(guò)程主要是電磁相互作用包括電離、軔致輻射、多重散射、電子對(duì)效應(yīng)、康普頓散射、光電效應(yīng)。光學(xué)過(guò)程包括閃爍光子產(chǎn)生、切倫科夫輻射、伯克吸收、瑞利散射和一些邊界過(guò)程（反射、折射、吸收）。

2.3 SiPM響應(yīng)

SiPM的光子探測(cè)效率Ep,d[9]（峰值波長(zhǎng)420 nm處為30%）以數(shù)組形式在程序中描述。光子探測(cè)效率Ep,d定義為：式中：Ff是幾何填充因子，是SiPM中集成的APD占整個(gè)區(qū)域的面積比；Eq是量子效率，是APD吸收一個(gè)光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)的概率；Pg是電子空穴對(duì)發(fā)生蓋革雪崩的概率。追蹤粒子數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度即冗余信息追蹤(tracking verbose)設(shè)置為1，對(duì)入射到SiPM中APD上的粒子種類(lèi)、能量大小、動(dòng)量方向、位置時(shí)間信息進(jìn)行記錄。然后在步數(shù)據(jù)冗余(SteppingVerbose)類(lèi)中，通過(guò)限定輸出條件，僅對(duì)所有到達(dá)APD上的光子數(shù)（閃爍熒光、切倫科夫光）與光子探測(cè)效率Ep,d進(jìn)行運(yùn)算，得到SiPM輸出的電子空穴對(duì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定所用的LED燈為460 nm的單色光（藍(lán)光）LED燈，對(duì)應(yīng)Ep,d的值為26%[9]。

3 模擬結(jié)果與分析

GEANT4蒙特卡羅軟件模擬的NaI(TI)晶體耦合SiPM探測(cè)能量662 keV的γ射線(xiàn)的能譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的能譜歸一化后的結(jié)果如圖7所示。擬合得到的全能峰的能量分辨率為(6.57±0.147)%。能譜上能清楚地看到光電全能峰與康普頓平臺(tái)，由于模擬程序?qū)﹂W爍晶體產(chǎn)生的每個(gè)光子都要進(jìn)行追蹤，探測(cè)器幾何構(gòu)建越復(fù)雜，程序運(yùn)算速度越慢，因此現(xiàn)階段的模擬程序中并未考慮實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境，所以模擬得到能譜中峰康比要高于實(shí)驗(yàn)測(cè)得能譜，且γ反散射峰并不明顯。模擬的能量分辨率與實(shí)驗(yàn)所測(cè)相差較大是因?yàn)槌绦驘o(wú)法對(duì)雪崩二極管吸收光子的統(tǒng)計(jì)漲落與電子學(xué)電路造成的能量展寬進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)通過(guò)單色光LED燈照射SiPM對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行修正，獲得的能量分辨ΔE1/E1為：

式(4)中并沒(méi)有晶體本征分辨與光子輸運(yùn)引起的偏差對(duì)能譜能量分辨的貢獻(xiàn)。同式(2)中的δst一樣，δst1是與電子空穴對(duì)數(shù)有關(guān)的值，電子空穴對(duì)數(shù)又正比于SiPM的輸出脈沖幅度。實(shí)驗(yàn)通過(guò)精密脈沖信號(hào)發(fā)生器控制LED燈的發(fā)光強(qiáng)度使SiPM的輸出脈沖幅度與662 keV γ射線(xiàn)入射樣品晶體耦合SiPM的輸出脈沖幅度相同，使其值盡可能接近樣品晶體測(cè)量射線(xiàn)能譜時(shí)的值。最后將模擬能譜的分辨率與ΔE1/E1代入式(1)計(jì)算得到修正后的能量分辨。如表3所示，修正后的能量分辨略大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是因?yàn)槭?2)中的Fe,n與雪崩二極管的結(jié)構(gòu)材料和入射到雪崩二極管上光的波長(zhǎng)有關(guān)。同一結(jié)構(gòu)材料的雪崩二極管，其Fe,n的值隨入射光波長(zhǎng)而增大[7]。實(shí)驗(yàn)用來(lái)修正模擬結(jié)果的單色光LED燈發(fā)光波長(zhǎng)為460 nm，比表2中NaI(TI)、LaBr3:10%Ce3+的吸收光譜峰位波長(zhǎng)要大。LED燈與樣品晶體輸出能譜道址相同即SiPM上產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)Ph,e相同時(shí)，δst1的值比實(shí)際樣品晶體耦合SiPM的δst值大，導(dǎo)致修正結(jié)果偏大。因此，僅用一個(gè)單色光LED燈來(lái)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行修正不能完全反映SiPM的誤差?？梢杂霉庾V儀對(duì)樣品晶體發(fā)射光譜進(jìn)行刻度獲得每個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度，再結(jié)合激光器照射SiPM對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行修正，這是后續(xù)需要改進(jìn)的地方。

圖6 歸一化后的模擬與實(shí)驗(yàn)?zāi)茏VFig.6 Normalized energy spectrum of simulation and experiment.

表3 #1、#2樣品晶體耦合SiPM測(cè)量662 keV γ能譜能量分辨率模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較(%)Table3 Simulated and experimental energy resolution of sample #1 and #2 scintillation crystal detect 662-keV γ-ray with SiPM light out (%).

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)影響閃爍體探測(cè)器能量分辨的因素進(jìn)行了詳細(xì)討論，利用GEANT4這一功能強(qiáng)大的探測(cè)器模擬工具，對(duì)LaBr3:10%Ce3+、NaI(TI)閃爍晶體耦合SiPM測(cè)量γ射線(xiàn)能譜進(jìn)行了細(xì)致的模擬，修正后的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比能夠很好地符合。驗(yàn)證了程序模擬晶體閃爍過(guò)程的精確性和可靠性，同時(shí)還得到了一組對(duì)應(yīng)閃爍晶體662 keV的本征能量分辨率的程序參數(shù)Pr,s。為閃爍體的設(shè)計(jì)提供了一套更細(xì)致、精確的開(kāi)發(fā)工具，對(duì)應(yīng)用在不同領(lǐng)域種類(lèi)繁多的閃爍體模擬提供了參考。

1 Buzhan P, Dolgoshein B. Silicon photomultiplier and its possible application[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2003, 504: 48-52. DOI: 10.1016/S 0168-9002(03)00749-6.

2 Golovina V, Saveliev V. Novel type of avalanche photo detector with Geiger mode operation[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2004, 518: 560-564. DOI: 10.1016/j.nima.2003.11.085.

3 Judenhofer M S, Wehrl H F, Newport D F, et al. Simultaneous PET-MRI: a new approach for functional and morphological imaging[J]. Nature Medicine, 2008, 14(4): 459-465. DOI: 10.1038/nm1700.

4 Moszyński M. Inorganic scintillation detectors in γ-ray spectrometry[J]. Nuclear Instruments and Methods A, 2003, 505: 101-110. DOI: 10.1016/S0168-9002(03) 01030-1.

5 Kapusta M, Balcerzyk M, Moszyński M, et al. A high-energy resolution observed from a YAP:Ce scintillator[J]. Nuclear Instruments and Methods A, 1999, 421: 610-613. DOI: 10.1016/S0168-9002(98)01232-7.

6 Moszyński M, Szcz??niak T, Kapusta M, et al. Characterization of scintillators by modern photomultipliers - a new source of errors[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2010, 57: 2886-2896. DOI: 10.1109/TNS.2010.2054111.

7 Moszyński M, Kapusta M, Balcerzyk M, et al. Comparative study of avalanche photodiodes with different structures in scintillation detection[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2001, 48: 1205-1210. DOI: 10.1109/23.958751.

8 蘇耿華. 海水就地γ能譜測(cè)量溴化鑭探測(cè)器的技術(shù)研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2010.

SU Dihua. Research on in-situ LaBr γ-ray spectrometer for seawater radiation monitoring[D]. Beijing: Tsinghua University, 2010.

9 曾志, 李君利, 程建平, 等. GEANT4在核技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 同位素, 2005, 18(1): 55-58. DOI: 10.3969/ j.issn.1000-75.2005.01.013.

ZENG Zhi, LI Junli, CHENG Jianping, et al. GEANT4 applications in nuclear technology[J]. Journal of Isotopes, 2005, 18(1): 55-58. DOI: 10.3969/j.issn.1000-75.2005.01. 013.

10 Sens L. C-series microFC-60035-SMT[EB/OL]. 2014-12-11[2016-8-21]. http://www.sensl.com/downloads/ds/DSMicroCseries.pdf.

11 鄒本飛, 桂強(qiáng), 張明榮, 等. 摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝技術(shù)的研究[J]. 人工晶體學(xué)報(bào), 2016, 45(1): 64-69. DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2016.01.011.

ZOU Benfei, GUI Qiang, ZHANG Mingrong, et al. Study on the packaging technology of LaBr3:Ce scintillation crystal[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2016, 45(1): 64-69. DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2016.01.011.

12 van Dam H T, Seifert S, Drozdowski W, et al. Optical absorption length, scattering length, and refractive index of LaBr3:Ce3+[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2012, 59(3): 656-664. DOI: 10.1109/TNS.2012.2193597.

13 Gobain S. NaI(TI) and Polyscin NaI(TI) sodium lodide scintillation material[EB/OL]. 2005-10-12[2016-8-21]. http//:www.crystals.saint-gobain.com/sites/imdf.crystals. com/files/documents/sodium-iodide-material-data-sheet. pdf.

14 Pichler B J, Lorenz E, Mirzoyan R, et al. Production of a diffuse very high reflectivity material for light collection in nuclear detectors[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2000, 442: 333-336. DOI: 10.1016/S0168-9002(99)01245-0.

15 Nilsson J, Cuplov J, Isaksson M. Identifying key surface parameters for optical photon transport in GEANT4/GATE simulations[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2015, 103: 15-24. DOI: 10.1016/j.apradiso.2015. 04.017.

16 Moszyński M, Zalipska J, Balcerzyk M, et al. Intrinsic energy resolution of NaI(Tl)[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 2002, 484: 259-269. DOI: 10.1016/S0168-9002(01)01964-7.

17 van Loefa E V D, Dorenbosa P, van Eijka C W E, et al. Scintillation properties of LaBr3:Ce3+crystals: fast, efficient and high-energy-resolution scintillators[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2002, 486: 254-258. DOI: 10.1016/S0168-9002(02)00 712-X.

Simulation study of scintillation crystal photocoupling with SiPM for gamma spectrometry

XU Hu1CHENG Chong1LIU Lingjian1,2GUO Zhirong1CHEN Xianglei1QU Guopu2
1(Wuhan Secondary Institute of Ships, Wuhan 430064, China)
2(School of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang 421001, China)

Background:The silicon photomultiplier (SiPM) is a new type of photo detector consisting of avalanche photodiode arrays operated in Geiger mode. Its photocoupling performance with scintillation crystal is helpful for gamma spectrometry. Purpose: This study aims to provide a reliable tool for the design of scintillation detector photocoupling with SiPM to achieve effective gamma spectrometry with the GEANT4 code. Methods: GEANT4 toolkit is used to simulate NaI(TI) and LaBr3:10%Ce3+scintillation crystal detect 662-keV γ-ray photocoupling with SiPM by building a complete Monte Carlo model of a scintillator includes ionizing particle and optical photon transport. Energy resolution of 662-keV gamma spectrum is modified with the contribution of dark current noise amplified by the electronic system and statistical fluctuation of optical photon absorbed by avalanche photodiode of SiPM which was previously illuminated with monochromatic LED light. Results: Simulation results show that energy resolution of 662-keV gamma spectrum is in accordance with the result of experimental measurement. A group of parameters (Pr,s) which corresponded to scintillation crystal intrinsic energy resolution is obtained simultaneously. Conclusion: The GEANT4 simulation of NaI(TI) and LaBr3:10%Ce3+scintillation crystals photocoupling with SiPM for 662-keV γ-ray spectrometry results consistently with experimental energy spectrum, and confirms the reliability and rationality of material properties and parameters which set in GEANT4 toolkit.

Scintillation crystal, SiPM, GEANT4 toolkit, Energy resolution

XU Hu, male, born in 1977, graduated from Xi’an Jiaotong University with a master’s degree in 2004, senior engineer, focusing on the work of nuclear radiation measurement and detection

LIU Lingjian, E-mail: liulingjian719@163.com

TL812+.1

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.010401

許滸，男，1977年出生，2004年于西安交通大學(xué)獲碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，從事核輻射探測(cè)研究

劉翎箭，E-mail: liulingjian719@163.com

2016-09-19，

2016-11-07

Received date: 2016-09-19, accepted date: 2016-11-07