李小輝，朱興華，孫 輝，楊定宇，趙 地

(成都信息工程大學(xué) 光電技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610225)

基于碘化鉛X射線室溫輻射探測器的研究

李小輝，朱興華，孫 輝，楊定宇，趙 地

(成都信息工程大學(xué) 光電技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610225)

采用碘化鉛(PbI2)晶體材料，設(shè)計了碘化鉛X射線探測器及放大采樣電路。在采用熔體法合成碘化鉛多晶原料的基礎(chǔ)上，用垂直布里奇曼法生長碘化鉛晶體和TO8金屬管殼(CETC 44，0.01 mm鋁箔窗口)封裝，對電荷放大和采樣電路進行設(shè)計。實驗結(jié)果表明，碘化鉛制作成的探測器X射線輻射下，線性響應(yīng)好，可用于室溫核輻射檢測儀的研究。

碘化鉛探測器；熔體法；線性響應(yīng)；室溫核輻射檢測儀

目前用于制作室溫核輻射探測器的材料(如CdTe 、HgI2、Cd1-xZnxTe(CZT)等)[1-2]晶體的禁帶寬度窄，制備好的探測器漏電流大，能量分辨率不能達到理想的結(jié)果，不能滿足當(dāng)代科技發(fā)展的需求，新型室溫核輻射探測器材料的探索成為熱點。

1971年關(guān)于碘化鉛晶體可用于室溫下γ射線探測器觀點的提出[3-4]，碘化鉛材料在輻射探測方面得到廣泛關(guān)注。碘化鉛晶體平均原子序數(shù)接近63且禁帶寬度較大，能俘獲一定范圍范圍內(nèi)的輻射射線，較高的分辨率也是其優(yōu)良的特性[5-6]。相對碘化汞晶體而言，碘化鉛晶體的穩(wěn)定、不易揮發(fā)、易制備等特性[2]，可用于制作高質(zhì)量的微弱信號探測器的相關(guān)研究。室溫電阻率高達1012Ω·cm量級，制成的碘化鉛探測器暗電流范圍低至-2～3 nA(厚度1 mm)，可在室溫下實現(xiàn)高能射線能量分辨。

目前用于核輻射探測器的前置放大主要分為電荷靈敏和電壓靈敏兩大類[7]，其中電荷靈敏前置放大輸出穩(wěn)定、噪聲低且性能良好，得到廣泛應(yīng)用。前置放大模塊的設(shè)計主要趨向于分立元件的設(shè)計，其設(shè)計過程繁瑣，器件兼容性不夠，噪聲影響了探測器正常工作。國外采用ASIC技術(shù)價格昂貴，軍事領(lǐng)域限制技術(shù)提供，國內(nèi)也難以制作出比較好的優(yōu)異的前置放大。本文采用的IVC102低噪聲互阻抗放大IC是一款高集成低噪聲干擾的集成電路芯片，采用電荷靈敏放大方法，滿足國內(nèi)探測器信號放大的設(shè)計。國內(nèi)也有許多基于IVC102的信號放大的相關(guān)文獻，主要應(yīng)用于醫(yī)療、海洋、核工業(yè)等方面。針對微弱信號的放大，選用IVC102作為研究碘化鉛探測器前置放大器是可行的。

碘化鉛探測器讀出信號是基于低噪聲高互阻增益的IVC102積分放大器和自帶ADC采樣組件的STC15W401AS系列單片機的。IVC102 是一款內(nèi)置可控增益積分電容的精密積分放大器,具有靈敏度高、低噪聲、輸出誤差小等特性。在微電流測量領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 碘化鉛探測器的制備

碘化鉛材料制備成的探測器屬于半導(dǎo)體探測器。固定的偏置電壓加在器件上，輻射照射在碘化鉛材料中產(chǎn)生的光電流并外加良好的輸出設(shè)備及相關(guān)放大電路，從而得到相關(guān)輻射劑量。當(dāng)無輻射時，有微弱的暗電流但不影響輸出。

目前在生長碘化鉛晶體的方法中主要有凝膠法、氣相法和熔體法。相對凝膠法和氣相法，熔體法在大尺寸單晶體的制作上更容易實現(xiàn)。因此本文在采用熔體法合成碘化鉛多晶法，加上改良的制作工藝，能夠得到尺寸大、完整性好的碘化鉛晶體[7-10]。

將制備好的碘化鉛材料用TO8金屬管殼(CETC 44，0.01 mm鋁箔窗口)封裝，制作成碘化鉛探測器。制備好的探測器及其光電特性表分別如圖2和圖3所示。

圖2 封裝后的碘化鉛探測器

圖3 暗室條件探測器I-t特性曲線

探測器低且穩(wěn)定的暗電流特性有利于輻射測量時獲得較高的信噪比和靈敏度。圖2(b)所示I-t特性測試表明，器件在50 V偏置電壓的暗電流約為3.4 nA，顯示出較好的穩(wěn)定性。施加偏置電壓初始階段(0～5 s內(nèi))暗電流呈下降趨勢，而后逐漸趨于穩(wěn)定，在HgI2晶體的探測器中存在這種現(xiàn)象，其主要由極化引起[8-9]。

2 放大部分

IVC102 兩種的信號輸入方式，前端輸入電流≥200 μA時，為3腳入，反之為2腳輸入。本文探測信號輸入為3.4～10 nA應(yīng)采用2腳輸入。其放大電路及控制時序分別如圖4和圖5所示。

圖4 IVC102放大電路

圖5 IVC102時序圖

3 信號控制及處理部分

STC15W401AS為 STC公司生產(chǎn)的高速可靠、低功耗、低溫漂、超強抗干擾的新一代8051單片機。它有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，大約每秒30萬次的轉(zhuǎn)換率，內(nèi)置3路PWM輸出脈沖，滿足本文的設(shè)計需求。單片機外圍電路如圖6所示。

圖6 STC15W401AS外圍電路

S1和S2為單片機發(fā)出兩組不同PWM脈沖信號。工作中的探測器輸入電荷信號輸入IVC102。在電源供電的基礎(chǔ)上，IVC102進行積分放大將信號輸入單片機A/D端口。單片機處理后將信輸入到顯示器上。前端探測器輻射照射產(chǎn)生光電效應(yīng)，實測結(jié)果顯示，探測器有3.4～10 nA的微弱信號進入放大器。系統(tǒng)仿真可測得在控制端S1周期T=150 ms、脈寬PW=3 ms，S2周期T=150 ms、PW=1 ms 的固定脈沖下，進行采樣，理論數(shù)據(jù)如圖7所示；橫軸為理論探測器輸入電流值，縱軸為A/D采用后電壓值[12]。

圖7 信號處理仿真數(shù)據(jù)

圖7說明不同強度輻照與碘化鉛探測器光電效應(yīng)，具有線性相關(guān)的特性。A/D采樣信號與輻射強度也具有線性相關(guān)的特性。

4 電源部分

穩(wěn)定且紋波小的供電電源對放大電路的影響非常小。采用鋰電池替代開關(guān)電源輸入，從源端可以較好的控制紋波對放大電路和單片機的干擾。本設(shè)計采用TPS651032芯片是TI公司設(shè)計的DC-DC芯片。在1.8～4.2 V鋰電池輸入5 V輸出的時候有效轉(zhuǎn)換率高達95%，足以證明其優(yōu)異的低紋波性能。IVC102的工作電壓則是由Linear Technology公司研制的LTC3121電源管理芯片，同TI公司一樣。其轉(zhuǎn)換率也高達95%，優(yōu)異的低紋波和低噪聲性能，為放大器的正常工作提供了保障。

圖8 光電流放大A/D采樣的實測值與理論值

5 結(jié)束語

線性度是探測器是決定探測器性能的重要參數(shù)之一[13-15]，如圖8所示，橫軸表示不同強度X射線輻照在探測器產(chǎn)生的光電流，縱軸表示探測器在光電流經(jīng)過IVC102放大進行A/D采樣后的電壓值，由圖可知，測試值與理論值有較高的擬合度，也說明實測結(jié)果的線性度較高。研究結(jié)果表明，碘化鉛探測器在輻射檢測儀性能優(yōu)異，可以深入研究，實現(xiàn)碘化鉛探測器的工業(yè)價值。

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Radiation Detector Based on Lead Iodide (PbI2)

LI Xiaohui，ZHU Xinghua，SUN Hui，YANG Dingyu，ZHAO Di

(School of Optoelectronics Technology, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

In this paper, the innovative lead iodide (PbI2) crystal materials are adopted in the design of the iodide lead room temperature X-ray detector and the amplification sampling circuit. The polycrystalline lead is synthesized by the melt method, with the vertical Bridgman method for lead iodide crystal growth and TO8 metal shell (CETC 44 mm aluminum foil, 0.01 window) encapsulation. The design of the electric charge amplifier and sampling circuit is presented. The experimental results show that the lead iodide detector achieves good linear response under X-ray radiation, and can be used for room temperature nuclear radiation detector research.

lead iodide (PbI2); melt method; linear response; room temperature nuclear radiation detector

2016- 06- 03

四川省科技支撐計劃(2014GZ0020, 2014GZX0012, 2015GZ0194, 15ZB0173, 2016FZ0018)

李小輝(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：光電子器件及應(yīng)用。朱興華(1975-)，男，教授。研究方向：光電子材料與器件，光電微系統(tǒng)集成技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.019

TN304.2

A

1007-7820(2017)05-069-03