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用于中子位置灵敏探测器的SiPM性能研究

黄畅 唐彬 蒋俊杰 蔡小杰 周诗慧 岳秀萍 陈少佳 王修库 于潜 滕海云 孙志嘉 姚泽恩

黄畅, 唐彬, 蒋俊杰, 蔡小杰, 周诗慧, 岳秀萍, 陈少佳, 王修库, 于潜, 滕海云, 孙志嘉, 姚泽恩. 用于中子位置灵敏探测器的SiPM性能研究[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(1): 66-72. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022108
引用本文: 黄畅, 唐彬, 蒋俊杰, 蔡小杰, 周诗慧, 岳秀萍, 陈少佳, 王修库, 于潜, 滕海云, 孙志嘉, 姚泽恩. 用于中子位置灵敏探测器的SiPM性能研究[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(1): 66-72. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022108
Chang HUANG, Bin TANG, Junjie JIANG, Xiaojie CAI, Shihui ZHOU, Xiuping YUE, Shaojia CHEN, Xiuku WANG, Qian YU, Haiyun TENG, Zhijia SUN, Zeen YAO. Study on the Performance of SiPM for the Neutron Position Sensitive Detector[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(1): 66-72. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022108
Citation: Chang HUANG, Bin TANG, Junjie JIANG, Xiaojie CAI, Shihui ZHOU, Xiuping YUE, Shaojia CHEN, Xiuku WANG, Qian YU, Haiyun TENG, Zhijia SUN, Zeen YAO. Study on the Performance of SiPM for the Neutron Position Sensitive Detector[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(1): 66-72. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022108

用于中子位置灵敏探测器的SiPM性能研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022108
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(11875273, 11975255, U1932160);广东省基础与应用基础研究基金项目(2020B1515120025, 2022B1515120071);核探测与电子学基础国家重点实验室项目
详细信息

Study on the Performance of SiPM for the Neutron Position Sensitive Detector

Funds: National Natural Science Foundation of China(11875273, 11975255, U1932160); Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2020B1515120025, 2022B1515120071); State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics Foundation
More Information
  • 摘要: 为满足中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)工程材料衍射谱仪的探测器需求,CSNS探测器组设计并研制了基于硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)读出的闪烁体探测器。本工作针对该探测器,选取了Sensl MicroFJ-30035-TSV和Hamamatsu S13363-3050NE-16两种型号的SiPM,开展了其击穿电压、增益、温度特性、暗计数率等关键性能的测试。测试结果显示,两者单光子分辨能力,增益、暗计数率等性能均可满足当前闪烁体探测器需求,相同过偏压下,前者增益高于后者,且Hamamatsu SiPM增益对温度更敏感。测试了两SiPM的温度补偿系数分别为22.0 mV/ ºC (Sensl)和53.6 mV/ ºC (Hamamatsu),为后续SiPM温度补偿电路设计奠定了基础。利用研制的探测器工程样机,在CSNS BL09下测试了两种SiPM读出的探测器对2.8 Å中子探测效率分别为76%和68%,为目标探测器及同类型探测器的SiPM选型提供了参考。
  • 图  1  闪烁体探测器WLSF读出结构示意图(在线彩图)

    图  2  SiPM伏安特性曲线测试装置示意图

    图  3  I-Vbias曲线测试结果(在线彩图)

    图  4  增益测试装置示意图(在线彩图)

    图  5  SiPM信号电荷谱(在线彩图)

    图  6  SiPM增益-过偏压曲线(在线彩图)

    图  7  SiPM增益与温度变化关系(在线彩图)

    图  8  SiPM补偿电压与温度变化关系(在线彩图)

    图  9  SiPM暗计数率测试实验装置示意图(在线彩图)

    图  10  SiPM暗计数率与过偏压及阈值关系(在线彩图)

    图  11  闪烁体探测器工程样机结构图与实物图(在线彩图)

    图  12  3He管探测器及闪烁体探测器测得中子飞行时间谱(在线彩图)

    表  1  SiPM主要性能参数

    性能参数SiPM型号
    Sensl MicroFJ-
    30035-TSV
    Hamamatsu S13363-
    3050NE-16
    击穿电压a/V24.4±0.353±5
    过偏压范围/V1-63
    增益a,b~6.3×106~1.7×106
    暗计数率a,b150 kHz/mm2500 kHz/Channel
    温度系数/(mV/°C)21.554
    峰值波长/nm420450
    光子探测效率a,b,c/%5040
    灵敏面积3.0 mm × 3.0 mm3.0 mm × 3.0 mm
    微像素大小/μm3550
    微像素个数5 6763 584
    填充因子/%7574
    a 在特定温度条件下测试;TSensl=21 °C, THamamatsu =25 °C。
    b 在特定过偏压条件下测试Vover-Sensl=6 V, Vover-Hamamatsu=3 V。
    c 对峰值波长,λ Sensl=420 nm,λ Hamamatsu=450 nm。
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    HUANG C, TANG B, LIU Y, et al. Nuclear Physics Review, 2019, 36(2): 190. (in Chinese) doi:  10.11804/NuclPhysRev.36.02.190
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-17
  • 修回日期:  2022-11-11
  • 刊出日期:  2023-03-20

用于中子位置灵敏探测器的SiPM性能研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022108
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(11875273, 11975255, U1932160);广东省基础与应用基础研究基金项目(2020B1515120025, 2022B1515120071);核探测与电子学基础国家重点实验室项目
    作者简介:

    黄畅(1993−),男,湖北麻城人,在读博士,从事中子探测器研究;E-mail: huangchann@aliyun.com

    通讯作者: 唐彬, E-mail: tangb@ihep.ac.cn姚泽恩, E-mail: zeyao@lzu.edu.cn
  • 中图分类号: TL812

摘要: 为满足中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)工程材料衍射谱仪的探测器需求,CSNS探测器组设计并研制了基于硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)读出的闪烁体探测器。本工作针对该探测器,选取了Sensl MicroFJ-30035-TSV和Hamamatsu S13363-3050NE-16两种型号的SiPM,开展了其击穿电压、增益、温度特性、暗计数率等关键性能的测试。测试结果显示,两者单光子分辨能力,增益、暗计数率等性能均可满足当前闪烁体探测器需求,相同过偏压下,前者增益高于后者,且Hamamatsu SiPM增益对温度更敏感。测试了两SiPM的温度补偿系数分别为22.0 mV/ ºC (Sensl)和53.6 mV/ ºC (Hamamatsu),为后续SiPM温度补偿电路设计奠定了基础。利用研制的探测器工程样机,在CSNS BL09下测试了两种SiPM读出的探测器对2.8 Å中子探测效率分别为76%和68%,为目标探测器及同类型探测器的SiPM选型提供了参考。

English Abstract

黄畅, 唐彬, 蒋俊杰, 蔡小杰, 周诗慧, 岳秀萍, 陈少佳, 王修库, 于潜, 滕海云, 孙志嘉, 姚泽恩. 用于中子位置灵敏探测器的SiPM性能研究[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(1): 66-72. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022108
引用本文: 黄畅, 唐彬, 蒋俊杰, 蔡小杰, 周诗慧, 岳秀萍, 陈少佳, 王修库, 于潜, 滕海云, 孙志嘉, 姚泽恩. 用于中子位置灵敏探测器的SiPM性能研究[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(1): 66-72. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022108
Chang HUANG, Bin TANG, Junjie JIANG, Xiaojie CAI, Shihui ZHOU, Xiuping YUE, Shaojia CHEN, Xiuku WANG, Qian YU, Haiyun TENG, Zhijia SUN, Zeen YAO. Study on the Performance of SiPM for the Neutron Position Sensitive Detector[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(1): 66-72. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022108
Citation: Chang HUANG, Bin TANG, Junjie JIANG, Xiaojie CAI, Shihui ZHOU, Xiuping YUE, Shaojia CHEN, Xiuku WANG, Qian YU, Haiyun TENG, Zhijia SUN, Zeen YAO. Study on the Performance of SiPM for the Neutron Position Sensitive Detector[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(1): 66-72. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022108
    • 中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)是国家 “十一五”期间重点建设的重大科技基础设施之一[1],该装置于2018年8月通过国家验收正式投入运行[2]。CSNS一期完成了通用粉末衍射谱仪、小角散射谱仪和多功能反射谱仪三台谱仪的建设,为国内用户提供了先进的科研平台[3]。工程材料衍射谱仪是2019年至2024年CSNS即将新建的八台合作谱仪之一,主要用于研究材料微观结构和宏观应力、织构、相和晶粒间应力等信息[4]。中子位置灵敏探测器是中子散射谱仪的关键器件[5],其主要记录经样品散射后的中子击中探测器的空间位置与飞行时间,计算得到中子的波长、能量、衍射角度等信息,经谱仪软件修正分析后得到样品内部结构信息与相关动力学性质。

      高性能中子位置灵敏探测器是中子散射谱仪的首要前提,其位置分辨直接影响谱仪的分辨率。为满足CSNS工程材料衍射谱仪的高精度、高分辨率等设计指标要求,中国散裂中子源探测器课题组开展了基于6LiF/ZnS(Ag)闪烁体、波移光纤(Wavelength Shifting Fiber, WLSF )和光电转换器件的中子位置灵敏探测器阵列研究[6]。该闪烁体中子探测器相对于传统的3He管位置灵敏探测器,具有更高的计数率和位置分辨率,同时大面积制作时的成本造价更低,能够很好满足工程材料衍射谱仪的物理需求。

      为实现探测器在实际工程应用中能够通过阵列拼接覆盖平米级大面积中子探测,探测器的光电读出器件摒弃了传统体积庞大的光电倍增管(Photomultiplier tube, PMT)和各通道增益均匀性差的多阳极光电倍增管(Multi-Anode Photomultiplier tube, MA-PMT),采用了高集成度、增益一致性好的硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)。SiPM又称多像素光子计数器(Multipixel Photon Counter, MPPC)[7],是近年来发展的一种新型光电探测器件。其由多个工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode, APD)集成在一个单晶硅片上组成[8],每个APD 串联一个几百千欧的猝灭电阻,所有APD信号并联构成SiPM最终输出信号[9]。光子入射到APD单元上时由于光电效应产生载流子(电子-空穴对),载流子在电场作用下有一定概率发生雪崩,在回路中产生一个较大的电流脉冲[10],随后在猝灭电阻作用下立即停止雪崩并逐步恢复电场[11],多个APD单元的信号叠加构成SiPM的线性响应输出[12]。与传统PMT相比,SiPM具有单光子分辨能力强、体积小、集成度高、封装工艺成熟、工作电压低、增益一致性好等优势[13-15],是当前闪烁体探测器的极佳选择。

      本论文针对当前探测器结构所需的光读出器件,分别选取了Hamamatsu和Sensl同规格(3 mm × 3 mm) SiPM,开展了相关性能测试,为闪烁体探测器的SiPM选型提供了重要参考。

    • 设计的CSNS工程材料衍射谱仪的闪烁体探测器结构如图1所示,探测器头部由倾斜的6LiF/ZnS(Ag)闪烁屏阵列和WLSF组成,每块闪烁屏和紧贴的两根WLSF构成探测器的像素。为提高中子探测效率,闪烁屏倾斜73°固定在定位槽内。两根WLSF均匀分布在每块闪烁屏下,将入射粒子在闪烁屏中产生的荧光光子收集并传输至后端光电转换器件(SiPM)。

      图  1  闪烁体探测器WLSF读出结构示意图(在线彩图)

      目前各SiPM厂家生产的SiPM主要有1 mm × 1 mm、3 mm × 3 mm和6 mm × 6 mm三种规格,而设计的闪烁体探测器采用两根直径1 mm的WLSF作为一个像素读出(如图1所示),故为保证WLSF与SiPM的良好耦合,选取的SiPM像素应大于2 mm × 2 mm。而6 mm × 6 mm像素偏大,占用体积较大,故本次测试选择SiPM灵敏面积为3 mm × 3 mm。

      为使工程探测器发挥最佳性能,需选择低暗计数率(单位时间内由SiPM材料内载流子的热激发等原因引起的计数)、高光子探测效率(单位时间内SiPM探测到的光子数与入射到SiPM表面的光子数的百分比)和高微单元密度(SiPM单位面积内的微像素个数)的SiPM。其中暗计数率会影响探测器的信噪比,光子探测效率会影响探测器输出信号幅度从而影响探测器的中子探测效率。综合考虑SiPM暗计数率、微单元密度、光子探测效率、单光电子增益(APD单元发生一次雪崩所释放的载流子数目)等参数,分别选取了Sensl MicroFJ-30035-TSV型号和Hamamatsu S13363-3050NE-16型号的3 mm × 3 mm SiPM (下文简称Sensl SiPM与Hamamatsu SiPM),厂商提供的主要性能参数如表1所列。

      表 1  SiPM主要性能参数

      性能参数SiPM型号
      Sensl MicroFJ-
      30035-TSV
      Hamamatsu S13363-
      3050NE-16
      击穿电压a/V24.4±0.353±5
      过偏压范围/V1-63
      增益a,b~6.3×106~1.7×106
      暗计数率a,b150 kHz/mm2500 kHz/Channel
      温度系数/(mV/°C)21.554
      峰值波长/nm420450
      光子探测效率a,b,c/%5040
      灵敏面积3.0 mm × 3.0 mm3.0 mm × 3.0 mm
      微像素大小/μm3550
      微像素个数5 6763 584
      填充因子/%7574
      a 在特定温度条件下测试;TSensl=21 °C, THamamatsu =25 °C。
      b 在特定过偏压条件下测试Vover-Sensl=6 V, Vover-Hamamatsu=3 V。
      c 对峰值波长,λ Sensl=420 nm,λ Hamamatsu=450 nm。
    • 当SiPM偏压Vbias大于击穿电压Vbr时,APD耗尽层中的载流子在强电场作用下加速,与晶格发生碰撞后产生更多的载流子,引发雪崩,使SiPM的电流突然增大。通过测量SiPM的I-Vbias曲线,可以得到SiPM击穿电压Vbr等参数,从而确定SiPM工作电压区间。SiPM伏安特性曲线测量的实验装置如图2所示,精密高压电源(ISEG SHR 4260)为SiPM提供偏压,同时将SiPM的电流与电压值反馈至PC上位机,示波器(Teledyne LeCroy 610Zi)实时监测SiPM输出信号,辅助判断SiPM是否进入雪崩工作状态。为消除环境温度变化对测试结果的干扰,恒温箱为SiPM提供稳定的恒温环境。

      图  2  SiPM伏安特性曲线测试装置示意图

      测试了SiPM在21.5 ºC条件下的I-Vbias曲线,结果如图3所示。当Vbias低于SiPM击穿电压时,暗电流较小,此时SiPM暗电流主要为表面漏电流,其随着Vbias的增大而缓慢增大。当Vbias达到击穿电压时,电流迅速增大,此时电流值为漏电流与击穿电流之和,且其随着偏压升高呈指数增长的趋势。从图中可以看出,测试的Sensl与Hamamatsu两SiPM I-Vbias曲线趋势接近,与理论相符。当偏压低于击穿电压时,Sensl SiPM的暗电流约为0.04~0.06 μA,而Hamamatsu SiPM暗电流相对较大,约为0.2 μA,这可能是由其偏压较高导致表面漏电流较大造成。由测试的I-Vbias曲线结果得到21.5 ºC条件下Sensl和Hamamatsu SiPM的击穿电压Vbr分别为24.5 和52.0 V。SiPM的工作偏压与击穿电压的差值被称为过偏压Vover (Vover=Vbias-Vbr,其中Vbias为SiPM偏压,Vbr为击穿电压),参考厂商给定的SiPM过偏压范围一般为1~6 V,故Sensl和Hamamatsu SiPM建议的工作偏压范围分别为25.5~30.5 V和53.0~58.0 V。

      图  3  I-Vbias曲线测试结果(在线彩图)

    • SiPM增益测试实验装置如图4所示,脉冲发生器 (Kektronix AFG3252C)产生的脉冲信号驱动LED并控制其发光强度,与其同步输出的TTL电平信号经TTL转NIN插件(Ortec 499 Logic Converter)转化为NIM信号后传输至门产生器(Ortec GG8020)将信号转化为合适宽度的NIM门信号作为QDC(Mesytec MQDC-32)的触发信号。LED发射的蓝光通过光纤衰减后传输至被测SiPM灵敏区域表面,光子在SiPM中产生的信号经前置放大器放大并延时后输入QDC被采集。实验使用前置放大器由CSNS电子学课题组自主研发(本工作后续相关实验均使用该前置放大器),经刻度后得到其放大倍数为15倍,QDC量程为500 pC,对应4 000道。数据获取系统对SiPM信号电荷信息获取后并分析,SiPM增益G通过下列公式计算:

      图  4  增益测试装置示意图(在线彩图)

      $$ G=\frac{N {\boldsymbol{\cdot}} r}{M{\boldsymbol{\cdot}} \mathrm{e}} \text{,} $$ (1)

      其中N为SiPM单光电子电荷量对应的道数;r为QDC电荷转换系数,即QDC每道对应电荷量;M为信号放大倍数,即M=15;e为电子电荷,e=1.6×10−19 C。

      温度T = 21.5 ºC条件下,SiPM工作电压分别为27.5和55.0 V测试得到的SiPM信号电荷谱如图5所示,图中分立的等间距光电子峰对应不同光子数,相邻光电子峰的峰间距为SiPM单光电子电荷量对应道数。从图中可以看出,当前温度和过偏压Vover = 3.0 V (Vbr-sensl = 24.5 V, Vbr-Hamamatsu = 52.0 V)条件下,Sensl与Hamamatsu SiPM均具备较好的单光子分辨能力,且Sensl SiPM 单光电子增益略大于Hamamatsu SiPM。对每个光电子峰高斯拟合,计算相邻光电子峰峰间距并取其平均值,由式(1)计算得到Sensl SiPM 在T = 21.5 ºC,V = 27.5 V条件下增益为 4.95×106。同理计算得到Hamamatsu SiPM在T = 21.5 ºC,V = 55.0 V条件下的增益为3.48×106。在Vover = 3.0 V条件下, Hamamatsu SiPM与Sensl SiPM 增益均为106量级,Hamamatsu SiPM增益略低于Sensl SiPM增益。

      图  5  SiPM信号电荷谱(在线彩图)

      基于上述增益测试方法,结合I-V曲线选取合适的工作电压范围,测试了SiPM增益-过偏压曲线,结果如图6所示。从图中可以看出,测试的Sensl与Hamamatsu两SiPM在工作偏压范围内,增益与过偏压Vover均呈良好的线性关系,且相同Vover条件下,Sensl SiPM 增益明显大于Hamamatsu SiPM增益。在Vover为4.5 V时,Sensl SiPM增益可达到7.45×106,比同条件下Hamamatsu SiPM增益(5.12×106)高约45%。由线性拟合斜率可知,Sensl SiPM与Hamamatsu SiPM增益随过偏压Vover线性升高系数分别为1.66×106和1.12×106 /V。

      图  6  SiPM增益-过偏压曲线(在线彩图)

    • SiPM与普通的半导体器件一样,随着温度的改变,其许多性能参数(例如,雪崩临界电压、增益、暗计数率等)都会变化,其中增益随温度变化较敏感。相关研究表明,SiPM的增益随温度升高线性减小[16],故可以通过温度补偿方法减小SiPM的增益漂移,提高探测器的工作稳定性。掌握SiPM的增益与温度变化关系是开展温度补偿的首要前提,对探测器性能优化具有重要意义。SiPM的增益与温度变化关系测试实验装置与增益测试实验装置相同(如图4所示),通过恒温箱改变SiPM工作环境温度测试得到增益与温度变化关系,结果如图7所示。从图中可以看出,在Vover= 3.0 V和Vover= 4.5 V条件下,Sensl SiPM与Hamamatsu SiPM增益均随温度升高线性下降,与理论相符。由线性拟合斜率可知,温度每升高1 ºC,Sensl SiPM增益减少约3.65×104,Hamamatsu SiPM增益减少约5.95×104,证明Hamamatsu SiPM增益对温度变化更加敏感。

      图  7  SiPM增益与温度变化关系(在线彩图)

      T=15 ºC,Vover= 3.0 V条件下增益为基准,结合测试得到的SiPM增益与过偏压Vover的线性关系,计算不同温度下,SiPM电压补偿值,结果如图8所示。从图中可以看出,Sensl SiPM与Hamamatsu SiPM补偿电压均与温度保持良好线性关系,对上述结果线性拟合得到Sensl与Hamamatsu SiPM温度补偿系数分别为22.0和53.6 mV/ ºC。

      图  8  SiPM补偿电压与温度变化关系(在线彩图)

    • 暗计数是SiPM主要噪声来源,其主要是由半导体内部产生的热激发电子在高场区发生雪崩导致[17]。随偏压增加,SiPM内部由热激发导致的雪崩概率增加,暗计数率显著增加。由于热激发电子产生的噪声源大多在单光子级别,故将阈值设置在单光子级别以上可以大幅度减少SiPM暗计数,但过高的阈值会对正常信号产生影响,研究SiPM的暗计数率特征,有助于信号的准确测量, 对提高探测器信噪比有重要意义。SiPM暗计数率测试实验装置如图9所示,SiPM热激发噪声信号经前置放大器放大和反向后输入低阈甄别器 (CAEN N844),最后通过计数器测量不同阈值下SiPM暗计数率。实验使用前置放大器与SiPM增益测试前置放大器相同,N844低阈甄别器阈值配置范围0~255 mV,计数器为ORTEC 871,饱和计数率约10 MHz。

      图  9  SiPM暗计数率测试实验装置示意图(在线彩图)

      T= 21.5 ºC,Vover= 5.0 V条件下分别测试了不同阈值条件下Sensl与Hamamatsu SiPM暗计数率,结果如图10所示。从图中可以看出,当阈值较低时(10 mV),Sensl与Hamamatsu SiPM暗计数率均较高(约10 kHz) ,应用于闪烁体探测器时,该阈值下探测器将无法正常工作。随阈值升高,SiPM 暗计数率迅速降低,当阈值大于70 mV时,Sensl与Hamamatsu SiPM暗计数率均低于1 Hz,且相同阈值条件下Hamamatsu SiPM 暗计数率略低于Sensl SiPM暗计数率。

      图  10  SiPM暗计数率与过偏压及阈值关系(在线彩图)

      基于已研制的SiPM读出的6LiF:ZnS(Ag)闪烁体中子探测器样机的中子信号特征,探测器阈值通常设置为70~90 mV,由上述测试结果可知,该阈值条件下Sensl与Hamamatsu SiPM暗计数率均能满足探测器需求。

    • 由第2节SiPM性能测试结果可知,Sensl SiPM与Hamamatsu SiPM均具有较好的单光子分辨能力,在合理的偏压和阈值条件下,二者暗计数率均可以满足探测器需求,且Sensl SiPM相对于Hamamatsu SiPM具有更高的增益。为进一步考察Sensl与Hamamatsu SiPM应用于闪烁体探测器的实际性能表现,利用CSNS探测器课题组自主设计的闪烁体探测器工程样机,分别测试了Sensl与Hamamatsu SiPM作为光电转换器件时闪烁体探测器的热中子探测效率。闪烁体探测器工程样机结构如图11所示,其主要由6LiF/ZnS(Ag)闪烁屏、WLSF阵列、光电转换器件以及后端读出电子学组成。为提高探测效率,闪烁屏切割为独立像素(像素大小3 mm × 100 mm),并倾斜73° (闪烁屏与水平面夹角)形成斜入射的百叶窗结构。入射中子与6LiF/ZnS(Ag)闪烁屏中的6Li反应产生次级带电粒子,次级粒子在ZnS(Ag)闪烁体中沉积能量产生蓝光光子,WSLF阵列将各闪烁屏像素产生的光子吸收重发射并传输至后端光电转换器件产生电脉冲信号,经电子学放大、整形及甄别处理后,得到入射粒子位置与时间信息。

      图  11  闪烁体探测器工程样机结构图与实物图(在线彩图)

      利用CSNS提供的慢化准直脉冲中子束,在CSNS BL09中子束线上,分别测试了使用Sensl与Hamamatsu SiPM时(Vover= 5 V, Threshold= 70 mV),闪烁体探测器相对3He管探测器(LND 252299,气压20.2×105 Pa,直径1英寸)的热中子探测效率。CSNS BL09出口处中子束斑直径为$\phi $20 mm,中子注量率约为106 n/cm2·s,中子波长范围0.1~10 Å。已知使用的3He管探测器对目标能量中子(波长大于1 Å)探测效率接近100%,故可以计算得到闪烁体探测器的绝对中子探测效率,测试原理及方法参考文献[18]。图12为测试得到的经锗[220]单色器单色后的中子飞行时间谱(插图为1.4 Å衍射峰的局部放大图),从图中可以看出,闪烁体探测器与3He管探测器测试得到的中子飞行时间谱基本一致,均能明显观测到1.4 与2.8 Å单色中子峰,且峰位一致性很好,证明Sensl与Hamamatsu SiPM均能使闪烁体探测器正常工作。已知实验所使用3He管探测器对1.4及2.8 Å中子的探测效率为接近100%,计算得到Sensl与Hamamatsu SiPM作为光电转换器件时闪烁体探测器对2.8 Å中子的探测效率分别为76%和68%,对1.4 Å中子的探测效率分别为59%和47%。

      图  12  3He管探测器及闪烁体探测器测得中子飞行时间谱(在线彩图)

      对比测试结果可以看出,使用Sensl SiPM作为光电转换器件时,闪烁体探测器热中子探测效率高于使用Hamamatsu SiPM时的探测效率,由2.2节增益测试结果可知,Sensl SiPM在相同Vover条件下的增益明显高于Hamamatsu SiPM,这可能是造成使用Sensl SiPM作为光电转换器件时,闪烁体探测器探测效率稍高的主要原因。

    • 本文针对用于CSNS工程材料衍射谱仪的闪烁体中子位置灵敏探测器对高性能SiPM阵列的需求,开展了SiPM主要性能参数研究。结合探测器设计需求,选取了Sensl MicroFJ-30035-TSV和Hamamatsu S13363-3050NE-16两种型号的3 mm × 3 mm SiPM,测试并比较了其击穿电压、增益、暗计数率等性能参数,研究了SiPM增益与温度变化关系及温度补偿系数。测试结果显示,Sensl与Hamamatsu SiPM击穿电压分别为24.5和52.0 V,建议工作偏压范围为25.5~30.5 V和53.0~58.0 V,两者均有较好的单光子分辨能力。相同过偏压同条件下,Sensl SiPM增益高于Hamamatsu SiPM增益,当过偏压为4.5 V时,二者增益分别为7.45×106和5.12×106 (T= 21.5 ºC)。Sensl与Hamamatsu SiPM增益随温度均呈线性下降趋势,且Hamamatsu SiPM增益对温度更敏感,二者温度补偿系数分别为22.0和53.6 mV/ ºC,为后续SiPM温度补偿电路设计提高了重要参考。在过偏压为5 V,阈值大于70 mV条件下,Sensl与Hamamatsu SiPM暗计数率均低于1Hz,满足CSNS工程材料衍射谱仪的闪烁体探测器需求。

      在CSNS的BL09慢化准直中子束线上开展了基于2种SiPM读出的闪烁体探测器工程样机探测效率测试。测试结果显示,使用Sensl SiPM时闪烁体探测器探测效率高于Hamamatsu SiPM,对2.8和1.4 Å中子的探测效率分别为76%和59%。基于上述测试结果,确定了Sensl MicroFJ-30035-TSV SiPM作为CSNS工程材料衍射谱仪大面积闪烁体探测器阵列的光电转换器件,同时也为其他基于SiPM读出的探测器的SiPM选型提供了参考。

参考文献 (18)

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