基于PIN光電二極管的個人輻射探測器研制

鐘華強，駱志平，劉森林，張瑞煥，巫果平

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.廣州蘭泰勝輻射防護科技有限公司，廣東 廣州 510665)

一系列放射性事故使公眾對輻射安全愈發關注，但信息公開不足和公眾宣傳缺失導致公眾對核能和核技術應用的認知存在偏差，進而產生“恐核”心理，對涉核項目的立項和建設進行抵制。減少和消除公眾的核恐懼陰影是核能及核技術發展的必經之路，而公眾了解自身所處環境的輻射水平將是當前消除公眾對核恐懼心理、避免鄰避效應、推進核能和核技術發展最為有效的辦法之一[1]。當前市面上的環境輻射探測器普遍體積較大、價格貴、操作復雜，不適合普通公眾自行開展環境輻射探測，而現有的便攜式輻射探測器又少有聯網并分享數據的功能。隨著半導體技術的發展，部分商用光電二極管的性能已能滿足用于輻射探測的要求。為此，本文研制低成本、攜帶方便、實時監測的環境輻射探測器，用以滿足公眾自行探測周邊環境輻射水平的需求，從而有效消除公眾的恐核心理。

1 PIN探測器

本文研制的探測器需滿足體積小、成本低、易組網、穩定可靠等需求。探測系統的總體設計方案為基于廉價的商用PIN光電二極管器件研制便攜式輻射探測器；基于智能終端通過無線通信的方式實現對探測器的控制。

1.1 PIN探測X/γ射線的研究

在非核輻射測量方面，以光導模式工作的結型光伏型探測器稱為光電二極管。光電二極管均具有1個PN結，在微弱、快速光信號探測方面有著重要的應用。在P區和N區之間引入本征層(I層)可制成PIN光電二極管。本征層有低摻雜、高電阻的特性。引入本征層后，PIN的耗盡層厚度增大，靈敏體積增大，對入射粒子或光子的能量沉積能力大幅增強。因此，PIN可直接用于探測電離輻射。用于電離輻射探測時，PIN光電二極管具有平均電離能低、能量分辨率高、脈沖上升時間短等優勢；但同時也存在溫度效應、輻照效應、信號輸出小等劣勢。其中，溫度效應和輻照效應作為半導體器件固有特性，當前還沒有較好的解決方案，但硅半導體器件的輻照效應并不明顯[2]。對于信號輸出小的問題，一般均通過改變靈敏體積，提高探測效率來解決，但這樣會增加探測器的噪聲。PIN探測器的噪聲主要來自靈敏區內復合和俘獲中心由于本征熱激發產生的載流子形成的反向電流(復合電流)。該部分電流為I復合：

(1)

式中：q為靈敏體積內本征載流子數；ni為本征載流子濃度；τ為少數載流子壽命；d為靈敏區厚度；s為靈敏區面積。

可見，I復合與靈敏體積內本征載流子數呈正比，而本征載流子數等于載流子濃度與靈敏體積的乘積。因此靈敏區厚度越大，面積越大，則反向電流越大，噪聲越大[3]。PIN光電二極管的靈敏區是探測電離輻射的關鍵，靈敏區的體積變化將直接影響探測器的各項主要參數，包括反向電流、能量分辨、探測效率等。γ射線與PIN光電二極管靈敏區相互作用后的探測效率可由式(2)粗略計算得到。

η=1-N/N0=1-e-μd

(2)

式中：η為探測效率；N0和N分別為穿過靈敏區前、后的光子數；μ為X/γ射線在該靈敏區中的衰減系數。但由于康普頓散射引起多重效應，改變了探測器輸出信號，使得實際情況與理論計算有較大偏差。通過實驗測量或蒙特卡羅(MC)法計算可得到探測器的探測效率。本文采用MC法研究了不同靈敏區厚度對不同能量的γ射線的探測效率。

1.2 探測器效率的數值分析

MC法模擬計算采用Geant4軟件包。為減少其他因素的影響，本文采用簡化的計算模型(圖1)。圖1中灰色部分為PIN探測器的耗盡層(即為靈敏區厚度)，材料為單質硅。直線為入射γ光子路徑，方向垂直于PIN探測器入射。

圖1 Geant4模擬計算PIN探測γ輻射的模型Fig.1 Geometry structure of PIN detecting γ radiation by Geant4

γ光子源面積與探測器大小相同，能量在0.06～2 MeV范圍內選取。耗盡層厚度在商用晶圓厚度范圍(30～1 000 μm)內選取。經模擬計算后，不同耗盡層厚度時探測效率隨光子能量的變化如圖2所示。

由圖2可知，在PIN靈敏體積固定的情況下(探測器的入射面積和I層厚度固定)，探測器的探測效率隨入射光子能量的增大而減小。在光子能量較低時，因為光電吸收截面較大，探測效率顯著高于其他能量。設定能量閾值后，不同能量射線探測效率下降的幅度并不一致，在100～200 keV的能量范圍內，由于康普頓散射效應，數值計算結果出現峰谷低值。因此，為獲得更好的能量響應和信噪比，PIN耗盡層厚度越大越好。但如果只是探測低能γ射線，則可選擇較薄的耗盡層厚度，從而可消除高能射線和暗電流的影響。

圖2 不同耗盡層厚度時探測效率隨光子能量的變化Fig.2 Detection efficiency vs photon energy at different intrinsic thicknesses

2 硬件設計

本文首先選取合適的光電二極管作為探測射線的元件，然后根據選定的光電二極管的響應特性等，設計核電子學測量系統，實現探測信號的有效檢出。

2.1 元器件選擇

選擇探測元器件時，為達到低成本，首先需考慮的是該器件必須是商業上廣泛應用且易獲得的;然后考慮器件的物理特性，包括波長響應范圍、響應度、量子效率、響應速度、線性飽和、反向擊穿電壓和暗電流等。除考慮上述物理特性外，還需考慮器件的穩定性、結電容、偏置電壓和功耗等[4]。PIN型光電二極管作為光電轉換器件，已有配合閃爍體做成輻射探測設備的先例[5-7]。近年來，國內外也開展了一些直接利用PIN光電二極管進行輻射探測的研究。Oliveira等[8]開展的光電二極管作為直接輻射探測器件的性能對比研究表明，BPW34的重復性和再現性最好(相對偏差<1.6%)，對輻射的敏感度最高，最適合做輻射監測器件。因此，本文采用BPW34作為探測元器件。

2.2 總體架構

硬件電路設計主要包括探測和控制兩部分，實現的主要功能分別是對γ輻射的可靠測量和與智能手機的交互。功能電路的總體架構如圖3所示。電路主要包括探測模塊、人機交互模塊、電源模塊及控制器模塊。控制器SoC采用Texas Instrument生產的CC2640處理器，探測模塊為自主封裝的獨立模塊Raycore。電源模塊包括鋰電池和電源調理電路，為各模塊工作提供需要的電源。人機交互模塊包括LED指示燈、開關、USB接口和藍牙天線。

圖3 功能電路的總體架構Fig.3 Overall architecture of functional circuit

2.3 探測模塊設計

探測模塊的硬件設計目標是放大PIN光電二極管探測γ射線后輸出的微弱探測信號。γ射線在PIN探測器中會產生電荷脈沖。為獲得線性放大的輸出信號，該電荷脈沖經電荷靈敏放大電路后轉換為正比于入射γ射線強度的一級放大電壓脈沖[9]。電壓脈沖經次級電壓放大電路進一步放大后，通過幅度甄別轉換為數字邏輯脈沖并經單穩態觸發送入控制器模塊，從而實現脈沖信號的采集。為提高測量精確度，達到更高的信噪比，本文的探測模塊電路設計經多次試驗改進增強了對信號和噪聲的甄別，分別對次級放大器輸出的上閾和下閾進行比較，濾除振動等引入的噪聲，防止誤計數。探測信號輸出電路如圖4所示。

圖4 信號輸出電路Fig.4 Detection signal output circuit

PIN光電二極管是光敏器件，為降低相互串擾，本文對探測元器件及放大電路進行了獨立模塊設計，并將其封裝。為保證探測模塊的可靠性，設計時還考慮了電路板印刷制版的設計、電磁屏蔽、避光、防震、防潮。另外，為滿足便攜的需求，本文對電路采取了集成化設計。最終的設計方案是電磁屏蔽采用銅箔包封和外加金屬殼封裝；避光工藝采用環氧樹脂密封，在避光的同時避免發生磨損和劣化；防潮采用電路清潔烘干后浸蠟。

封裝后的探測模塊從放大器輸出端、單穩態輸出端分別引出測試點，引出地線用于屏蔽接地，留+5 V電源接口。整個設計結構緊湊，地線設計布置相對合理，適當屏蔽后得到更低的噪聲。探測模塊的幾何結構如圖5所示。郵票孔開孔直徑1 mm，焊盤直徑2 mm，在郵票孔相對位置開窗以供焊接固定。各引腳及測試點的定義列于表1。

2.4 控制器設計

控制器采用TI生產的CC2640F128芯片。該芯片是專門針對藍牙智能應用的超低功耗無線MCU，內含1個32位ARM Cortex-M3內核和1個超低功耗傳感器控制器。該芯片具有極低的有源RF、MCU電流及低功耗模式流耗，可確保電池使用壽命長，滿足本文研制的探測設備所需的低功耗、小尺寸要求[10]。控制器的設計實現了設備與智能手機間的交互和控制功能。嵌入式程序實現的功能包括：1) 探測信號的檢測及劑量率計算；2) 數據存儲功能；3) 電量檢測、溫度讀取功能；4) 空中升級功能。通過空中升級可便捷地對探測設備進行bug修復和功能升級。

圖5 探測模塊的幾何結構Fig.5 Geometric structure of detector module

表1 探測模塊引腳定義
Table 1 Pin definition of detector module

管腳功能描述電平范圍PIN0底層鋪地開窗,用于固定探測器GNDPIN1地GNDPIN2地GNDPIN3電源輸入5.5～12 VPIN4射線信號,5 V偏置上的負脈沖-5～0 VPIN5干擾信號,0 V偏置上的正脈沖0～5 V

3 智能終端APP的開發

智能手機端的APP是用戶與設備的關鍵交互平臺。APP需能與探測設備建立藍牙連接、控制探測設備、對探測結果進行預處理、對探測數據可視化、與云端服務器進行通信等。本文開發的APP具有友好的人機交互系統，可實時顯示空氣吸收劑量率，并能融合地圖信息顯示輻射探測值，還可以個人用戶登錄實現數據共享、累積劑量統計等。IOS版本APP在Xcode環境下采用Objective-C語言開發。

4 性能測試

4.1 劑量率響應

圖6 計數率與劑量率的擬合曲線Fig.6 Fitting curve of counting rate and dose rate

PIN光電二極管探測器輸出的是脈沖計數，該脈沖計數與輻射劑量呈正比。本文通過已知輻射場刻度，擬合得到脈沖計數與劑量率的轉換關系。參考輻射場是采用標準的137Cs放射源，根據距離修正得到不同劑量率的標準輻射場。設備的探測數值取多次測量的平均值。對測量數據進行二項式擬合(未計入最后1個數據點)的結果如圖6所示。由圖6可知，當劑量率小于6 mGy/h時，劑量率響應線性較好。當劑量率達到9.9 mGy/h時，設備的劑量率響應相比384 μGy/h條件下，降低50%左右。因此，推算探測設備的探測上限約為6 mGy/h。

4.2 能量響應

能量響應是輻射探測設備的重要性能參數。能量響應特性主要取決于PIN光電二極管的原始響應特性，同時又與探測電路的響應、信噪比、閾值等特性有關。本文能量響應的測試實驗使用X光機和137Cs、60Co產生的標準輻射場，校準后的劑量率和能量響應測試結果列于表2。

表2 校準后的劑量率和能量響應測試結果Table 2 Dose rate and energy response test result after calibration

圖7 探測器能量響應曲線Fig.7 Detector energy response curve

探測設備的能量響應變化如圖7所示。對比常用的高氣壓電離室GE-Reuter Stokes RSS131輻射監測儀的能量響應，本探測設備的能量響應變化趨勢與其相似。圖7中，100 keV左右響應值最高，50 keV左右射線響應明顯不足。理想情況下，探測器的單個脈沖計數應對應于1個單位的照射量，而與入射光子的能量無關。但實際情況下探測器響應會隨能量變化，本文的數值計算結果也驗證了這一點。為消除或抑制這種變化，可通過增加金屬濾片的方式實現能量補償[11]。

4.3 溫度特性

PIN光電二極管探測器的性能通常會受到溫度的影響，暗電流也會隨溫度變化而變化。因此，本文對探測器的溫度響應也進行了測試。探測器的漏電流和噪聲均會隨溫度的增大而增大。探測設備的工作溫度上限取決于最大噪聲或探測器的反向擊穿電壓與溫度的關系。對溫度特性的測試實驗是通過調節恒溫箱的溫度，測試不同溫度下探測設備探測本底計數和241Am的結果，由此得到探測設備的失效溫度。探測設備計數率隨溫度的變化如圖8所示。由圖8可知，設備在-30～+50 ℃溫度范圍內工作良好。但隨溫度升高，本底計數率和241Am的計數率均呈增大趨勢。溫度超過53 ℃后，探測數值陡然增加，探測器可能失效。溫度較低時，探測數值穩定，同時高頻白噪聲減小。該結果與PIN光電二極管的物理特性吻合。若想在更高溫度下實現有效探測，則需進一步考慮局部降溫措施或溫度補償方法。

圖8 探測器溫度響應特性Fig.8 Detector temperature response characteristic

4.4 檢定結果

為了解設備的主要性能指標，在國防科技工業電離輻射一級計量站對本文研制的探測設備進行了校準和檢定。校準和檢定的依據規程為JJG 521—2006。主要檢定結果為：設備重復性8%(規程要求指標15%)；相對固有誤差最大值16%(測量了4個劑量水平，規程要求指標±25%)；能量響應歸一化后的范圍為0.81～0.93(規程要求0.70～1.30)。各項指標均符合國家規程的要求。

5 結論

本文研制了一款新型的智能輻射探測系統，該系統的前端探測器使用廉價的商用PIN光電二極管作探測元器件，采用手機等智能終端設備控制探測器，滿足了公眾可自行對環境輻射進行監測的需求。該系統具有成本低廉、輕便易操作、低功耗、穩定可靠等性能。探測設備的待機功耗僅約為100 μW，探測時功率約為10 mW，選用合適容量的電池作為電源時，設備可長時間工作，技術指標滿足國家規程要求。