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1.大尺寸BGO-SiPM探测器温度效应及能量分辨研究
作者：宋路洋1;苏俊1,*;张立勇1;陈俊锋2;刘峰成1;覃之巍1;盛耀德1;江信之1; 陈鑫1;林棽1;黄羿彤1;王琳1;谌阳平3;金仕纶4;卢飞5
作者单位：1.北京师范大学;2.中国科学院;3.中国原子能科学研究院;4.中国科学院;5.中国科学院
关键词：γ 探测阵列;硅光电倍增器;锗酸铋闪烁体;温度效应;击穿电压;能量分辨率
摘要：大型闪烁体 γ 探测阵列在核物理和核天体物理等领域的实验研究中发挥着重要作用。传统的光电 倍增管（PMT）体积较大，对设计带来了诸多限制，进而影响阵列的效率、紧凑性和颗粒度等关键性能指标 的提升，可采用体积更小的硅光电倍增器（SiPM）作为替代方案。然而，与 PMT 相比，SiPM 的性能对温度 的敏感性更显著，这一效应和闪烁体自身的温度效应相互叠加，进一步增加了探测器的使用复杂性。本工 作将 6cm×6cm×12cm 的大尺寸锗酸铋（BGO）闪烁体和 8×8 通道的 SiPM 阵列耦合形成 BGO-SiPM 探测器， 并对其在不同温度下的工作条件进行了测试，确定了其最佳工作电压，得到了最佳能量分辨率。同时，还 采用 PMT 对同一 BGO 闪烁体进行读出（BGO-PMT 探测器）并在相同温度下进行了对比测量。实验结果显 示，当温度高于 20℃ 时，SiPM 迅速上升的暗电流会导致探测器能量分辨变差； 20℃ 以下，BGO-SiPM 和 BGO-PMT 探测器性能接近，但 BGO-SiPM 探测器的能量分辨率随温度降低的提升速度略优于 BGO-PMT 探测器，这主要归因于 SiPM 暗电流随温度降低而减小。此外，本工作还研究了 20℃ 附近 BGO-SiPM 探测 器峰道址随温度的变化关系。研究表明，大尺寸 BGO-SiPM 探测器性能相较 BGO-PMT 探测器具有一定的 优势，但峰道址的温度敏感性更强，为 SiPM 在 BGO 探测阵列的应用提供重要参考。
在稀有伽马事件探测和复杂级联伽马探测实 验中，伽马探测效率的不足一直是实验技术限制 之一。闪烁体阵列显著提升了伽马全能峰探测效 率，为解决这一问题提供了有效途径，逐渐成为核 物理及核天体物理实验研究中的关键技术。近年 来，闪烁体阵列的设计和研发正向高效率、高分 辨、高颗粒度以及模块化方向发展，如基于 NaI（Tl） 闪烁体发展的 SuN[1]、MTAS [2]、DTAS [3]、HECTOR [4] 等，以及基于锗酸铋（BGO）闪烁体发展的 LUNA-BGO[5]、JUNA-BGO[6]。和 NaI（Tl）相比， BGO 闪烁体具有更高的伽马衰减能力，在提高探 测效率和颗粒度方面具有更大的优势，因此北京 师范大学联合中国科学院近代物理研究所、中国 原子能科学研究院、中国科学院上海高等研究院 和中国科学院上海硅酸盐研究所，采用 BGO 闪烁 体设计研发了新型大规模模块化 BGO 闪烁体阵 列（ large-scalemodularBGOdetectionarray， LAMBDA） [7]。
和大部分探测阵列相同，目前 LAMBDA 仍采 用传统光电倍增管（PMT）作为光电转换器件对信号进行读出。然而，PMT 及其分压电路尺寸较大 （长度通常在 20cm 左右），显著增大了探测阵列 的体积，从而带来了一系列问题，如需更大的屏蔽 装置和安装空间等。更重要的是，因为 PMT 占用 的体积会使得相邻探测单元之间的距离过大，阵 列设计时无法沿 PMT 方向堆叠探测单元，从而限 制了阵列的组装方式及其紧凑性。作为一种新型 的光电转换器件，硅光电倍增器[8] （SiPM）相较于 PMT，具有尺寸小、工作电压低、不受磁场干扰等 优点，目前正逐步应用于粒子物理核物理[9]、核医 学[10] 和激光雷达[11] 等领域。若采用 SiPM 替代 PMT 作为 BGO 闪烁体的读出器件，可有效解决上 述问题，进一步优化 LAMBDA 阵列的性能和使用 灵活度。为便于后续描述，本文将 BGO 闪烁体耦 合 SiPM 命名为 BGO-SiPM 探测器，耦合 PMT 命 名为 BGO-PMT 探测器。
近年，已有一系列的工作对 BGO-SiPM 探测 器的性能进行了研究。2011 年，Grodzicka 等[12] 利 用 5mm×5mm×5mm 的 BGO 闪烁体，分别耦合 Hamamatsu 的 2×2 通道 MPPC 阵列（多像素光子 计数器，即 SiPM）和 PMT 并进行了对比测量，得 到的 BGO-SiPM 探测器在 662keV 处的能量分辨 率为 10.1%，优于 BGO-PMT 探测器的 10.4%。 2017 年，Grodzicka-Kobylka 等[13] 将 12mm×12mm× 12mm 的 BGO 闪烁体分别耦合 Hamamatsu 的 4×4 通道和 8×8 通道的 MPPC 阵列，得到的 BGOSiPM 探测器对 662keV 的能量分辨率分别为 8.8% 和 8.9%，均优于 BGO-PMT 探测器的 10.0%。 以上结果表明，SiPM 在小尺寸 BGO 闪烁体的读 出应用中，能量分辨率优于 BGO-PMT 探测器的 水平。但目前 SiPM 在大尺寸 BGO 闪烁体读出应 用上的研究较少，Szczesniak 等[14] 利用 Hamamatsu 的 16×16 通道 MPPC 阵列配合 3in 的 BGO 闪烁 体使用，测得的能量分辨率为 13.41%，差于 BGOPMT 探测器测得的 10.78%。因此大尺寸 BGO 闪 烁体和 SiPM 配合使用的性能还有待进一步研究 和提升。
需指出，和 PMT 不同，SiPM 的击穿电压和噪 声水平等性能参数受温度变化影响较大[15]。一般， 温度升高会导致 SiPM 击穿电压提高、噪声增大； 反之，温度降低会使得 SiPM 击穿电压降低、噪声 减小。这一特性导致 SiPM 在使用过程中一般需 进行恒温或采取温度补偿措施，保持探测器处于 稳定工作状态[16-17]。另一方面，BGO 闪烁体也具 有较强的温度效应，其光产额会随温度的降低而 提高[18-20]。因此，在 BGO-SiPM 探测器使用过程 中，以上两方面的温度效应叠加会导致探测器的 工作参数选择更复杂，需进行深入系统研究。目 前，LAMBDA 阵列主要在实验室常温（20℃）下工 作，但鉴于 JUNA-BGO 研制[6] 中发现低温条件下 能量分辨率更佳，也计划为 LAMBDA 阵列研制低 温恒温系统。由于采用的 SiPM 工作温度最低为 −40℃，因此本工作主要针对 BGO-SiPM 在−40～ 20℃ 区间的性能进行优化测试。
本工作将大尺寸 BGO 闪烁体和 SiPM 阵列耦 合组成 BGO-SiPM 探测器，将其置于低温恒温系 统中，通过改变温度对 BGO-SiPM 探测器的温度 效应进行研究，得到 SiPM 在不同温度下的最佳工 作条件，并利用137Cs 标准 γ 源对其能量分辨率进 行测量。另外，采用同一 BGO 闪烁体组装 BGOPMT 探测器，在相同温度下进行测量，并将结果 和 BGO-SiPM 探测器进行比较。
1 实验设置
本研究采用的 BGO 闪烁体为 6cm×6cm× 12cm 的长方体，尺寸和 LAMBDA 阵列模块一 致，由中国科学院上海硅酸盐研究所制备。BGO 闪烁体采用 6cm×6cm的端面进行光读出，面积 较大，因此 SiPM 选用 SensL 公司生产的 8×8 通道 阵列，型号为 ARRAYJ-60035，该型号共有 64 个 SiPM 单元，每个 SiPM 单元尺寸为 6.13mm× 6.13mm，微单元填充因子为 75%。阵列总尺寸达到 50.44mm×50.44mm，可实现 BGO 读出端面的 69% 覆盖率，较 2inPMT 的覆盖率 56% 更高。SiPM 阵列中每个 SiPM 单元均提供快读出和标准读出 两个信号接口，共计 128 路信号输出。鉴于在大 尺寸闪烁体测量中，通常只关注整个闪烁体沉积 的 γ 射线能量，为简化电子学系统，本工作对 SiPM 阵列的 64 路标准输出进行加和处理，最终引出一 路能量信号。另外，偏压采用负偏压设置，通过 64 个单元的公用输出加电压。 在探测器的装配过程中，采用 LAMBDA 阵列 研制优化过的方案[7]，包括除与光电转换器件耦 合的 6cm×6cm 端面经过抛光处理外，其余 5 个面均进行磨砂处理，以提高光收集效率。此外， BGO 闪烁体表面（除耦合区域外）包覆了一层由 3M 公司生产的 65μm 厚 ESR 镜面反射膜，进一步 增强光收集效率。BGO 闪烁体与光电转换器的 耦合采用了 EJ 公司生产的 EJ-550 硅脂，减小闪烁 光在读出界面的全反射。
由于 BGO 晶体尺寸较大，利用简单的制冷模 式较难实现对 BGO 温度的精确调控，为对 BGOSiPM 的温度效应进行精细研究，本工作采用内封 闭式低温恒温系统，具体实验设置如图 1 所示，主 要由内封闭式低温恒温系统、探测器、高压电源、 获取系统、放射源等部分构成。内封闭式低温恒 温系统的恒温腔尺寸为 50cm×50cm×60cm，可在 −70～150℃ 范围内调节，温度的设定及显示精度 为 0.1℃，温度稳定性为±0.1℃。
由于 SiPM 的增益受工作电压影响较大，为确 保 SiPM 阵列工作稳定，需采用高精度的电压模块 进行供电，本工作中 SiPM 所需的电压由 ISEG 公 司的 EHS-84-01n 高精度低压模块提供，其电压纹 波为 1mV。PMT 所需的高压由 ISEG 公司的 EHS-F0-60p 模块提供，其电压纹波为 3mV。获取 系统使用了 XIA 公司的 Pixel-16 采集卡以及 GDDAQ 软件[21]，采集卡的采用频率为 100MHz， 精度为 14bit，能对探测器信号进行数字化处理， 并采用 FPGA 内置的梯形算法获取能量信息。放射 源采用137Cs 标准 γ 源，特征 γ 射线能量为 662keV， 活度约为 9000Bq。
实验时将探测器和放射源均置于低温恒温系 统内部，高压供电和获取系统置于外部。低温腔 室整体密封避光，探测器到外部的高压和信号线 在穿过低温腔室体壁时进行密封，防止空气对流 造成探测器结霜和内部温度变化。137Cs 源和 BGO 闪烁体的距离约 10cm，避免计数率过高引起信号 堆积。为保证对比测试精度，整个测试过程中放 射源和探测器相对位置保持不变。在常温下对探 测器进行降噪等措施优化处理后，改变低温恒温 系统的温度设置，对不同温度下的探测器性能进 行测试研究。
测试过程中发现由于 BGO 闪烁体的体积较 大，导热性能不佳，闪烁体整体温度达到均衡需要 一定时间。为分析这一条件，将低温恒温系统的 温度从常温升高至 40℃ 后，长时间监测 BGO 探 测器测量的137Cs 的 γ 能谱，记录 662keV 特征峰 的峰道址变化。发现 4h 后 662keV 特征峰的道 址稳定不变，证明 BGO 闪烁体的内部温度达到均 衡。基于此结果，在测试中每次温度调节不超过 10℃，温度达到后保持恒温 4h 后再进行测量。 本次实验的测量温度范围为−40～40℃，间隔 10℃ 递减，共进行 9 个温度点的测量。在每个温度点 改变 SiPM 的工作电压后测量137Cs 的 γ 能谱，通过 比较能量分辨率来优化 BGO-SiPM 探测器的工作 电压参数。
此外，为对 BGO-SiPM 探测器中 SiPM 的温度 效应贡献，采用同一晶体和 PMT 组装的 BGO-PMT 探测器进行对照测量，PMT 采用北京滨松公司生 产 的 CR173 型号。
2 实验结果与讨论
2.1 不同温度下 SiPM 的击穿电压
SiPM 的性能指标和所加载的过电压相关，过 电 压 即 工 作 电 压 和 击 穿 电 压 的 差 值 。 一 般 ， SiPM 的击穿电压随温度降低而降低，从而影响最 佳工作电压的选择。另一方面，SiPM 有过电压限 值，也需了解其不同温度下的击穿电压。本工作 采用 64 个 SiPM 单元并联加电压方式，因此只能 通过测量总暗电流和工作电压的关系研究 SiPM 阵列的击穿电压，会受到 SiPM 单元不均匀性的一 定影响。测量时对 SiPM 阵列进行避光处理，避免 光子入射引起暗电流的变化，暗电流和电压的数 值均从 ISEG 的电源控制系统中读取。图 2 示出 了 40℃ 和 20℃ 条件下暗电流随工作电压的变 化。可看出，在工作电压较低时，SiPM 的暗电流 随电压缓慢增加，当工作电压超过某特定值时，暗 电流迅速上升。这一现象是电压达击穿电压后，开始产生雪崩效应导致。因此，通过对击穿前后 的趋势进行拟合并求其交点，即可得到不同温度 下的击穿电压。
图 3 示出了 SiPM 阵列击穿电压随温度的变 化关系。可看出，击穿电压和温度之间有较好的 线性关系，对其进行线性拟合后得到击穿电压的 温度变化系数为 21.0mV/℃。该变化系数与 SiPM 产品手册给出的典型值 21.5mV/℃[22] 基本 一致。得到各温度下的击穿电压数据后，即可对 最佳工作电压进行优化测试。
另外，从图 2 还可看出，20℃ 下 SiPM 整体暗 电流明显低于 40℃ 下的结果，说明 SiPM 暗电流 随温度降低而减小。图 4 示出了不同过电压下 SiPM 阵列的暗电流随温度的变化。可看出，在同 一温度下，SiPM 的暗电流随过电压的提高而增 大；在相同过电压下，暗电流随温度的升高而增大 ，且在 0℃ 以上增速变大。
2.2 工作电压的优化
即使在同一温度下，不同的过电压下 SiPM 的 光子探测效率（PDE）和暗电流均不同，造成 BGOSiPM 探测器的能量分辨发生变化。为对 SiPM 的 工作条件进行优化，得到最佳能量分辨率下的过 电压参数，对各温度下的探测器能量分辨和过电 压之间的关系进行研究。能量分辨率是通过对 137Cs 的 662keV 特征峰进行高斯拟合得到的，结 果如图 5 所示。
以−40℃ 和 10℃ 温度点的测量为例，图 6 示 出了 BGO-SiPM 探测器在不同过电压下的能量分 辨率。可看出，能量分辨率随过电压的变化整体 呈现中间低、两边高的趋势。分析其原因，SiPM 的 PDE、暗电流、串扰、后脉冲均随过电压的提升 而增大。当过电压较低时，暗电流、串扰、后脉冲 较少，对能量分辨率的贡献有限，因此 PDE 增大带来的统计增强效应占优势，使得能量分辨率提 升。但当过电压继续上升时，虽然 PDE 的提高仍 在改进统计效应，但暗电流、串扰、后脉冲快速增 大后，它们对能量分辨率的贡献变得不可忽略，总 体造成能量分辨率反而略微变差。通过对图 6 显 示的数据及其他温度下的数据进行拟合分析，找 到每个温度下的最佳过电压参数。
2.3 不同温度下 BGO-SiPM 探测器的最佳能量 分辨率测量
采用最佳过电压参数，在各温度下利用 BGOSiPM 探测器对137Cs 源进行测量，得到其最佳能量 分辨率，结果如图 7 所示，可看出，随着温度的降 低能量分辨率显著提升。这一方面由 SiPM 的性 能提升所致，更重要的原因是 BGO 自身的光产额 增加而带来的统计提升效应[ 1 9 ]。为更好探讨 SiPM 在其中的贡献，采用 PMT 读出进行对照测 试。为确保条件一致，BGO-PMT 和 BGO-SiPM 探 测器采用同一块 BGO 闪烁体，在相同的温度条件 下进行测量。BGO-PMT 探测器的测量结果也显 示在图 7 中，和 BGO-SiPM 探测器的能量分辨率 进行对比。
从图 7 可看出，与 BGO-PMT 探测器相比， BGO-SiPM 探测器的能量分辨率受温度变化的影 响更大。在−40～40℃，BGO-SiPM 探测器的绝对 变化幅度为 8.4%，远大于 BGO-PMT 探测器的 4.4%。在 20℃ 以上，BGO-SiPM 探测器的能量分 辨 率 迅 速 变 差 ， 主 要 原 因 是 在 该 温 度 区 间 内 SiPM 的暗电流随温度的上升快速提高（图 4），导致 BGO-SiPM 探测器信噪比下降。在−40～20℃， 二者能量分辨率差别较小，但随温度下降，BGOSiPM 探测器的能量分辨率的提升速度略优于 BGO-PMT 探测器的，到−20℃ 及以下时，BGOSiPM 探测器的能量分辨率超过 BGO-PMT 探测 器。例如，在−20℃ 时，BGO-SiPM 探测器实现了 （8.2±0.1）% 的能量分辨率，优于 PMT 的能量分辨 率（8.7±0.1）%。说明除去 BGO 闪烁体自身的温度 特性，SiPM 的温度效应，如暗电流随温度下降而 降低等，也对探测器能量分辨率的提升起到了一 定作用。因此，在低温条件下，使用 SiPM 替代 PMT 作为 BGO 闪烁体的光电读出器件可实现更 优 的探测性能。
2.4 BGO-SiPM 探测器的峰道址温漂效应
在实际的应用中，由于 BGO 光产额的温度效 应，温度漂移会导致 γ 峰位的漂移[20]，从而对长时 间的实验测量造成影响，并导致能量分辨率下 降。如前文所述，SiPM 的击穿电压随温度的上升 而增大，如果使用时保持工作电压不变，则会导致 过电压降低，从而导致 SiPM 的增益下降。SiPM 增益和 BGO 光产额的温度效应正向叠加，进一步 加剧 BGO-SiPM 探测器的峰道址温漂效应。为探 讨这一效应，在 20℃ 附近小范围改变温度，并保 持其他条件不变，对137Cs 的 662keV 特征峰的道 址进行测量，结果如图 8 所示。
由图 8 可看出，峰道址和温度之间有较好的 线性关系，对其进行线性拟合后得到在 20℃ 附 近，BGO-SiPM 探测器的温漂效应约 1.8%/℃，明 显高于 BGO-PMT 的典型值 0.016%/℃[20]。其原因在于 SiPM 显著的增益温度效应。因此在将来的 实际应用中，必须采取措施降低这一效应的影 响。可采用的措施有：1）利用恒温装置稳定探测 阵列的温度，如将温度变化控制在±0.1℃ 内，即 可将峰道址变化控制在 0.2% 以内，远小于 BGOSiPM 探测器的典型能量分辨率（10%），对探测器 性能造成的影响很小；2）加装温度反馈补偿系 统，即实时监测测量探测器温度，并根据温度变化 调整 SiPM 的工作电压，使得峰道址保持不变[16]。 调整工作电压后，会使得过电压稍微偏离当前温 度下的最佳参数，但由于能量分辨率在最佳过电 压 附近变化较小（图 6），因此影响不大。
3 结语
本工作将尺寸为 6cm×6cm×12cm 的大尺寸 BGO 闪烁体和 SensL 公司的 8×8SiPM 阵列耦合， 组成了 BGO-SiPM 探测器并对其在不同温度下的 工作条件和性能进行了测试。通过改变环境温 度，对 SiPM 阵列的击穿电压和温度的关系进行了 标定。在−40～40℃ 每隔 10℃ 对 BGO-SiPM 的 工作电压进行了优化。利用最佳工作电压，测试 了 BGO-SiPM 探测器在各个温度下的最佳能量分 辨率，并与同一闪烁体组装的 BGO-PMT 探测器 的结果进行了对比。结果表明，在 20℃ 以上， BGO-SiPM 探测器的能量分辨率较差，在−20℃ 及以下，BGO-SiPM 探测器的能量分辨率略优于 BGO-PMT 探测器。这说明在低温条件下采用 SiPM 替代 PMT 作为 BGO 闪烁体的光电转换器 件，能有效提升探测器的能量分辨率。但 SiPM 增 益的温度效应和 BGO 光产额的温度效应正向叠加，显著增强了 BGO-SiPM 探测器的峰道址温漂 效应，实际应用中必须采取措施解决。以上工作 为 SiPM 在 BGO 闪烁体阵列的应用上提供了重要 的实验数据。
