硅光电二极管伽马射线探测器

研究与设计基于硅光电二极管的伽马射线探测器，对硅光电二极管的伽马探测器进行了简单建模，制作了样机实物，并对样机进行简单测试。

关键词

光电二极管伽马射线探测器

该研究与设计为本人自主完成，现将内容发布到科创论坛为科研爱者提供参考。

硅光电二极管是可用于探测伽马射线的探测器件中最便宜的一种，理论上可以实现低分辨率的能谱探测，但因其原本设计并不是用来探测伽马射线，在实际应用中需要特殊的偏压结构与灵敏的信号提取电路才能从噪声中提取出核脉冲信号。本文将使用硅光电二极管实现伽马射线的探测，并提取核脉冲信号。

1 .探测电路框架结构

基于硅光电二极管的伽马射线探测电路主要包括反偏电路和信号提取与处理电路两个主要模块。伽马射线传感部分主要有两种方案：1、使用闪烁体将射线转换成可见光，再利用硅光电二极管将微光转换成电信号。2、直接探测，让射线直接进入硅光电二极管耗尽层产生电信号。信号提取电路输入端均使用JFET运放进行提取处理，以获得有用的核脉冲信号。

方案一设计较为复杂，设计架构可拓展性更强，其反偏电压可在2.5V-30V之间调节，通过修改电路参数可以适配硅光电倍增管（SiPM）器件。方案二在模型仿真的指导下通过器件选型优化可获得较好的输出脉冲波形，在经过大量的实验后伽马射线探测器成本可降至60元以内。

2.硅光电二极管电路建模

硅光电二极管反偏模式如图2所示，其中二极管以反向偏置接入电路，由电源VCC为其提供反偏电压；电阻RA为限流电阻防止二极管击穿，同时防止二极管产生的信号进入电源发生衰减；C1为隔直电容，用于提取二极管上的核脉冲信号；RL为输出负载电阻。

在测量时，需要使用铝箔对光电二极管做避光处理，通过多次测量后取平均值的方法得到实际测量值。

二极管两端的反偏电压测量需要利用示波器的触发模式采集，在示波器探头接触光电二极管两端的瞬间其电压值就会下降。这个现象的原因是示波器探头的输入阻抗相比光电二极管要小得多，通常示波器的输入阻抗为1MΩ-10MΩ，但探测器的内阻通常为GΩ单位 [3]。
在反向偏压下的结电容Ct可通过测量C1开路端对地的电容得出。因为C1的容值远大于Ct的容值，此时测试的电容量可以近似的看做Ct的容值[4]。

在估算时可以对暗电流与内阻进行简单化简。在静态模式下考虑温度等变量时，暗电流恒流源会发生变化，而内电阻会随信号传输过程中分压的变化而变化。在实际推导过程中发现，结电容Ct的大小对输出信号幅值影响相当大，而内电阻与恒流源对输出信号幅值的影响相对较小。在温度和偏置电压均恒定不变时，可将暗电流现象用内电阻电流简化处理，以降低建模难度。