LYSO:Ce電子輻射探測器輸出響應影響因素研究

孟宗 劉浩 劉京波 王航

（燕山大學 電氣工程學院 秦皇島 066004）

在復雜惡劣的太空環境中，衛星系統應具有一定的抗輻射生存能力，目前在所有衛星故障中，空間輻射環境誘發的故障約占總故障率的40%［1］。為保障空間設備電子系統在軌運行時的穩定可靠，加強對衛星關鍵部位的環境輻射監測與抗輻射防護研究工作是非常必要的。衛星長期工作在空間輻射環境中，空間高能粒子作用于衛星殼體及內部的材料、器件上，主要產生以下輻射效應：電離總劑量效應、位移損傷效應、單粒子效應、表面充放電效應、內帶電效應［2］。其中，總劑量效應來源于輻射粒子在器件材料中沉積的能量，這會在材料當中產生電子空穴對和缺陷，并導致器件整體性能逐漸發生退化，該效應對器件的影響程度取決于材料受輻射而累積的總能量［3］。目前，常用的兩種探測器為半導體探測器和閃爍體探測器［4-7］。與半導體探測器相比，閃爍體探測器因其靈敏度高、抗電磁干擾、耐高電壓、耐腐蝕等優點，得到廣泛研究和快速發展?；谳椛渲掳l光效應，閃爍材料將高能的輻射轉化為可見光子，由光纖傳輸到光電倍增管，經光電轉換后產生電脈沖信號，從而獲得有關輻射的信息［8］。

NaI（Tl）、BGO是目前研究成果最多、應用最廣泛探測儀器晶體材料［9-11］，然而存在易潮解或衰減時間長等弊端。隨著越來越多性能優異的閃爍晶體出現，摻雜一定比例的Ce3+晶體具有較高的能量分辨率和較好的衰減時間系數［12］。陳志強等［13］對LaBr3：Ce晶體重點做晶體形狀、能量等因素對探測效率影響研究，研究分析LaBr3：Ce閃爍體的探測效率與晶體截面形狀、晶體尺寸、輻射源能量大小等因素有關，圓形截面閃爍體尺寸越大，探測效率越高；孟宗等對LYSO：Ce閃爍光纖做電子輻射傳感特性研究［14］，得出LYSO：Ce閃爍光纖輻射時間響應和劑量響應與晶體形狀等因素相關；Uozumi等［15］通過對LaBr3：Ce和LYSO：Ce進行電子輻射測試，證明兩種晶體均具有良好的輻照響應線性度，并且閃爍體的衰減時間在測量的能量范圍內大致恒定。LYSO：Ce晶體具有低熔點、低成本以及高濃度摻雜等優勢，相比LaBr3：Ce晶體，光學性能相似但不易潮解，方便保存，已在核物理及核醫學PET設備中得到了部分應用，成為最具研究價值晶體之一［16-18］。

GEO（Geostationary Earth Orbit）軌道輻射環境主要粒子種類為質子和電子［19］，粒子能譜范圍分布不同，如圖1所示，質子能量在0.01～1 MeV通量最大，大于1 MeV后通量急劇下降；電子通量在0.04～4 MeV最大。

圖1 GEO捕獲粒子能譜 (a) 質子能譜，(b) 電子能譜Fig.1 Energy spectrum of particle captured at GEO (a) Proton spectrum, (b) Electron spectrum

為保證LYSO：Ce晶體實現電子輻射劑量探測，需研究不同入射粒子源的辨識方法，排除質子入射影響，構建結構完整的輻射探測器模型。根據材料輻射屏蔽原理，屏蔽方法主要包括金屬層屏蔽、薄膜屏蔽、陶瓷材料屏蔽、包封料屏蔽、新型復合材料屏蔽等［20］。金屬層屏蔽是指屏蔽層材料由重金屬制成的封裝級屏蔽方法，如采用階梯狀屏蔽板將金屬鎢層設計在屏蔽層結構中［21］，俄羅斯設計了一種集成鎢銅合金的抗輻射陶瓷封裝體，用于太空抗輻射［22］，奧肯思北京科技有限公司在芯片封裝體設計安裝了0.3～2 mm的鉭片作為抗輻射加固材料［23］；隨著膜材料技術的發展，研究發現了僅需幾十個微米厚度的薄膜，就可以有效降低輻射劑量。上海航天設備制造總廠發明的一種抗輻射加固結構，雙馬來酞亞胺基體與鋁、鎢金屬薄膜結合，可實現平均抗輻射總劑量大于100 krad（Si）［24］；中國電子科技集團公司第十三研究所采用增強輻照屏蔽的陶瓷外殼，在上下表面增加一層氧化鋁陶瓷層，并增設起布線與輻照屏蔽作用的圖形，明顯提升空間電離總劑量的輻照屏蔽效果［25］；Featherby等［26］發明了一種由鎢粉、環氧混料和其他材料組成的屏蔽膠，可用于器件封裝抗輻射；趙鶴然等［27］通過設計優化鋁鉭復合涂層配比和結構，可在實現屏蔽空間輻射的基礎上解決“越擋越亂”問題；蔡毓龍等［28］設計了采用聚乙烯/鋁的復合屏蔽結構，與單質金屬相比屏蔽效果提升明顯。

本文通過利用Geant4仿真軟件建立LYSO：Ce晶體模型，選擇合適種類與厚度的屏蔽層篩選粒子源，與晶體組合構建輻射探測器。研究GEO軌道環境下質子、電子輻照對探測器產生光子數影響，探究探測器產生光子數與輻射劑量之間的關系，實現電子輻射總劑量探測；驗證基于LYSO：Ce晶體的輻射劑量探測器代替目前常用半導體和一些無機閃爍體探測器的可行性。

1 Geant4仿真模擬實驗

輻射劑量分析方法根據原理、使用條件和用途不同，可分為一維屏蔽分析法、幾何投影法、射線追蹤法、蒙特卡羅法、整星輻射劑量三維分析法、設備內部輻射劑量分析法等［29-31］，蒙特卡羅方法以概率統計為基礎，可以真實描述光子、電子、中子等粒子的輸運全過程［32］，可計算包括質子、電子在內的各種粒子和次級粒子輸運和相互作用，并將最終結果匯總分析。常用輻射環境分析軟件包括Shieldose、Geant4軟件［33］等，其中Geant4軟件已被用于核醫學、核物理、空間科學等方面，涵蓋了全面的物理模型，包括電磁、強子、輸運、衰變、光學、光子強子和參數化過程［34］，滿足仿真實驗要求。

1.1 模型設計

模型設計方案如圖2所示，以Geant4軟件作為仿真工具，通過C++代碼設計構建探測器模型與輻射粒子源，模型主要包括物質幾何形狀、構成元素與相關光學屬性、擺放位置；粒子源主要包括種類、動量方向、能量和發射源位置。選擇注冊物理過程，收集模型經受粒子源輻照后光子數據，分析探測器光子數與輻射劑量值關系與影響因素。

圖2 模型設計方案Fig.2 Model design scheme

探測器結構設置為圓柱體，纖芯半徑為50 μm，石英包層半徑為150 μm，長100 mm，分別設置鋁、鉭、鉛作為屏蔽層包裹于光纖外，其受輻射源照射示意圖如圖3（a）所示，當輻射源打向探頭屏蔽層，不同厚度屏蔽層會選擇性通過質子/電子，入射粒子在探測器中電離或激發過程產生的閃爍光子會在光纖內部經多次反射傳輸至后端敏感區計數。在光纖后端設置光學玻璃作為光子接收探測敏感區，用以統計接收到的光子數。圖3（b）為探測器剖面圖，探測器內芯為光纖晶體，晶體外是SiO2包層，內芯折射率1.81，大于包層折射率1.46，構成全反射必備條件之一，最外層為屏蔽層。晶體各元素質量分數如表1所示，按照表中元素組成比例構建晶體模型。

表1 LYSO:Ce質量分數Table 1 Mass fraction of LYSO:Ce

圖3 探測器模型 (a) 探測器受輻射示意圖，(b) 剖面圖Fig.3 Detector model for the simulation (a) Radiation diagram of the detector, (b) Profile map

1.2 物理過程

粒子與屏蔽層、晶體等反應過程需要考慮電磁學、光學等諸多因素，Geant4提供強大的工具包足以解決這些問題，在選擇物理過程中調用FTFP_BERT物理類并注冊光學相關的G4OpticalPhysics類，構建物理反應代碼。物理過程構建還需定義閃爍體性能參數，如光產額、快慢時間、發射光譜范圍和物質接觸面光學屬性等，將LYSO：Ce晶體光產額設置為36000個光子/MeV，快時間常數設置為41 ns，快慢響應比設置為1，發光波長420 nm，光譜范圍394～470 nm。使用G4OpticalSurface類函數設置物質接觸面邊界屬性，LYSO：Ce晶體與SiO2包層邊界類型設置為dielectric_dielectric，晶體與金屬表面邊界類型設置為dielectric_metal。

正妻。典型代表是金銓的夫人，及白夫人。正妻判詞是“外圓內方”，操持整個大家庭實屬不易，正妻都有很重的責任感，端莊而稍顯沉悶。而白夫人比金夫人卻要更高明，這也是金銓有兩個姨太太而白雄起只有一個夫人的緣故吧。

2 結果和討論

2.1 不同材料屏蔽能力分析

不同材料對同一帶電粒子抗輻射能力差別極大，抗輻射能力很強的材料包括：金屬、大多數陶瓷和惰性氣體，能力較差的包括：半導體、光學材料和聚合物（光纖、環氧樹脂等）。地面或航天器關鍵部位應對抗輻射選擇的金屬材料以鋁、鉛、鉭為主［35］，同一入射粒子，能量越大，作用深度越大，材料屏蔽所需厚度越大。

粒子射程根據研究內容不同，分為外推范圍和實際范圍，實際范圍通常用深度-劑量曲線代表［36］，本文規定以探測劑量值為0時的最大金屬層深度作為射程。根據射程經驗公式（1）估算0.04～4 MeV電子在金屬材料射程值，驗證探測器模型正確性。

此公式滿足電子能量在0.3 keV～20 MeV的最大射程計算。

L為最大射程，cm；A=5.37×10-4g·cm-2·keV-1；E為入射電子能量，keV；ρ為屏蔽層材料密度，g·cm-3；B=0.9815，C=3.123×10-3keV-1。將電子在鋁中射程的經驗值與仿真值對比，并繪出差值的絕對值曲線如圖4所示?？梢?，隨著電子能量增加，入射電子在鋁中作用深度增大，電子能量在3 MeV時的厚度最大差值僅為0.198 mm。Geant4仿真結果與經驗公式計算數據接近，圖像曲線較為吻合，相似度高，證明本研究中所建模型的有效性。

圖4 電子在鋁中射程隨能量變化趨勢Fig.4 Change trend of the electron range in aluminum as a function of energy

利用Geant4粒子發生器分別模擬發射104個電子、質子轟擊屏蔽層，比較不同材料屏蔽效果，結果如圖5所示。由圖5（a）可以看出，隨著發射電子能量增大，所需屏蔽層厚度增加；屏蔽任意能量電子，鋁所需厚度大于鉛和鉭的厚度，屏蔽效果鉭>鉛>鋁；由圖5（b）可以看出，1 MeV能量的質子穿透效果低于電子，鋁、鉛或鉭可以較好地屏蔽質子；由圖5（c）可以看出，鋁屏蔽質子所需的質量遠小于鉛和鉭。

圖5 不同金屬屏蔽輻射效果 (a) 屏蔽層厚度與能量關系，(b) 屏蔽質子所需厚度，(c) 屏蔽質子所需質量Fig.5 Radiation-shielding effect of different metals (a) The relationship between shielding layer thickness and electron energy,(b) Thickness required to shield protons, (c) Mass required to shield protons

設置AE8輻射帶模型，設定GEO軌道衛星任務周期5 a，計算總劑量與鋁的劑量-深度曲線，如圖6所示。隨著厚度增加，質子、電子在鋁中能量沉積不斷增加，當厚度大于0.001 mm后，總劑量值開始明顯下降，主要因為質子在鋁中極易被阻止，射程短，無法穿透至更深層。實驗結果證明，在考慮屏蔽效果與質量情況下，使用0.022 mm的鋁屏蔽層篩選粒子源，實現GEO軌道電子輻射劑量探測的設計方案具有可行性。

圖6 總劑量-深度曲線Fig.6 Total dose-curve for aluminum

2.2 屏蔽層厚度對劑量響應影響

輻射源粒子與鋁相互作用主要包括彈性散射、非彈性散射、激發、電離和軔致輻射等物理過程［37］，產生二次電子、光子，二次電子會進一步與材料發生反應。分別模擬輻射源照射0 mm、0.011 mm、0.022 mm厚度鋁包裹的光纖，分析屏蔽層厚度對光纖吸收劑量影響，結果如圖7所示。當屏蔽層厚度小于0.022 mm時，總劑量值由質子與電子共同作用之和產生；當屏蔽層厚度大于等于0.022 mm后，質子被完全屏蔽于晶體外，總劑量值僅由電子產生。

圖7 屏蔽層厚度與吸收劑量關系Fig.7 Relationship between shield thickness and absorbed dose

設定輻射源電子能量為1 MeV，分別入射無鋁層、0.022 mm鋁層包裹的探測器，分析輻射劑量與光子數關系，如圖8所示。

圖8 輻射劑量與光子數關系Fig.8 Relationship between radiation dose and photon number

設x為粒子對閃爍體輻射劑量值，y為產生光子數，則對有屏蔽層探測器所得光子擬合函數為：

線性擬合度Rs2=0.9997；對無屏蔽層探測器所得光子擬合函數為：

通過統計輻射源入射探測器后產生的次級電子數量和次級電子沉積的劑量發現，電子入射屏蔽層后生成的次級電子數量較少，當輻射劑量為825.893 μGy時，電子在探測器內的吸收劑量為42.973 μGy，次級電子的劑量為0.334 μGy，產生的次級電子對電子劑量探測的貢獻占比約為8‰。

計算探測器屏蔽前后輻射劑量與內芯吸收劑量關系如圖9所示，隨著輻射劑量增加，探測器吸收劑量線性增加，受屏蔽層影響，在含屏蔽層探測器內的吸收劑量值略小。設x為輻射劑量，y為吸收劑量，則無屏蔽層情況下，探測器吸收劑量與輻射劑量關系函數：

圖9 輻射劑量與吸收劑量關系Fig.9 Relationship between radiation dose and absorbed dose

對屏蔽層探測器輻射劑量關系函數：

為消除屏蔽層對電子輻射吸收劑量影響，設修正系數α，有yu=α?ys，根據探測器劑量關系函數可得yu=1.135?ys。

結果表明，探測器對輻射劑量響應呈線性關系，隨著輻射劑量增加，探測器中能量沉積增大，光子數增多，輻射響應強烈；不同屏蔽層厚度下探測器劑量響應穩定，線性擬合度高。粒子束入射到探測器時，屏蔽層可消除質子對劑量探測影響，電子穿過屏蔽層動能減少，產生的次級電子、光子會繼續與材料反應，使探測器檢測到更多光子，提高輸出響應靈敏度。

2.3 輻射源位置對光子產生影響

考慮軌道實際輻射環境中放射源距探測器距離影響，每次模擬開始時保持輻射劑量不變，調整輻射源到探測器距離從1～200 mm增加，間隔為25 mm，得到6組數據，結果如圖10所示。由圖10可知，輻射源距離分別在75 mm和150 mm左右時產生的光子數值明顯增加。原因是在GEO軌道環境中，導致電子動能降低的主要因素包括：反比平方定律、磁場和太陽風等。反比平方定律是指電場強度隨著距離源頭的平方反比減小，降低了作用在電子上的力，從而降低了動能。當輻射源與探測器距離較近時，電子速度大，能量沉積少；當輻射源與探測器距離增大后，電子傳輸距離增加，電子動能降低，電子在探測器內能量損耗增加，能量沉積增大，光子產額隨之增加，輻射劑量響應增強。

圖10 輻射源位置與光子數關系Fig.10 Relationship between radiation source position and photon number

2.4 輻射源能量對探測效率影響

除上述情況外，電子能量也是影響探測器輸出響應重要因素之一，不同能量的入射電子在物質中沉積情況不同。為探究入射電子能量對探測器探測效率影響，保持入射電子數不變，設定電子射線能量范圍為0.04～4 MeV（區間間隔為1 MeV），輻射源距探測器100 mm，數據結果如圖11所示。將圖11探測器每個能量區間內的光子輸出響應曲線斜率作為輻射響應度并做歸一化處理，用于衡量探測器不同能量范圍下的電子輻射劑量探測效率。

圖11 電子能量對探測效率影響Fig.11 Effect of electron energy on detection efficiency

由圖11可知，隨著電子能量增加，電子在閃爍體中沉積能量增大，光產額變高。探測器在0.04～1 MeV范圍內歸一化后的輻射響應度為0.46，高于實驗中的其他能量區間，這是因為較低能量區間段的電子在入射探測器時，與材料充分反應的數量多，在探測器中的能量沉積更多，探測效率更高。

探測器在不同能量段輻射環境下的光子產額與單位輻射劑量的響應系數如圖12所示，當能量為1 MeV的電子輻射源輻射劑量為1 rad時的探測器響應系數為9.115×108，當電子能量大于1 MeV后，探測器單位輻射劑量的響應系數減小。

圖12 探測器響應系數與能量關系Fig.12 Relationship between energy and detector response coefficient

因此，探測器可應用于GEO軌道中的電子輻射劑量探測，對不同能量段輻射源的光子輸出響應系數不同，探測能量區間在0.04～1 MeV的電子探測效率最高。

3 結語

本文基于Geant4軟件研究了使用LYSO：Ce閃爍體與鋁層結合組成的探測器進行GEO軌道電子輻射劑量探測方案的可行性，分析了影響探測器輸出響應的主要因素。研究表明：使用0.022 mm鋁層包裹LYSO：Ce閃爍體組成的新探測器的輸出響應與輻射劑量輸入成線性關系，可排除GEO軌道環境的質子輻射影響，在不影響電子入射情況下增加光子產額，提高探測器響應靈敏度。探測效率最高的能量段為0.04～1 MeV，探測器輻射源位置距探測器較遠時，會因傳輸距離增加導致入射電子速度降低，光產額增加。本文模擬環境設定為GEO軌道真空條件，以捕獲粒子能譜為參考，主要考慮了質子、電子兩種粒子輻射源，探測器實際設計時可通過鍍鋁方式與光纖結合，在實際應用前需要通過地面輻射實驗平臺進行響應曲線標定，標定后的探測器可具備在輻射環境中實現電子輻射劑量探測的能力。

作者貢獻聲明孟宗負責研究方案設計與技術指導；劉浩負責文章的起草及最終版本修訂；劉京波負責資料收集與論文的修改；王航負責論文修改。