LYSO:Ce电子辐射探测器输出响应影响因素研究

孟宗 刘浩 刘京波 王航

（燕山大学 电气工程学院 秦皇岛 066004）

在复杂恶劣的太空环境中，卫星系统应具有一定的抗辐射生存能力，目前在所有卫星故障中，空间辐射环境诱发的故障约占总故障率的40%［1］。为保障空间设备电子系统在轨运行时的稳定可靠，加强对卫星关键部位的环境辐射监测与抗辐射防护研究工作是非常必要的。卫星长期工作在空间辐射环境中，空间高能粒子作用于卫星壳体及内部的材料、器件上，主要产生以下辐射效应：电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应、表面充放电效应、内带电效应［2］。其中，总剂量效应来源于辐射粒子在器件材料中沉积的能量，这会在材料当中产生电子空穴对和缺陷，并导致器件整体性能逐渐发生退化，该效应对器件的影响程度取决于材料受辐射而累积的总能量［3］。目前，常用的两种探测器为半导体探测器和闪烁体探测器［4-7］。与半导体探测器相比，闪烁体探测器因其灵敏度高、抗电磁干扰、耐高电压、耐腐蚀等优点，得到广泛研究和快速发展。基于辐射致发光效应，闪烁材料将高能的辐射转化为可见光子，由光纤传输到光电倍增管，经光电转换后产生电脉冲信号，从而获得有关辐射的信息［8］。

NaI（Tl）、BGO是目前研究成果最多、应用最广泛探测仪器晶体材料［9-11］，然而存在易潮解或衰减时间长等弊端。随着越来越多性能优异的闪烁晶体出现，掺杂一定比例的Ce3+晶体具有较高的能量分辨率和较好的衰减时间系数［12］。陈志强等［13］对LaBr3：Ce晶体重点做晶体形状、能量等因素对探测效率影响研究，研究分析LaBr3：Ce闪烁体的探测效率与晶体截面形状、晶体尺寸、辐射源能量大小等因素有关，圆形截面闪烁体尺寸越大，探测效率越高；孟宗等对LYSO：Ce闪烁光纤做电子辐射传感特性研究［14］，得出LYSO：Ce闪烁光纤辐射时间响应和剂量响应与晶体形状等因素相关；Uozumi等［15］通过对LaBr3：Ce和LYSO：Ce进行电子辐射测试，证明两种晶体均具有良好的辐照响应线性度，并且闪烁体的衰减时间在测量的能量范围内大致恒定。LYSO：Ce晶体具有低熔点、低成本以及高浓度掺杂等优势，相比LaBr3：Ce晶体，光学性能相似但不易潮解，方便保存，已在核物理及核医学PET设备中得到了部分应用，成为最具研究价值晶体之一［16-18］。

GEO（Geostationary Earth Orbit）轨道辐射环境主要粒子种类为质子和电子［19］，粒子能谱范围分布不同，如图1所示，质子能量在0.01～1 MeV通量最大，大于1 MeV后通量急剧下降；电子通量在0.04～4 MeV最大。

图1 GEO捕获粒子能谱 (a) 质子能谱，(b) 电子能谱Fig.1 Energy spectrum of particle captured at GEO (a) Proton spectrum, (b) Electron spectrum

为保证LYSO：Ce晶体实现电子辐射剂量探测，需研究不同入射粒子源的辨识方法，排除质子入射影响，构建结构完整的辐射探测器模型。根据材料辐射屏蔽原理，屏蔽方法主要包括金属层屏蔽、薄膜屏蔽、陶瓷材料屏蔽、包封料屏蔽、新型复合材料屏蔽等［20］。金属层屏蔽是指屏蔽层材料由重金属制成的封装级屏蔽方法，如采用阶梯状屏蔽板将金属钨层设计在屏蔽层结构中［21］，俄罗斯设计了一种集成钨铜合金的抗辐射陶瓷封装体，用于太空抗辐射［22］，奥肯思北京科技有限公司在芯片封装体设计安装了0.3～2 mm的钽片作为抗辐射加固材料［23］；随着膜材料技术的发展，研究发现了仅需几十个微米厚度的薄膜，就可以有效降低辐射剂量。上海航天设备制造总厂发明的一种抗辐射加固结构，双马来酞亚胺基体与铝、钨金属薄膜结合，可实现平均抗辐射总剂量大于100 krad（Si）［24］；中国电子科技集团公司第十三研究所采用增强辐照屏蔽的陶瓷外壳，在上下表面增加一层氧化铝陶瓷层，并增设起布线与辐照屏蔽作用的图形，明显提升空间电离总剂量的辐照屏蔽效果［25］；Featherby等［26］发明了一种由钨粉、环氧混料和其他材料组成的屏蔽胶，可用于器件封装抗辐射；赵鹤然等［27］通过设计优化铝钽复合涂层配比和结构，可在实现屏蔽空间辐射的基础上解决“越挡越乱”问题；蔡毓龙等［28］设计了采用聚乙烯/铝的复合屏蔽结构，与单质金属相比屏蔽效果提升明显。

本文通过利用Geant4仿真软件建立LYSO：Ce晶体模型，选择合适种类与厚度的屏蔽层筛选粒子源，与晶体组合构建辐射探测器。研究GEO轨道环境下质子、电子辐照对探测器产生光子数影响，探究探测器产生光子数与辐射剂量之间的关系，实现电子辐射总剂量探测；验证基于LYSO：Ce晶体的辐射剂量探测器代替目前常用半导体和一些无机闪烁体探测器的可行性。

1 Geant4仿真模拟实验

辐射剂量分析方法根据原理、使用条件和用途不同，可分为一维屏蔽分析法、几何投影法、射线追踪法、蒙特卡罗法、整星辐射剂量三维分析法、设备内部辐射剂量分析法等［29-31］，蒙特卡罗方法以概率统计为基础，可以真实描述光子、电子、中子等粒子的输运全过程［32］，可计算包括质子、电子在内的各种粒子和次级粒子输运和相互作用，并将最终结果汇总分析。常用辐射环境分析软件包括Shieldose、Geant4软件［33］等，其中Geant4软件已被用于核医学、核物理、空间科学等方面，涵盖了全面的物理模型，包括电磁、强子、输运、衰变、光学、光子强子和参数化过程［34］，满足仿真实验要求。

1.1 模型设计

模型设计方案如图2所示，以Geant4软件作为仿真工具，通过C++代码设计构建探测器模型与辐射粒子源，模型主要包括物质几何形状、构成元素与相关光学属性、摆放位置；粒子源主要包括种类、动量方向、能量和发射源位置。选择注册物理过程，收集模型经受粒子源辐照后光子数据，分析探测器光子数与辐射剂量值关系与影响因素。

图2 模型设计方案Fig.2 Model design scheme

探测器结构设置为圆柱体，纤芯半径为50 μm，石英包层半径为150 μm，长100 mm，分别设置铝、钽、铅作为屏蔽层包裹于光纤外，其受辐射源照射示意图如图3（a）所示，当辐射源打向探头屏蔽层，不同厚度屏蔽层会选择性通过质子/电子，入射粒子在探测器中电离或激发过程产生的闪烁光子会在光纤内部经多次反射传输至后端敏感区计数。在光纤后端设置光学玻璃作为光子接收探测敏感区，用以统计接收到的光子数。图3（b）为探测器剖面图，探测器内芯为光纤晶体，晶体外是SiO2包层，内芯折射率1.81，大于包层折射率1.46，构成全反射必备条件之一，最外层为屏蔽层。晶体各元素质量分数如表1所示，按照表中元素组成比例构建晶体模型。

表1 LYSO:Ce质量分数Table 1 Mass fraction of LYSO:Ce

图3 探测器模型 (a) 探测器受辐射示意图，(b) 剖面图Fig.3 Detector model for the simulation (a) Radiation diagram of the detector, (b) Profile map

1.2 物理过程

粒子与屏蔽层、晶体等反应过程需要考虑电磁学、光学等诸多因素，Geant4提供强大的工具包足以解决这些问题，在选择物理过程中调用FTFP_BERT物理类并注册光学相关的G4OpticalPhysics类，构建物理反应代码。物理过程构建还需定义闪烁体性能参数，如光产额、快慢时间、发射光谱范围和物质接触面光学属性等，将LYSO：Ce晶体光产额设置为36000个光子/MeV，快时间常数设置为41 ns，快慢响应比设置为1，发光波长420 nm，光谱范围394～470 nm。使用G4OpticalSurface类函数设置物质接触面边界属性，LYSO：Ce晶体与SiO2包层边界类型设置为dielectric_dielectric，晶体与金属表面边界类型设置为dielectric_metal。

正妻。典型代表是金铨的夫人，及白夫人。正妻判词是“外圆内方”，操持整个大家庭实属不易，正妻都有很重的责任感，端庄而稍显沉闷。而白夫人比金夫人却要更高明，这也是金铨有两个姨太太而白雄起只有一个夫人的缘故吧。

2 结果和讨论

2.1 不同材料屏蔽能力分析

不同材料对同一带电粒子抗辐射能力差别极大，抗辐射能力很强的材料包括：金属、大多数陶瓷和惰性气体，能力较差的包括：半导体、光学材料和聚合物（光纤、环氧树脂等）。地面或航天器关键部位应对抗辐射选择的金属材料以铝、铅、钽为主［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。

粒子射程根据研究内容不同，分为外推范围和实际范围，实际范围通常用深度-剂量曲线代表［36］，本文规定以探测剂量值为0时的最大金属层深度作为射程。根据射程经验公式（1）估算0.04～4 MeV电子在金属材料射程值，验证探测器模型正确性。

此公式满足电子能量在0.3 keV～20 MeV的最大射程计算。

L为最大射程，cm；A=5.37×10-4g·cm-2·keV-1；E为入射电子能量，keV；ρ为屏蔽层材料密度，g·cm-3；B=0.9815，C=3.123×10-3keV-1。将电子在铝中射程的经验值与仿真值对比，并绘出差值的绝对值曲线如图4所示。可见，随着电子能量增加，入射电子在铝中作用深度增大，电子能量在3 MeV时的厚度最大差值仅为0.198 mm。Geant4仿真结果与经验公式计算数据接近，图像曲线较为吻合，相似度高，证明本研究中所建模型的有效性。

图4 电子在铝中射程随能量变化趋势Fig.4 Change trend of the electron range in aluminum as a function of energy

利用Geant4粒子发生器分别模拟发射104个电子、质子轰击屏蔽层，比较不同材料屏蔽效果，结果如图5所示。由图5（a）可以看出，随着发射电子能量增大，所需屏蔽层厚度增加；屏蔽任意能量电子，铝所需厚度大于铅和钽的厚度，屏蔽效果钽>铅>铝；由图5（b）可以看出，1 MeV能量的质子穿透效果低于电子，铝、铅或钽可以较好地屏蔽质子；由图5（c）可以看出，铝屏蔽质子所需的质量远小于铅和钽。

图5 不同金属屏蔽辐射效果 (a) 屏蔽层厚度与能量关系，(b) 屏蔽质子所需厚度，(c) 屏蔽质子所需质量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

设置AE8辐射带模型，设定GEO轨道卫星任务周期5 a，计算总剂量与铝的剂量-深度曲线，如图6所示。随着厚度增加，质子、电子在铝中能量沉积不断增加，当厚度大于0.001 mm后，总剂量值开始明显下降，主要因为质子在铝中极易被阻止，射程短，无法穿透至更深层。实验结果证明，在考虑屏蔽效果与质量情况下，使用0.022 mm的铝屏蔽层筛选粒子源，实现GEO轨道电子辐射剂量探测的设计方案具有可行性。

图6 总剂量-深度曲线Fig.6 Total dose-curve for aluminum

2.2 屏蔽层厚度对剂量响应影响

辐射源粒子与铝相互作用主要包括弹性散射、非弹性散射、激发、电离和轫致辐射等物理过程［37］，产生二次电子、光子，二次电子会进一步与材料发生反应。分别模拟辐射源照射0 mm、0.011 mm、0.022 mm厚度铝包裹的光纤，分析屏蔽层厚度对光纤吸收剂量影响，结果如图7所示。当屏蔽层厚度小于0.022 mm时，总剂量值由质子与电子共同作用之和产生；当屏蔽层厚度大于等于0.022 mm后，质子被完全屏蔽于晶体外，总剂量值仅由电子产生。

图7 屏蔽层厚度与吸收剂量关系Fig.7 Relationship between shield thickness and absorbed dose

设定辐射源电子能量为1 MeV，分别入射无铝层、0.022 mm铝层包裹的探测器，分析辐射剂量与光子数关系，如图8所示。

图8 辐射剂量与光子数关系Fig.8 Relationship between radiation dose and photon number

设x为粒子对闪烁体辐射剂量值，y为产生光子数，则对有屏蔽层探测器所得光子拟合函数为：

线性拟合度Rs2=0.9997；对无屏蔽层探测器所得光子拟合函数为：

通过统计辐射源入射探测器后产生的次级电子数量和次级电子沉积的剂量发现，电子入射屏蔽层后生成的次级电子数量较少，当辐射剂量为825.893 μGy时，电子在探测器内的吸收剂量为42.973 μGy，次级电子的剂量为0.334 μGy，产生的次级电子对电子剂量探测的贡献占比约为8‰。

计算探测器屏蔽前后辐射剂量与内芯吸收剂量关系如图9所示，随着辐射剂量增加，探测器吸收剂量线性增加，受屏蔽层影响，在含屏蔽层探测器内的吸收剂量值略小。设x为辐射剂量，y为吸收剂量，则无屏蔽层情况下，探测器吸收剂量与辐射剂量关系函数：

图9 辐射剂量与吸收剂量关系Fig.9 Relationship between radiation dose and absorbed dose

对屏蔽层探测器辐射剂量关系函数：

为消除屏蔽层对电子辐射吸收剂量影响，设修正系数α，有yu=α⋅ys，根据探测器剂量关系函数可得yu=1.135⋅ys。

结果表明，探测器对辐射剂量响应呈线性关系，随着辐射剂量增加，探测器中能量沉积增大，光子数增多，辐射响应强烈；不同屏蔽层厚度下探测器剂量响应稳定，线性拟合度高。粒子束入射到探测器时，屏蔽层可消除质子对剂量探测影响，电子穿过屏蔽层动能减少，产生的次级电子、光子会继续与材料反应，使探测器检测到更多光子，提高输出响应灵敏度。

2.3 辐射源位置对光子产生影响

考虑轨道实际辐射环境中放射源距探测器距离影响，每次模拟开始时保持辐射剂量不变，调整辐射源到探测器距离从1～200 mm增加，间隔为25 mm，得到6组数据，结果如图10所示。由图10可知，辐射源距离分别在75 mm和150 mm左右时产生的光子数值明显增加。原因是在GEO轨道环境中，导致电子动能降低的主要因素包括：反比平方定律、磁场和太阳风等。反比平方定律是指电场强度随着距离源头的平方反比减小，降低了作用在电子上的力，从而降低了动能。当辐射源与探测器距离较近时，电子速度大，能量沉积少；当辐射源与探测器距离增大后，电子传输距离增加，电子动能降低，电子在探测器内能量损耗增加，能量沉积增大，光子产额随之增加，辐射剂量响应增强。

图10 辐射源位置与光子数关系Fig.10 Relationship between radiation source position and photon number

2.4 辐射源能量对探测效率影响

除上述情况外，电子能量也是影响探测器输出响应重要因素之一，不同能量的入射电子在物质中沉积情况不同。为探究入射电子能量对探测器探测效率影响，保持入射电子数不变，设定电子射线能量范围为0.04～4 MeV（区间间隔为1 MeV），辐射源距探测器100 mm，数据结果如图11所示。将图11探测器每个能量区间内的光子输出响应曲线斜率作为辐射响应度并做归一化处理，用于衡量探测器不同能量范围下的电子辐射剂量探测效率。

图11 电子能量对探测效率影响Fig.11 Effect of electron energy on detection efficiency

由图11可知，随着电子能量增加，电子在闪烁体中沉积能量增大，光产额变高。探测器在0.04～1 MeV范围内归一化后的辐射响应度为0.46，高于实验中的其他能量区间，这是因为较低能量区间段的电子在入射探测器时，与材料充分反应的数量多，在探测器中的能量沉积更多，探测效率更高。

探测器在不同能量段辐射环境下的光子产额与单位辐射剂量的响应系数如图12所示，当能量为1 MeV的电子辐射源辐射剂量为1 rad时的探测器响应系数为9.115×108，当电子能量大于1 MeV后，探测器单位辐射剂量的响应系数减小。

图12 探测器响应系数与能量关系Fig.12 Relationship between energy and detector response coefficient

因此，探测器可应用于GEO轨道中的电子辐射剂量探测，对不同能量段辐射源的光子输出响应系数不同，探测能量区间在0.04～1 MeV的电子探测效率最高。

3 结语

本文基于Geant4软件研究了使用LYSO：Ce闪烁体与铝层结合组成的探测器进行GEO轨道电子辐射剂量探测方案的可行性，分析了影响探测器输出响应的主要因素。研究表明：使用0.022 mm铝层包裹LYSO：Ce闪烁体组成的新探测器的输出响应与辐射剂量输入成线性关系，可排除GEO轨道环境的质子辐射影响，在不影响电子入射情况下增加光子产额，提高探测器响应灵敏度。探测效率最高的能量段为0.04～1 MeV，探测器辐射源位置距探测器较远时，会因传输距离增加导致入射电子速度降低，光产额增加。本文模拟环境设定为GEO轨道真空条件，以捕获粒子能谱为参考，主要考虑了质子、电子两种粒子辐射源，探测器实际设计时可通过镀铝方式与光纤结合，在实际应用前需要通过地面辐射实验平台进行响应曲线标定，标定后的探测器可具备在辐射环境中实现电子辐射剂量探测的能力。

作者贡献声明孟宗负责研究方案设计与技术指导；刘浩负责文章的起草及最终版本修订；刘京波负责资料收集与论文的修改；王航负责论文修改。