小型智能程控SiPM電源設(shè)計與驗證

侯會良 黃躍峰 程懋松 戴志敏

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

硅光電倍增器（Silicon Photomultiplier，SiPM）作為新一代光電轉(zhuǎn)換器件，結(jié)構(gòu)緊湊、增益高、響應(yīng)快速、工作電壓低、靈敏度高且具有極佳的磁場兼容性，在醫(yī)療儀器領(lǐng)域（如 PET-CT、PET-MRI、SPECT）、高能物理領(lǐng)域（如中微子探測、高能物理量能器、宇宙射線探測）、精密分析領(lǐng)域（如基因測序熒光光譜）、安全監(jiān)測領(lǐng)域（如劑量監(jiān)測、輻射探測、人員行李安檢）等都有廣泛的應(yīng)用，且在逐漸替代傳統(tǒng)光電倍增管［1］。

硅光電倍增器結(jié)構(gòu)和制造工藝的不同造成不同的特定擊穿電壓（Break Voltage）：日本濱松公司的SiPM擊穿電壓在70 V（或-70 V）；愛爾蘭Sensel公司的SiPM擊穿電壓在35 V（或-35 V）；國內(nèi)湖北京邦公司的硅光電倍增器擊穿電壓在25 V（或-25 V）。目前的SiPM器件普遍存在增益隨溫度漂移的特性，對PET圖像的重建、量能器的位置分辨率和能量分辨率造成影響［2］。

目前解決SiPM增益漂移的方法主要有調(diào)節(jié)前置放大器放大倍數(shù)［3］、低溫制冷和電壓補償［4］。調(diào)節(jié)前置放大器放大倍數(shù)的方法已被用于16通道的PET探測模塊中，這種方法增加了電路的復(fù)雜性，低溫制冷使SiPM工作溫度穩(wěn)定在一特定值，且具有降低暗計數(shù)的效果，但低溫制冷裝置體積大成本高，僅對于小體積的單光子探測裝置和成像裝置適用，不適合大面積成像裝置。因此具有電壓補償功能且適用于不同型號SiPM的高壓電源對SiPM的使用具有實際應(yīng)用價值［5］，目前的SiPM專用電源體積較大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要通過計算機進行數(shù)據(jù)交互與控制［6］，且固定的電壓范圍對不同廠家的SiPM兼容性不佳，為此設(shè)計了一款電壓范圍可選，能脫機工作，帶電壓補償?shù)腟iPM高壓電源模塊，并配合自研的能譜測試系統(tǒng)，在不同溫度下對241Am進行測量，結(jié)果證明引入電壓補償功能穩(wěn)定增益后，對峰位的穩(wěn)定有明顯效果。

1 SiPM高壓電源

高壓電源板結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要由DC-DC電源芯片、ARM主控器、溫度測量芯片、USB調(diào)試接口、輸出電壓采集反饋等組成，尺寸為4.5 cm×3.5 cm，體積小，直接插在SiPM前放板之后，即插即用，實際使用時不需要連接USB線纜，適合用于多像素點大面積成像設(shè)備如PET、強子量能器等設(shè)備。

圖1 高壓電源板結(jié)構(gòu)圖與實物圖Fig.1 Overall block diagram of power supply module and physical map

溫度測量芯片緊貼SiPM陣列板，溫度采集芯片測量范圍為-10～85℃，精度為±0.5℃，通過主控器實時讀取探測器溫度，并根據(jù)ARM主控器中預(yù)設(shè)的溫度增益曲線實時輸出命令，調(diào)整DC-DC電源芯片輸出的電壓。同時為了確定ARM主控器輸出的命令是否有效進行如下改進：加入了輸出電壓采集的功能來對比輸出的電壓是否是ARM主控器發(fā)出命令對應(yīng)的電壓，使用電阻分壓電路將高壓輸出范圍的最大值衰減到3.3 V，使用主控器片上12位ADC對其進行測量。針對京邦公司JSP-TN3035-SMT型陣列進行電壓補償設(shè)計。如圖2所示，SiPM的增益會隨溫度的升高線性下降，擬合后的增益-溫度關(guān)系為：

式中：G為SiPM增益；T為SiPM所在的環(huán)境的溫度，℃。

圖2 SiPM增益與溫度的關(guān)系Fig.2 Temperature versus SiPM gain

隨著電壓的增高，SiPM的增益會增大，如圖3所示，擬合后過電壓與增益的關(guān)系滿足：

式中：Vo為過電壓（Overvoltage），即工作電壓與擊穿電壓的差值（Vo=Vout-Vb）。

圖3 25℃時過電壓與SiPM增益的關(guān)系Fig.3 Overvoltage versus SiPM gain at 25℃

同時，存在擊穿電壓（Vb）隨溫度變化的線性關(guān)系：

基于以上特性，根據(jù)溫度的變化調(diào)整輸出電壓，輸出電壓與溫度的關(guān)系滿足：Vout=0.23×T+27.4，即可實現(xiàn)初步穩(wěn)定增益的效果。DC-DC部分采用MAX1932偏置電源芯片，該芯片輸出精度為0.5%，且輸出電壓紋波小于1 mV，DC-DC高壓電源芯片電路部分如圖4所示，選擇不同的R5、R8參數(shù)，可輸出不同的電壓范圍從而兼容不同型號的SiPM，具體計算方法為：由不同型號SiPM的工作電壓范圍確定具體參數(shù)。針對京邦公司JSP-TN3035-SMT型SiPM陣列的工作電壓范圍，主控器通過SPI總線控制DCDC電源芯片中的8位DAC，進而將預(yù)設(shè)的電壓范圍平均分為256份，因此選擇合適的電壓范圍就顯得尤為重要。此次測試中電阻的具體參數(shù)為R5=100 kΩ、R8=5 kΩ，目標(biāo)電壓范圍為 25～30 V，滿足JSP-TN3035-SMT型SiPM的工作電壓和工作溫度要求。

使用FLUKE8845A六位半萬用表對空載輸出進行測量，輸出設(shè)定在28.84 V時，測量次數(shù)2 749次，最大值28.847 45 V，最小值28.844 77 V，平均值28.846 23 V，SD為395.924 μV，最大值與最小值壓差小于3 mV。高壓電源模塊步進電壓為20 mV，最大輸出電流達5 mA。板載USB接口，在實際應(yīng)用中，也可通過USB連接計算機進行實時電壓控制，同時高壓電源板的電源由USB供給，增加了系統(tǒng)使用測試的靈活性。

2 探測器系統(tǒng)與能譜測量系統(tǒng)

探測器系統(tǒng)由閃爍體-SiPM陣列板、前置放大板、高壓電源板堆疊組成。閃爍體-SiPM陣列板使用釓基閃爍體配合4×4 SiPM陣列，閃爍體與SiPM陣列使用硅油光導(dǎo)簡單耦合，如圖5所示，并使用避光材料包裹。SiPM陣列信號通過高速接插件與后面前置放大板相連。

圖5 SiPM陣列與閃爍體Fig.5 SiPM array and scintillant

前置放大板由電阻電容讀出網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成，采用正高壓正信號輸出的接法［7］，為提高信號幅度對16路的輸出信號做反向加和處理，通過SMA接口將信號輸出給能譜測試系統(tǒng)。前置放大板與高壓電源板通過標(biāo)準(zhǔn)接插件連接，前置放大板（左）與高壓電源板（右）實物圖如圖6所示。

為提高系統(tǒng)的能量分辨率，實驗采用數(shù)字化多道能譜儀作為能譜測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，能譜測量系統(tǒng)完成信號放大、模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號、信號濾波成形處理、峰值提取等功能，系統(tǒng)采用12位高速ADC，共4 096道（為觀察方便僅顯示前500道數(shù)據(jù)），電路板實物如圖7所示，最終通過USB接口將能譜發(fā)送到計算機進行顯示。

圖6 前置放大板與高壓電源板Fig.6 Pre-amplifier board and power supply board

圖7 能譜測量系統(tǒng)板Fig.7 Digital multi-channel analyzer board for energy spectrum

圖8 能譜測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Overall block diagram of energy spectrum test system

圖9 能譜測試結(jié)果 (a)電壓補償前，(b)電壓補償后Fig.9 Gamma energy spectrum test results (a)Fixed voltage,(b)Voltage compensation afterward

3 能譜測試結(jié)果分析

測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，分別將三塊板組裝成的探測器放置在40℃、35℃、30℃、25℃、20℃、15℃、10℃、5℃的環(huán)境中進行測試，對比使用固定電壓和加入電壓補償穩(wěn)定增益后的能譜。

241Am的全能峰峰位與SiPM的增益有關(guān)，增益越大全能峰峰位所在的道址越大［8］，反映在能譜中即全能峰道址右移。為便于比較，全能峰所在道址的計數(shù)均設(shè)定在2 000左右。如圖9（a）所示，高壓電源板固定輸出28 V給SiPM供電時，SiPM的增益隨著溫度的降低而升高，40℃與5℃環(huán)境下測得的全能峰峰位相差110道。在高壓電源板中加入電壓補償后，能譜測量結(jié)果如圖9（b）所示，不同溫度下全能峰的峰位穩(wěn)定在一較小范圍。

對每個溫度下的全能峰峰位進行比較，如圖10所示，可以看出在未加入電壓補償功能即固定電壓28 V時，當(dāng)溫度由5℃升高到40℃全能峰峰位會左移（SiPM增益下降），從最大236道下降到最小126道，相差110道對應(yīng)的SiPM增益漂移為87.3%，加入電壓補償后，電壓根據(jù)SiPM的工作溫度做自動調(diào)整，在10℃時峰位在186道，在40℃時峰位在181道，相差5道SiPM增益漂移下降為2.76%，電壓補償對SiPM因溫度變化引起的增益起到了抑制作用。相較于文獻［4］報道的28.22～47.35℃增益漂移被抑制到11.03%有明顯改善。

圖10 固定電壓與加入電壓補償全能峰所在道址的比較Fig.10 Comparison of the channel of full energy peak between fixed voltage and voltage compensation afterward

4 結(jié)語

針對SiPM增益隨溫度變化的特性，設(shè)計研制了一款帶電壓補償穩(wěn)定增益功能的高壓電源板，具有輸出高壓范圍可調(diào)、噪聲低、體積小、溫度特性參數(shù)可定制的優(yōu)點。35℃的溫度變化使241Am γ峰位漂移110道，電壓補償后全能峰位變化縮減為5道，峰位穩(wěn)定性顯著改善，漂移由補償前的87.3%下降到了2.76%。穩(wěn)定的峰位是準(zhǔn)確分析γ能譜的前提，在釓基閃爍體輻射測量應(yīng)用中，可提高閾值法甄別中子伽馬的可靠性［9］。