基于SiPM 的硫化鋅閃爍探測器設(shè)計(jì)與研制

王瑋，李婷，武旭東，段金松，麻金龍，張兆山

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

隨著光電探測技術(shù)的不斷發(fā)展，一種新型的硅光電倍增管（Silicon photomultiplier，SiPM）的發(fā)展引起人們的廣泛關(guān)注［1-2］。SiPM 是由數(shù)個(gè)獨(dú)立工作在蓋革模式下的單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）串聯(lián)猝滅電阻集成在單片硅晶體上的陣列探測器，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)等特性［3］。目前已被廣泛應(yīng)用于粒子物理、空間物理及核醫(yī)學(xué)（特別是PET 方面）等領(lǐng)域［4］。

SiPM 的高探測效率，低工作電壓，對(duì)磁場不敏感等優(yōu)點(diǎn)［5-6］，使其具有一定的潛力替代輻射探測器研制中常用的光電倍增管（photomultiplier tube，PMT）進(jìn)行低能光子及高能射線探測；但同時(shí)也擁有半導(dǎo)體器件對(duì)溫度敏感的特性，其暗電流、增益、雪崩臨界電壓值等指標(biāo)受溫度影響較大。針對(duì)這一局限性，已有研究提出通過實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測并相應(yīng)地改變SiPM 偏置電壓從而進(jìn)行自動(dòng)增益校正［7-8］；以固定特征峰位道址為參考調(diào)節(jié)偏置電壓［9］；采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)控制探測器溫度［10］等技術(shù)解決方案。在此基礎(chǔ)上，本文研制基于SiPM 的硫化鋅閃爍探測器，旨在通過溫度控制方式解決探測器因溫度升高而導(dǎo)致探測效率降低的問題，提高探測器穩(wěn)定工作的動(dòng)態(tài)溫度范圍。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

探測器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要包括信號(hào)探測與采集電路、溫度控制系統(tǒng)及電源模塊。系統(tǒng)以主動(dòng)泵吸形式將含氡氣體吸入閃爍瓶內(nèi)，氡及其子體發(fā)射的α粒子使閃爍瓶內(nèi)ZnS（Ag）涂層受激發(fā)光，信號(hào)探測與采集部分通過SiPM 進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)前置放大電路放大，以幅值判別為依據(jù)通過成形與甄別電路獲得計(jì)數(shù)脈沖。針對(duì)SiPM 對(duì)溫度敏感的特性，溫度控制系統(tǒng)通過溫度采集模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，微控制器內(nèi)置模糊PID 控制算法進(jìn)行運(yùn)算，通過輸出PWM 信號(hào)調(diào)整半導(dǎo)體制冷器運(yùn)行功率，有效降低冷端溫度，實(shí)現(xiàn)探測器溫度的控制。電源模塊為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)。

圖1 硫化鋅閃爍探測器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Integrated design of ZnS（Ag）scintillation detector

2 信號(hào)探測電路設(shè)計(jì)

探測器設(shè)計(jì)選用MicroSC-60035-SMT 型SiPM 作為光學(xué)讀出端，其光敏面積為6 mm×6 mm，峰值波長約為420 nm，增益可達(dá)3×106，配合聚四氟乙烯聚光罩可有效探測閃爍瓶內(nèi)光信號(hào)。

2.1 前置放大電路

根據(jù)SiPM 輸出端的電流耦合方式不同，前置放大電路分為直流耦合和交流耦合兩種類型，如圖2 所示［11］。直流耦合放大電路將SiPM輸出直接連接至放大器，SiPM 漏電流隨信號(hào)電流一同流入放大器從而產(chǎn)生直流偏移，高計(jì)數(shù)率情況下可能引起放大電路飽和堵塞。交流耦合放大電路經(jīng)過耦合電容C1 連接至放大器，輸入信號(hào)直流分量為零，具有低噪聲，無直流偏移，計(jì)數(shù)脈沖通過率高的特點(diǎn)。

圖2 基于不同耦合方式的前置放大電路示意圖Fig.2 Schematic diagram of preamplifier circuit based on different coupling modes

以交流耦合形式設(shè)計(jì)前置放大電路，如圖3所示。MicroSC-60035-SMT 在25℃時(shí)的雪崩擊穿電壓為24.5 V，且當(dāng)其過電壓在（1～5）V 范圍時(shí)可獲得較高的增益和較低的工作噪聲，因此使用偏置電源提供27 V 正向偏置電壓，經(jīng)偏置電阻R1 連接至SiPM 陰極。L1、C3、C4 構(gòu)成π 型濾波器提高偏置電源穩(wěn)定性。SiPM 輸出信號(hào)經(jīng)交流耦合電容C1 隔直后輸入到具有結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）輸入級(jí)的放大器OPA656 中。R2、C2 構(gòu)成放大器負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋電阻R2 決定信號(hào)放大倍數(shù)，反饋電容C2 作為補(bǔ)償電容，防止電路自激［12］。交流耦合電容C1 與放大器等效輸入電容之間會(huì)有信號(hào)分壓，降低信號(hào)幅度，為消除分壓效應(yīng)，將C1 納入交流負(fù)反饋支路。電路中需注意C1 的選擇，C1 太小時(shí)會(huì)造成電荷耦合不完整，太大時(shí)可能將電源低頻噪聲耦合到電路中，一般選擇10 nF 為宜。

圖3 基于SiPM 的前置放大電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of preamplifier circuit based on SiPM

2.2 信號(hào)成形與甄別

前置放大電路輸出的脈沖信號(hào)上升沿陡峭，抗干擾能力弱，不適合直接用于幅值甄別。針對(duì)這一問題設(shè)計(jì)濾波成形網(wǎng)絡(luò)，用于改變脈沖形狀，抑制電子學(xué)噪聲，提高系統(tǒng)信噪比［13］。濾波成形網(wǎng)絡(luò)由一級(jí)CR 微分和兩級(jí)RC 積分電路構(gòu)成，并加入極零相消電路。經(jīng)RC-CR 濾波后的信號(hào)，脈沖峰位右移、時(shí)間寬度增加，被濾波成形為準(zhǔn)高斯波形。同時(shí)，極零相消電路的引入消除濾波成形網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的信號(hào)過沖現(xiàn)象，使脈沖下降沿快速收斂于基線，有效減少信號(hào)堆積。

信號(hào)幅值判別通過由比較器、觸發(fā)器及邏輯門電路等器件組成的單道脈沖幅值甄別電路實(shí)現(xiàn)，其上、下閾值設(shè)置可有效濾除噪聲和宇宙射線干擾。當(dāng)輸入信號(hào)介于給定閾值范圍時(shí)，甄別電路產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)用于計(jì)數(shù)。

3 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MicroSC-60035-SMT 增益隨溫度的升高而降低，隨偏置電壓升高而增加；暗電流計(jì)數(shù)隨溫度和偏置電壓的升高而增加。因此，通過調(diào)節(jié)偏置電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ谔岣咴鲆娴耐瑫r(shí)可能引起暗電流計(jì)數(shù)急劇增加，為該探測器的下閾設(shè)置帶來不確定性。本文通過使用半導(dǎo)體制冷器和高導(dǎo)熱性能材料進(jìn)行熱傳遞實(shí)現(xiàn)SiPM 周圍局部空間快速降溫的方法提高探測效率，其溫度控制系統(tǒng)如圖4 所示。SiPM 固定于電路板，半導(dǎo)體制冷器冷端通過銅塊連接至電路板，接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂進(jìn)行熱傳遞；熱端連接純銅熱管散熱器和風(fēng)扇快速帶走多余熱量。四路溫度傳感器構(gòu)成分布式溫度采集模塊，分別用于實(shí)時(shí)獲取SiPM、導(dǎo)冷銅塊、半導(dǎo)體制冷器熱端及環(huán)境溫度。

圖4 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of temperature control system

3.1 實(shí)時(shí)溫度采集電路

實(shí)時(shí)溫度采集電路如圖5所示，使用4個(gè)支持“一線總線”接口的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20并聯(lián)掛接到微控制器IO口進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。該傳感器在（-10～85）℃范圍內(nèi)測量精度為（±0.5）℃，測溫分辨率可設(shè)置為0.062 5℃，溫度以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式串行傳輸，具有良好的抗干擾性能。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，使用平均濾波法進(jìn)行濾波，消除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾引起的采樣偏差。

圖5 實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測電路Fig.5 Real-time temperature monitoring circuit

3.2 半導(dǎo)體制冷模塊驅(qū)動(dòng)電路

微控制器根據(jù)溫度傳感器測量值進(jìn)行半導(dǎo)體制冷模塊的反饋調(diào)節(jié)，其驅(qū)動(dòng)控制電路如圖6 所示。系統(tǒng)通過發(fā)送PWM 信號(hào)改變光耦TLP521 工作狀態(tài)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)制冷模塊工作回路的通斷。光電耦合器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了控制電路和驅(qū)動(dòng)電路的電氣隔離，防止驅(qū)動(dòng)電路的強(qiáng)電流對(duì)控制信號(hào)產(chǎn)生干擾。

圖6 半導(dǎo)體制冷模塊驅(qū)動(dòng)控制電路Fig.6 Driving control circuit of semiconductor refrigeration module

4 控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于Cortex-M3 內(nèi)核的STM32 系列微控制器作為核心控制單元，初上電時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，功能接口初始化和信號(hào)甄別閾值設(shè)置等；并通過嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS 協(xié)調(diào)運(yùn)行測量任務(wù)，溫度采集任務(wù)及PID 控制任務(wù)等。

針對(duì)溫度變量的非線性、大滯后和時(shí)變等特性，傳統(tǒng)的PID 控制系統(tǒng)難以達(dá)到精確控溫的效果，系統(tǒng)采用模糊理論與PID 控制相結(jié)合構(gòu)成模糊PID 控制器［14-15］，通過對(duì)不同目標(biāo)溫度的變化曲線分析制定模糊規(guī)則，以溫度變量輸入偏差和偏差變化率作為模糊控制器輸入變量，通過模糊規(guī)則對(duì)PID 調(diào)整參數(shù)進(jìn)行在線模糊推理，以克服傳統(tǒng)PID 參數(shù)無法實(shí)時(shí)調(diào)整的缺點(diǎn)。

5 試驗(yàn)與結(jié)果分析

基于SiPM 的硫化鋅閃爍探測器的設(shè)計(jì)主要包含信號(hào)探測與采集和溫度控制兩部分，其中溫度控制系統(tǒng)是整個(gè)探測器可穩(wěn)定運(yùn)行于溫度變化較大的自然環(huán)境的基礎(chǔ)。因此，為驗(yàn)證整個(gè)探測器的穩(wěn)定性與可靠性，本文將分別對(duì)溫度控制系統(tǒng)的性能和探測器的性能指標(biāo)進(jìn)行分析和評(píng)估。

5.1 溫度控制系統(tǒng)性能分析

5.1.1 系統(tǒng)制冷性能分析

使用校準(zhǔn)后的溫度傳感器測量半導(dǎo)體制冷器冷端、熱端和環(huán)境溫度。去掉前端銅塊，關(guān)閉模糊PID 控制功能，手動(dòng)調(diào)節(jié)作用于制冷片的供電模塊輸出電流，設(shè)置傳感器讀數(shù)間隔為2 s，在環(huán)境溫度約為25℃時(shí)測試系統(tǒng)制冷和散熱能力，結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，根據(jù)功率計(jì)算公式獲得的半導(dǎo)體制冷器的電阻約為1Ω，可近似看做一個(gè)純歐姆電阻進(jìn)行控制。在低電流情況下，冷端溫度達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，熱端溫度與環(huán)境溫度差異較小；隨著電流的增加其制冷溫度趨于不變，制冷效率下降；系統(tǒng)以接近最大功率運(yùn)行時(shí)，冷端溫度穩(wěn)定在3℃。

表1 不同設(shè)置電流下的制冷溫度和溫差結(jié)果Table 1 Refrigeration temperature and temperature difference results under different setting currents

5.1.2 模糊PID 控制

將溫度變量輸入偏差e的物理量論域取值范圍設(shè)定為［-10，10］，量化至｛-6，6｝，量化因子設(shè)置為0.6；偏差變化率ec的范圍設(shè)定為［-5，5］，量化至｛-6，6｝，量化因子設(shè)置為1.2。試驗(yàn)設(shè)定目標(biāo)溫度為10℃時(shí)的調(diào)控曲線如圖7 所示，系統(tǒng)約316 s 達(dá)到穩(wěn)定，超調(diào)量為0.6℃，穩(wěn)態(tài)誤差為0.2℃；高溫環(huán)境時(shí)設(shè)置目標(biāo)溫度為25℃時(shí)的調(diào)控曲線如圖8 所示，此時(shí)約355 s 達(dá)到穩(wěn)定，超調(diào)量為0℃，穩(wěn)態(tài)誤差為0.2℃。

圖7 常溫25℃時(shí)基于模糊PID 控制的溫度調(diào)控曲線Fig.7 Temperature control curve based on fuzzy PID algorithm at 25℃

圖8 高溫40℃時(shí)基于模糊PID 控制的溫度調(diào)控曲線Fig.8 Temperature control curve based on fuzzy PID algorithm at 40℃

5.2 探測器性能測試及結(jié)果分析

采用標(biāo)準(zhǔn)放射性物質(zhì)作為測量對(duì)象，使用恒溫試驗(yàn)箱模擬環(huán)境溫度變化，設(shè)置溫度變化梯度為5℃，到溫后保持1 h 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。以25℃時(shí)測量結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，探測器在（-15～50）℃時(shí)的探測效率變化如圖9 所示。

圖9 不同溫度下的探測器探測效率變化Fig.9 Variation of detection efficiency at different temperatures

由圖9 環(huán)境溫度下的測量曲線可知，在環(huán)境溫度低于25℃時(shí)，探測效率受溫度變化影響較?。淮笥?5℃時(shí)，探測效率隨溫度的升高逐漸降低，其中30℃時(shí)的探測效率為25℃時(shí)的95%，40℃時(shí)約為80%。加入溫度調(diào)控后，30～35℃時(shí)探測效率幾乎保持不變，40℃時(shí)約為94%。因此，針對(duì)SiPM 對(duì)環(huán)境溫度敏感的特性，該溫度調(diào)控方式可適當(dāng)補(bǔ)償探測器因溫度升高導(dǎo)致探測效率降低的問題，進(jìn)一步擴(kuò)大探測器工作的溫度適用范圍。

6 結(jié) 論

1）基于SiPM 的硫化鋅閃爍探測器信號(hào)采集電路以交流耦合方式設(shè)計(jì)前置放大電路，信號(hào)經(jīng)整形放大后，通過幅值甄別技術(shù)獲得計(jì)數(shù)脈沖用于放射性含量計(jì)算。

2）針對(duì)SiPM 對(duì)環(huán)境溫度敏感的特性，采用分布式測溫模塊配合模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)探測器的實(shí)時(shí)溫度調(diào)控，使探測器在環(huán)境溫度（-15～40）℃變化范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的探測效率，基本滿足野外實(shí)際環(huán)境的應(yīng)用需求。

3）對(duì)于更高溫度條件下的應(yīng)用，可嘗試溫度控制和偏置電壓補(bǔ)償相結(jié)合的方法，在有效濾除本底噪聲情況下獲得穩(wěn)定的探測性能。