SiPM耦合塑料閃爍體探測(cè)器放大電路設(shè)計(jì)

唐晨陽(yáng) 陳欣南 高春宇 李雨芃 王曉 湯秀章

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

硅光電倍增器（Silicon Photomultiplier，SiPM）具有許多傳統(tǒng)光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）不可比擬的優(yōu)勢(shì)，比如低工作偏壓（30~100 V）、快速響應(yīng)能力等，已經(jīng)在高能物理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。塑料閃爍體作為常用探測(cè)材料，具有較短發(fā)光衰減時(shí)間（2~20 ns）以及良好的位置分辨率，可以根據(jù)需求制成α、β、γ等各類(lèi)粒子探測(cè)器［1］，常與SiPM耦合使用［2-4］。

然而，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究通常只是將SiPM用于計(jì)數(shù)率測(cè)量，前置放大電路多選用跨阻放大器和較大反饋電容以降低噪聲水平，導(dǎo)致輸出波形上升時(shí)間變慢。而大面積探測(cè)器陣列不僅需要高計(jì)數(shù)率還有時(shí)間同步的要求，這就要求輸出信號(hào)具有快上升時(shí)間（trise＜10 ns），以便進(jìn)行后續(xù)信號(hào)的處理和分析。為滿(mǎn)足SiPM耦合塑料閃爍體大面積探測(cè)器陣列的應(yīng)用需求，研發(fā)了一款基于AD8014芯片的增益高、上升時(shí)間快、噪聲水平低的信號(hào)放大電路。

1 探測(cè)器簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)使用的塑料閃爍體為北京鐳蒙泰克公司的PD1150F，閃爍體衰減時(shí)間2.4 ns，發(fā)射光譜峰值范圍較寬（395~425 nm），與SiPM響應(yīng)光譜配合良好。

SiPM由數(shù)千個(gè)自猝滅單光子雪崩光電二極管（Single-photon avalanche photodiode，SPAD）組成，也稱(chēng)為像素或微單元。當(dāng)入射光子的能量到一定程度時(shí)，暗電流會(huì)迅速增大，形成電子雪崩效應(yīng)。大量電子雪崩效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電荷的快速增加，從而形成一個(gè)可觀測(cè)的電流脈沖［5］。常用的SiPM光敏面積有1 mm×1 mm、3 mm×3 mm和6 mm×6 mm三種。本實(shí)驗(yàn)采用愛(ài)爾蘭SensL公司的MicroFC-30035-SMT。相較于其他型號(hào)SiPM，MicroFC-30035-SMT具有高增益、良好的信噪比和時(shí)間分辨率高的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。德國(guó)［6］、美國(guó)［7］和俄羅斯［8］等國(guó)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上均采用該款SiPM［9-10］。

實(shí)驗(yàn)使用的塑料閃爍體為國(guó)產(chǎn)北京鐳蒙泰克公司的PD1150F型，閃爍體衰減時(shí)間2.4 ns，發(fā)射光譜峰值范圍較寬（395~425 nm），與MicroFC-30035-SMT型SiPM響應(yīng)光譜配合良好（響應(yīng)峰值為420 nm），使用該款塑料閃爍體能夠最大程度減少光探測(cè)損失，從而提高測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確性。PD1150F型具體參數(shù)如表1所示。

表1 PD1150F型塑料閃爍體參數(shù)Table 1 PD1150F plastic scintillator parameters

2 總體設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)中，放大芯片分別為AD8014和OPA657兩款信號(hào)放大電路（均為獨(dú)立設(shè)計(jì)），并在Micro-cap 12中進(jìn)行了電路仿真。SiPM信號(hào)放大讀出電路板由以下幾個(gè)部分組成：1）RC濾波部分；2）信號(hào)放大部分；3）CR耦合選通部分；4）比較器差分輸出部分（仿真電路圖1、2中未畫(huà)出）。信號(hào)由模擬信號(hào)源產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)RC濾波部分初次濾波，隨后進(jìn)入信號(hào)放大部分降噪，再通過(guò)CR耦合部分二次濾波，最后脈沖輸入到比較器部分產(chǎn)生差分放大信號(hào)。兩者相關(guān)參數(shù)如表2所示，AD8014信號(hào)讀出電路如圖1所示，OPA657信號(hào)讀出電路如圖2所示。在圖1中，脈沖信號(hào)從結(jié)點(diǎn)8輸出；圖2中，脈沖信號(hào)從結(jié)點(diǎn)7輸出。

圖1 AD8014信號(hào)讀出電路圖Fig.1 Circuit diagram of AD8014 signal readout

圖2 OPA657信號(hào)讀出電路圖Fig.2 Circuit diagram if OPA657 signal readout

表2 AD8014、OPA657參數(shù)比較Table 2 Parameter comparison between the performance of AD8014 and OPA657

3 部件設(shè)計(jì)

3.1 模擬信號(hào)源及電路設(shè)計(jì)

Micro-cap 12（M12）是一款功能強(qiáng)大的電子電路仿真軟件，被用于設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化電子電路。基于Micro-cap 12的軟件仿真，為了更貼近SiPM信號(hào)放大讀出電路板實(shí)際工作情況，模擬信號(hào)發(fā)生源內(nèi)引入了仿真噪聲源（NOISE）以及SiPM內(nèi)部自帶的結(jié)電容（MicroFC-30035-SMT結(jié)電容為850 pF）。模擬信號(hào)源輸出脈沖信號(hào)從結(jié)點(diǎn)6輸出，V（6）表示結(jié)點(diǎn)6出的信號(hào)電壓幅值，波形如圖3所示。

圖3 模擬信號(hào)源輸出脈沖波形圖Fig.3 Diagram of analog signal-source output pulse waveform

3.2 RC濾波部分

在信號(hào)進(jìn)入放大器芯片之前，由于SiPM具有較大結(jié)電容以及電路本身的電阻，輸入信號(hào)需要經(jīng)過(guò)初級(jí)濾波電阻、初級(jí)濾波電容。對(duì)于AD8014，如圖1中R1和C2；對(duì)于OPA657，如圖2中R4和C3。使用初級(jí)RC的組合能夠除去部分環(huán)境噪聲和SiPM自身固有噪聲的影響，同時(shí)對(duì)脈沖波形進(jìn)行初級(jí)整形［11］。

3.3 信號(hào)放大部分

放大芯片分別采用AD8014和OPA657。應(yīng)用放大器原理，推算出AD8014傳遞函數(shù)的表達(dá)式：

放大電路的噪聲來(lái)源有：電路元件的自帶噪聲、電磁干擾、溫度變化和電路串?dāng)_。電路的總輸出噪聲Eout表達(dá)式如下［12］：

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得總電流噪聲為70.3 nA，總電壓噪聲為50.6 μV。為了降低放大器的輸入噪聲，在放大器的輸入電壓端使用LC濾波電路降低輸入電壓源的噪聲和紋波，如圖4所示。經(jīng)測(cè)量，通過(guò)LC濾波后，輸入放大器的電壓紋波水平低于1%。

圖4 放大器輸入電源濾波LC電路圖Fig.4 LC circuit diagram of amplifier input power filtering circuit

3.4 CR耦合選通部分

該部分由C3、R4和R5組成，用于處理輸出到比較器的信號(hào)。C3、R4耦合可以獲取特定頻率的信號(hào)，R5抑制比較器反射信號(hào)。根據(jù)計(jì)算，該耦合選通部分截止頻率f=（2πRC）-1=1.1 kHz，可以有效濾除放大器輸出信號(hào)的噪聲。通過(guò)隱藏較慢的充電尾部使脈沖變窄，從而允許更高頻率的光子計(jì)數(shù)。閾值調(diào)節(jié)器通過(guò)可調(diào)電位器控制輸出電平和脈沖數(shù)量。這部分實(shí)現(xiàn)了對(duì)放大器輸出信號(hào)的濾波降噪和抑制比較器反射信號(hào)，CR耦合如圖5所示。

圖5 CR耦合部分電路圖Fig.5 Circuit diagram of CR coupling sectiont

3.5 比較器差分信號(hào)輸出部分

差分信號(hào)輸出將信號(hào)分為正負(fù)兩個(gè)部分，并以差分形式輸出。與單端信號(hào)輸出相比，差分信號(hào)輸出具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：抗干擾能力強(qiáng)、差分信號(hào)輸出可以減少共模干擾的影響，因此，在許多應(yīng)用中被廣泛采用［13］。

通過(guò)使用M12的信號(hào)仿真分析模式可以得到Vout端的輸出信號(hào)脈沖波形，并且在圖6中可以直接測(cè)量出相同放大倍數(shù)下輸出信號(hào)的上升時(shí)間以及幅值。其中，V（8）表示結(jié)點(diǎn)8處AD8014輸出脈沖信號(hào)幅值，V（7）表示結(jié)點(diǎn)7處OPA657輸出脈沖信號(hào)幅值。

圖6 AD8014 (a)與OPA657 (b)仿真輸出信號(hào)圖Fig.6 DSimulated output signal diagram of AD8014 (a) and OPA657 (b) simulation output signals

4 主要性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)使用的塑料閃爍體條長(zhǎng)度為30 cm，橫截面積為1 cm×1 cm，其一端用鋁箔覆蓋，外層使用反射材料薄膜全包裹。

4.1 暗噪聲水平測(cè)量

在半導(dǎo)體中，由于摻入雜質(zhì)和物質(zhì)本身的晶格缺陷，半導(dǎo)體會(huì)多出兩個(gè)能級(jí)：雜質(zhì)能級(jí)和缺陷能級(jí)，載流子在能級(jí)間的躍遷和復(fù)合符合熱統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生暗噪聲（Dark noise）［14］。在未耦合塑料閃爍體條前，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，觀察到不同頻率的噪聲。一倍噪聲頻率為200 Hz，三倍噪聲為10~20 Hz。設(shè)置閾值為三倍噪聲，可降低噪聲對(duì)計(jì)數(shù)率的影響。測(cè)量結(jié)果如圖7所示，三倍噪聲隨輸入偏壓而增大。相較于OPA657板，AD8014板三倍噪聲低于30 mV，峰值噪聲水平降低62%。

圖7 三倍噪聲隨偏壓的變化Fig.7 Variations of triple noise with the bias voltage

4.2 輸出脈沖與計(jì)數(shù)率

將塑料閃爍體一端涂好硅油與SiPM信號(hào)讀出板耦合，取偏壓為27.8 V，將觸發(fā)電平調(diào)至三倍噪聲，觀察輸出脈沖波形，實(shí)際脈沖輸出波形參數(shù)如表3所示。根據(jù)增益（Gain）計(jì)算公式：

表3 模擬波形和實(shí)驗(yàn)波形參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison between simulated and experimental waveform parameters

分別計(jì)算得到兩塊信號(hào)讀出板的增益。綜合考慮兩者暗噪聲水平高低、上升時(shí)間快慢、信號(hào)增益大小，AD8014板的性能優(yōu)于OPA657板。

強(qiáng)光直射會(huì)造成SiPM讀出電路損壞，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在暗箱中完成。如圖8所示，通過(guò)水平方向移動(dòng)放射源（137Cs，豁免源）在塑料閃爍體條上的位置，在相同的探測(cè)時(shí)間內(nèi)（5 min）得到不同水平位置處的脈沖計(jì)數(shù)。重復(fù)測(cè)量后取其計(jì)數(shù)率均值，結(jié)果如表4所示。

圖8 計(jì)數(shù)率實(shí)驗(yàn)測(cè)量示意圖Fig.8 Schematic diagram of counting rate measurement

表4 不同距離處SiPM計(jì)數(shù)率Table 4 SiPM count rates at different distances

從表3可知，隨著放射源離SiPM距離增加，SiPM計(jì)數(shù)率越來(lái)越小。這是由于熒光發(fā)射過(guò)程中存在一定的非輻射衰減導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量到的光強(qiáng)度減小［15］，劇烈的光衰減發(fā)生在1~10 cm。使用AD8014和OPA657測(cè)量不同距離處計(jì)數(shù)率，測(cè)量結(jié)果顯示，AD8014板比OPA657板的平均計(jì)數(shù)率提高了51%。測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同距離處SiPM計(jì)數(shù)率變化Fig.9 Variations in SiPM count rates at different distances

4.3 信號(hào)一致性

在SiPM和讀出板組成陣列或系統(tǒng)中必須保持不同組件之間的信號(hào)特性一致。通過(guò)測(cè)量SiPM信號(hào)讀出板的一致性，這有助于減少由于組件不一致性引起的誤差。實(shí)驗(yàn)前，將塑料閃爍體條兩端的鋁膜除去，然后兩端各耦合一塊AD8014讀出板，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)量不同位置處的計(jì)數(shù)率，計(jì)數(shù)率結(jié)果如表5所示。在一致性測(cè)量中，兩端計(jì)數(shù)率比之前單端測(cè)量明顯減少。在熒光產(chǎn)生后，信號(hào)會(huì)分流到兩端，因此，每個(gè)端口接收到的信號(hào)強(qiáng)度可能會(huì)減弱，導(dǎo)致整體計(jì)數(shù)率降低。結(jié)果表明，SiPM信號(hào)讀出板在對(duì)稱(chēng)位置上計(jì)數(shù)率相近，相對(duì)誤差為6%，該款信號(hào)讀出板的一致性較好，一致性測(cè)量結(jié)果如圖10所示。

圖10 SiPM讀出板信號(hào)一致性測(cè)量Fig.10 SiPM readout board signal consistency values

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款SiPM耦合塑料閃爍體探測(cè)器的信號(hào)放大讀出電路，該電路基于AD8014運(yùn)算放大芯片，配合CR高通濾波電路，其輸出信號(hào)平均計(jì)數(shù)率高于300 s-1、暗噪聲低于30 mV，兼具上升時(shí)間快、輸入噪聲低的特點(diǎn)。與采用OPA657芯片的傳統(tǒng)跨阻放大電路相比，上升時(shí)間減少了52%，自研放大電路的峰值暗噪聲下降了62%，平均計(jì)數(shù)率增加了51%，并且具有良好的一致性，滿(mǎn)足了研發(fā)基于SiPM耦合塑料閃爍體的大面積探測(cè)器陣列的計(jì)數(shù)和時(shí)間同步需求。后續(xù)將采用一種新型高速低噪聲前置放大器［16］，有望進(jìn)一步提高該探測(cè)器的性能。

作者貢獻(xiàn)聲明唐晨陽(yáng)負(fù)責(zé)文章撰寫(xiě)、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理；陳欣南和高春宇負(fù)責(zé)具體實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和文章檢查；李雨芃負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理指導(dǎo)；王曉協(xié)助實(shí)驗(yàn)完成；湯秀章負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)和檢查。