唐晨陽 陳欣南 高春宇 李雨芃 王曉 湯秀章

（中國原子能科學研究院 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，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材料，具有較短發(fā)光衰減時間（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等各類粒子探測器［1］，常與SiPM耦合使用［2-4］。

然而，國內(nèi)的相關(guān)研究通常只是將SiPM用于計數(shù)率測量，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，導致輸出波形上升時間變慢。而大面積探測器陣列不僅需要高計數(shù)率還有時間同步的要求，這就要求輸出信號具有快上升時間（trise＜10 ns），以便進行后續(xù)信號的處理和分析。為滿足SiPM耦合塑料閃爍體大面積探測器陣列的應(yīng)用需求，研發(fā)了一款基于AD8014芯片的增益高、上升時間快、噪聲水平低的信號放大電路。

1 探測器簡介

實驗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)千個自猝滅單光子雪崩光電二極管（Single-photon avalanche photodiode，SPAD）組成，也稱為像素或微單元。當入射光子的能量到一定程度時，暗電流會迅速增大，形成電子雪崩效應(yīng)。大量電子雪崩效應(yīng)會導致電荷的快速增加，從而形成一個可觀測的電流脈沖［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。本實驗采用愛爾蘭SensL公司的MicroFC-30035-SMT。相較于其他型號SiPM，MicroFC-30035-SMT具有高增益、良好的信噪比和時間分辨率高的特點和優(yōu)勢。德國［6］、美國［7］和俄羅斯［8］等國實驗設(shè)備上均采用該款SiPM［9-10］。

實驗使用的塑料閃爍體為國產(chǎn)北京鐳蒙泰克公司的PD1150F型，閃爍體衰減時間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損失，從而提高測量的靈敏度和準確性。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

電路設(shè)計中，放大芯片分別為AD8014和OPA657兩款信號放大電路（均為獨立設(shè)計），并在Micro-cap 12中進行了電路仿真。SiPM信號放大讀出電路板由以下幾個部分組成：1）RC濾波部分；2）信號放大部分；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中未畫出）。信號由模擬信號源產(chǎn)生，經(jīng)過RC濾波部分初次濾波，隨后進入信號放大部分降噪，再通過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。兩者相關(guān)參數(shù)如表2所示，AD8014信號讀出電路如圖1所示，OPA657信號讀出電路如圖2所示。在圖1中，脈沖信號從結(jié)點8輸出；圖2中，脈沖信號從結(jié)點7輸出。

圖1 AD8014信號讀出電路圖Fig.1 Circuit diagram of AD8014 signal readout

圖2 OPA657信號讀出電路圖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

3.1 模擬信號源及電路設(shè)計

Micro-cap 12（M12）是一款功能強大的電子電路仿真軟件，被用于設(shè)計、分析和優(yōu)化電子電路?；贛icro-cap 12的軟件仿真，為了更貼近SiPM信號放大讀出電路板實際工作情況，模擬信號發(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）。模擬信號源輸出脈沖信號從結(jié)點6輸出，V（6）表示結(jié)點6出的信號電壓幅值，波形如圖3所示。

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

3.2 RC濾波部分

在信號進入放大器芯片之前，由于SiPM具有較大結(jié)電容以及電路本身的電阻，輸入信號需要經(jīng)過初級濾波電阻、初級濾波電容。對于AD8014，如圖1中R1和C2；對于OPA657，如圖2中R4和C3。使用初級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，同時對脈沖波形進行初級整形［11］。

3.3 信號放大部分

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)的表達式：

放大電路的噪聲來源有：電路元件的自帶噪聲、電磁干擾、溫度變化和電路串擾。電路的總輸出噪聲Eout表達式如下［12］：

經(jīng)過計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)測量，通過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。C3、R4耦合可以獲取特定頻率的信號，R5抑制比較器反射信號。根據(jù)計算，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的噪聲。通過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數(shù)。閾值調(diào)節(jié)器通過可調(diào)電位器控制輸出電平和脈沖數(shù)量。這部分實現(xiàn)了對放大器輸出信號的濾波降噪和抑制比較器反射信號，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 比較器差分信號輸出部分

差分信號輸出將信號分為正負兩個部分，并以差分形式輸出。與單端信號輸出相比，差分信號輸出具有以下幾個優(yōu)勢：抗干擾能力強、差分信號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］。

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

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

4 主要性能測試

實驗使用的塑料閃爍體條長度為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 暗噪聲水平測量

在半導體中，由于摻入雜質(zhì)和物質(zhì)本身的晶格缺陷，半導體會多出兩個能級：雜質(zhì)能級和缺陷能級，載流子在能級間的躍遷和復(fù)合符合熱統(tǒng)計規(guī)律，這個過程產(chǎn)生暗噪聲（Dark noise）［14］。在未耦合塑料閃爍體條前，通過調(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，可降低噪聲對計數(shù)率的影響。測量結(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 輸出脈沖與計數(shù)率

將塑料閃爍體一端涂好硅油與SiPM信號讀出板耦合，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，實際脈沖輸出波形參數(shù)如表3所示。根據(jù)增益（Gain）計算公式：

表3 模擬波形和實驗波形參數(shù)對比Table 3 Comparison between simulated and experimental waveform parameters

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

強光直射會造成SiPM讀出電路損壞，整個實驗過程在暗箱中完成。如圖8所示，通過水平方向移動放射源（137Cs，豁免源）在塑料閃爍體條上的位置，在相同的探測時間內(nèi)（5 min）得到不同水平位置處的脈沖計數(shù)。重復(fù)測量后取其計數(shù)率均值，結(jié)果如表4所示。

圖8 計數(shù)率實驗測量示意圖Fig.8 Schematic diagram of counting rate measurement

表4 不同距離處SiPM計數(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計數(shù)率越來越小。這是由于熒光發(fā)射過程中存在一定的非輻射衰減導致實際測量到的光強度減?。?5］，劇烈的光衰減發(fā)生在1~10 cm。使用AD8014和OPA657測量不同距離處計數(shù)率，測量結(jié)果顯示，AD8014板比OPA657板的平均計數(shù)率提高了51%。測量結(jié)果如圖9所示。

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

4.3 信號一致性

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特性一致。通過測量SiPM信號讀出板的一致性，這有助于減少由于組件不一致性引起的誤差。實驗前，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，在相同實驗條件下，測量不同位置處的計數(shù)率，計數(shù)率結(jié)果如表5所示。在一致性測量中，兩端計數(shù)率比之前單端測量明顯減少。在熒光產(chǎn)生后，信號會分流到兩端，因此，每個端口接收到的信號強度可能會減弱，導致整體計數(shù)率降低。結(jié)果表明，SiPM信號讀出板在對稱位置上計數(shù)率相近，相對誤差為6%，該款信號讀出板的一致性較好，一致性測量結(jié)果如圖10所示。

圖10 SiPM讀出板信號一致性測量Fig.10 SiPM readout board signal consistency values

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一款SiPM耦合塑料閃爍體探測器的信號放大讀出電路，該電路基于AD8014運算放大芯片，配合CR高通濾波電路，其輸出信號平均計數(shù)率高于300 s-1、暗噪聲低于30 mV，兼具上升時間快、輸入噪聲低的特點。與采用OPA657芯片的傳統(tǒng)跨阻放大電路相比，上升時間減少了52%，自研放大電路的峰值暗噪聲下降了62%，平均計數(shù)率增加了51%，并且具有良好的一致性，滿足了研發(fā)基于SiPM耦合塑料閃爍體的大面積探測器陣列的計數(shù)和時間同步需求。后續(xù)將采用一種新型高速低噪聲前置放大器［16］，有望進一步提高該探測器的性能。

作者貢獻聲明唐晨陽負責文章撰寫、實驗和數(shù)據(jù)處理；陳欣南和高春宇負責具體實驗指導和文章檢查；李雨芃負責數(shù)據(jù)處理指導；王曉協(xié)助實驗完成；湯秀章負責實驗設(shè)計、指導和檢查。