一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计

董龙傅丹膺龚志鹏

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）

（2 中国空间技术研究院，北京 100094）

一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计

董龙1傅丹膺2龚志鹏1

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）

（2 中国空间技术研究院，北京 100094）

X射线单光子探测电路是将入射X射线单光子转换成电信号，进而测量入射光子到达时间和能谱特性的电路，是X射线脉冲星导航的关键技术之一。文章通过分析X射线脉冲星的辐射特性提出了一种基于硅-雪崩光电二极管（Si-APD）的探测电路，Si-APD探测器通过外置偏置高压对入射X射线单光子电离出来的电子进行雪崩放大，偏置电压随着温度的变化自动调节，保证Si-APD增益的稳定性。雪崩抑制电路的作用是对探测器进行复位以探测下一个X射线单光子，文章给出了雪崩抑制电路的工作原理和设计方法，并进一步讨论了在单光子探测应用条件下的前置放大电路和主放大电路设计，合理设计电荷灵敏前置放大器是实现电流电压转换、高增益、低噪声和高时间精度的关键技术，整形带通主放大器作为 Si-APD的放大电路，设计合适的带宽和增益可以提高系统信噪比、稳定性、时间分辨率和能谱测量精度。该电路相比于正比计数器、硅漂移探测电路等，具有体积质量较小、可靠性高、造价低廉等优点，可实现高速、高信噪比的X射线单光子探测电路设计。

雪崩光电二极管 X射线 单光子探测 电路设计 脉冲星导航

0 引言

面向X射线脉冲星导航（X-ray pulsar-based navigation，XPNAV）的单光子探测器是脉冲星导航的核心技术。X射线脉冲星是一种具有超高温、超高压、超高密度、超强磁场、超强电场和超强应力场等极端物理条件的天体，可发射周期性的X射线脉冲信号，其周期范围一般为1.6ms～8.5s，少数脉冲星的周期达到几千秒[1-3]。

X射线脉冲星导航就是利用安装在航天器上的X射线探测器，探测脉冲星辐射X射线光子并记录光子到达时间，对光子到达时间经行历元折叠，从而恢复航天器与X射线脉冲星的关系，确定航天器姿态、位置、速度和时间等导航参数[4-7]。X射线探测器是脉冲星导航定位系统的最重要的有效载荷之一。

面向X射线脉冲星探测器的研制在我国刚处于起步阶段，尚没有卫星载荷在轨运行，目前在研项目通常采用正比计数管探测器或者采用微通道板作为X射线单光子接收器。正比计数管探测器作为成熟的探测方法，优点是量子效率高，缺点是空间分辨率低；微通道板的优点是空间分辨率高，但是能量分辨率低。同时这两种方案探测器体积较大，使系统轻小型化存在困难[1,8-9]。另外由于脉冲星背景辐射的存在，造成系统的信噪比很低，探测效率较低[10-12]。

本文提出一种基于Si-APD（硅-雪崩光电二极管）的X射线单光子探测电路，是X射线脉冲星探测器的电子学部分，实现光电转换、脉冲检测功能，该电路体积小、功耗低、信噪比高，目前已被用于某型号的X射线脉冲星探测。

1 Si-AP D X射线单光子探测器及其工作电路设计

Si-APD通过光电效应使半导体材料吸收光子并转化为电子，在此基础上，通过外置电场的作用产生电子—空穴雪崩效应实现光电子的雪崩式倍增，对输入光信号进行雪崩式的放大[13]。在单光子探测应用时，Si-APD外加高偏置电压使其工作于临界雪崩状态，X射线穿越探测器时，发生光电效应及康普顿散射，产生一定量的自由电子，其量子效率与X射线能量及探测器量子效率有关。这些自由电子在外加高偏置电压作用下使 Si-APD发生雪崩效应，电流以纳秒级的上升时间迅速达到肉眼可见的稳定水平 mA级，雪崩脉冲的上升沿标志着被探测光子的到达时间。雪崩效应发生后，需要外置电路降低 Si-APD两端的偏置电压，关断Si-APD的雪崩状态，之后偏置电压恢复以探测下一个光子。

为实现 Si-APD的驱动控制，其驱动电路分为无源抑制电路和有源抑制电路。其中无源抑制电路结构简单，噪声较小，但是恢复时间较长，其时间分辨率大于 400ps。而有源抑制电路电路较复杂，噪声较大，但是恢复时间较短，时间分辨率可达到20ps左右。

由于X射线脉冲星距离地球十分遥远，其X射线辐射到近地轨道后能量非常小，以Crab脉冲星为例，有效面积为0.1m2的探测器，每秒钟可接受7 800个光子。考虑到光学系统的收集效率和探测传感器的尺寸，每个传感器每秒钟接收光子数约为10个，其能量主要分布在0.5keV～10keV范围内[1,2,14]。要求时间分辨率为10μs量级，使用无源抑制电路可以满足时间分辨率要求，并且电路简单、功耗和噪声都比较小。

无源抑制电路是指将APD与一个大电阻R1串联，电阻通常＞50MΩ，电路原理及其等效电路如图1所示。反向偏置电压通过大电阻R1加到APD上，在初始阶段，在APD上加有一临界雪崩电压的偏置电压Vp，此时无光触发事件，对应于等效电路中的开关K打开，此时APD两端电压为Vp。发生单光子事件时，APD雪崩击穿，开关K闭合，APD两端的电压迅速降为Vp–IiR1，此电压值要远小于APD的雪崩电压，从而抑制了雪崩的继续进行，同时电容Cd和Cs开始放电，OUT端产生一个雪崩脉冲信号。经过约Rd(Cd+Cs)时间后，Cs上的电压下降为与APD两端的电压一致，完成一个脉冲输出[15]。

图1 无源抑制电路及其等效电路Fig.1 The passive circuit of avalanche quenching and the equivalent circuit

雪崩停止后，即开关K断开，偏置电压以时间常数(Cd+Cs)R1通过电阻R1向APD和电容Cs充电，使APD上的工作电压恢复到初始阶段，此时APD恢复临界雪崩状态，等待下一个光子到达。

偏置电压的大小是APD能够正常工作的关键，电压过大时，APD内部热噪声引起的雪崩使APD按照上述工作模式连续不断输出脉冲，即暗计数，光子输出淹没在这些脉冲中；电压较小时，APD雪崩增益不足而无法发生雪崩效应，使得单光子输出淹没在底噪声中，无法探测。APD外加偏置电压工作可调范围根据APD掺杂层厚度不同而不同，通常为100V量级。

偏置电压随温度变化明显，图2所示为热真空试验下取得的偏置电压随温度变化曲线。

图2 APD偏置电压随温度变化曲线Fig.2 Curve of APD bias voltage vs. temperature

图2中蓝色曲线表示偏置电压上限，红色曲线为偏置电压下限，x代表横轴温度值，y代表纵轴电压值。

由图2可知，偏置电压随温度线性变化，从拟合公式可知变化率约为0.76V/℃，探测器在轨工作时受太阳辐射会产生温度变化，且在轨工作与地面试验时存在温度差异，这都需要对偏置电压Vp进行实时调节。当采用多探测器联合工作时，各探测器偏置电压需单独调节，通过终端精密电阻调节实现不同探测器的分别调整，从而实现多探测器在轨X射线探测。

2 单光子放大电路设计

放大电路根据目的不同分为前置放大电路和主放大电路，其中前置放大电路要求信噪比高，具有采样保持功能；主放大电路要求放大倍数高，并能够对前置电路进行整形。前置放大电路要求尽量临近探测器并进行电磁屏蔽，从而保证探测系统的信噪比，前置放大器与主放大器之间采用同轴电缆或差分线连接，保证信号的完整性。

2.1 前置放大电路

前置放大电路的功能是对探测器产生的电荷转化为电压信号，并进行放大，同时由于探测器的响应时间非常快，需要采样保持电路延长信号时间，使后续电路能对捕捉到脉冲达到时间。目前最理想的前置放大电路是电荷灵敏前置放大电路，相比电压灵敏前置放大电路和电流灵敏前置放大电路，电荷灵敏前置放大电路具有响应速度快，信噪比高、稳定性高、能量分辨率高的特点[16]。

本设计选用N沟道结型场效应管和针对微小信号的高速低噪声放大器，N沟道结型场效应管具有漏电流小、噪声小、输入电容小的优点，将APD的输出进行预放大，电路原理如图3所示：

图3 Si-APD前置放大电路Fig.3 The pre-amplifier circuit of Si-APD

对于图3所示的电荷灵敏前置放大器，不难看出，输出信号电压稳定值：

式(1)中 Vt(∞)为输入信号电压稳定值，A为电路增益

式中 Q为输入电荷；Cifo是前置放大电路等效输入电容：

式中 tw为 Si-APD器件响应时间；Ci为探测器等效输出电容及印制板连接线的分布电容。由于输出信号电压幅度VoM为输出信号电压稳定值 Vo(∞)：

事实上，前置放大器输入端的噪声也会与有用脉冲信号一起放大，因此需要保证输入端及放大器本身的噪声足够小，使得有用信号能被分辨出来并加以放大。

2.2 主放大电路

前置放大器输出的有用信号通常混杂有噪声和干扰，因此采用主放大器对接收的前放输出信号进行滤波来提高信号的信噪比。主放大器接受由前放提供的输入脉冲的形状，并且要把它们改造成能谱测量需要的最佳脉冲形状。

图4（a）为前置放大器输出的脉冲形状。输出由迅速上升的跳变前沿和一个慢的指数衰减后沿组成（由图3中Cf对Rf放电形成）。其跳变前沿的幅度代表着X射线单光子的能量。指数衰减后沿的时间常数通常为50μs或更大。因被探测事件的幅度通常是变化的，产生的时间是随机的，所以前放输出通常是很不规则的。如

图4 放大器输出Fig.4 The output of amplifier

由以上分析可见，主放大器需要采用类似微分器的电路实现一个短得多的衰减时间取代前放输出。图4（b）示意了这一功能，主放大器正脉冲代表前置放大器的上升沿，并与上升沿幅值大小成正比，其脉冲宽度要远小于前置放大器脉宽，约为1μs左右。

图5给出了采用2级主放大器进行信号放大的电路原理。

图5 主放大器原理电路Fig.5 The principle circuit of main-amplifier

一级主放由前端高通滤波网络和负反馈放大器电路组成一阶高通滤波器。实现图4（b）所示的微分功能。

高通滤波电路设计放大倍数A1为：

其截止频率fp为。

二级主放由前端低通滤波网络和负反馈放大器电路组成一阶低通滤波器，设计放大倍数A2为：

低通滤波的主要目的是消除前端放大器产生的噪声脉冲信号。

主放大电路的高通、低通滤波参数需要根据探测器及其前置放大电路的输出特性进行调节。

经过探测器、前置放大器和主放大器的整形和放大，实现其输出电压幅值满足后续 AD、计数器等电路的探测输入要求，实现X射线单光子的探测。

3 测试及性能分析

面向X射线脉冲星脉冲到达时间，时间测量系统要求电路具有时间稳定性；另外由于单光子输入特性，要求电路具有较低的噪声。因此测量的主要项目为时间响应特性和噪声特性的测试。X射线单光子放射源采用X射线管产生、辐射峰值谱段为1.24keV，通过光栅和衰减片衰减到单光子量级（辐射计测量）。由于空气对X射线具有较强的吸收特性，因此实验在真空环境中进行，测试环境如图6所示。

图6 X射线单光子电路测试环境Fig.6 The testing environment of X-ray single-photon detector

1）时间响应特性

由示波器测量单光子响应脉宽为4.08μs，即采用无源抑制电路及整形滤波后，对单粒子响应的时间分辨率为4.08μs。

由于X射线源辐射单光子为随机辐射，没有时间信息，因此测试系统时间响应特性需要具有固定时间特性的输入信号，由图7所示的测试系统，用波形发生器产生模拟的脉冲信号（占空比1%），输出给激光发生器，使其产生脉冲激光；同时将波形发生器产生的波形与放大电路产生的波形输入到示波器中，测试其延时误差，这里延时包括了激光发生器的延时和电路的延时。对于固定的延时，系统对其不做要求，这里重点测试延时的随机误差。

图7 延时误差测试系统Fig.7 The testing system of delay error

通过示波器时间统计，延时的随机变化率为35.56ns，这个误差包括激励源的响应误差和电路的响应误差，从而可以知道，模拟前端电路的时间抖动误差优于35.56ns。

2）电路噪声测试

电路噪声测试只探测电路在无X射线输入情况下的输出特性，为方便分析，需要把输出端的电压等效到输入电子数，测试时给 Si-APD探测器前段覆盖遮光罩，过滤光谱输入，分别对放大电路无探测器时、有探测器时、加载雪崩电压时的输出噪声进行统计。电路无探测器接入时的输出即为电路自身产生的噪声，有探测器无偏压情况输出为探测器暗电流和电路噪声的累加，有探测器有偏置电压条件下的输出为总噪声水平。统计结果如表1所示：

表1 各级放大器输出噪声统计Tab.1 Output noise of amplifiers

从表1可得出：放大电路噪声为55.41mV，转换为源端等效噪声NPCB为0.104keV，无偏压条件下探测器噪声为 7.95–4.73=3.22mV，转换为源端等效噪声NAPD为 0.134keV，即探测器本底暗电流的等效噪声为 0.134keV；有偏压条件下探测器噪声为 10.12–4.73=5.39mV，转换为源端等效噪声 NVB-APD为0.224keV，即探测器工作在临界雪崩状态时的等效噪声为0.224keV，因此包括探测器在内前端模拟电路的等效噪声输入为：，满足系统0.5keV的最小输入强度下的技术要求。

4 结束语

面向X射线脉冲星导航的单光子探测器在轨接收X射线单光子，记录光子到达时间和光谱信息，需要测量系统频率响应和幅值响应具有稳定性。本文介绍的一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计，采用 Si-APD作为探测器，利用雪崩效应对光生电子进行放大，通过抑制电路控制探测器工作，通过温度传感器自动调整APD偏置电压，采用电荷灵敏前置放大电路和带通滤波主放大器进行逐级放大，兼具脉冲整形和放大功能，具有优良的信噪比和放大倍数，整体电路简单、成本较低、实用性强，经实验测试满足X射线单光子探测要求。

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Design of the X-ray Single Photon Detection Circuit Based on Si-APD

DONG Long1FU Danying2GONG Zhipeng1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics &Electricity, Beijing 100094, China）
（2 China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China）

X-ray photons can be converted into electrons by a circuit of X-ray single photon detection, so that the arrival time and the energy spectrum of the photons are measured. This kind of circuit is one of the key techniques of X-ray pulsar-based navigation. After analyzing the radiation characteristic of X-ray Pulsar, a detection circuit using Si-APD is designed, in which the Si-APD detector provides electrons from avalanche ionization caused by the single incident X-ray photon. The detector is controlled by external offset high-voltage. The automatic regulation of the bias voltage along with the temperature ensures the gain stability of the Si-APD. The avalanche quenching circuit is designed as well to reset the detector for the next detection. The operating principle and the designing method are introduced. Furthermore, the design of preamplifier and main amplifier in the certain conditions of single photon detection is discussed. A reasonable design of Charge-sousiltive preamplifier is the key point to implement the switch from voltage to current, high gain, low noise and high time precision. Proper band with and gain designed of the shaping band-pass main-amplifier are helpful in improving SNR, stability, time resolution and spectrum measurement precision. Compared with proportional counter and silicon drift detector(SDD), this kind of circuit not only achieves high speed and high SNR for designing the circuit of X-ray single photon detection but also has lighter weight, smaller size, higher reliabilityand less cost.

avalanche photo diode; X-ray; single photon detection; circuit design；pulsar-based navigation

TN202

: A

: 1009-8518(2016)01-0055-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.01.007

董龙，男，1983年生，毕业于西安交通大学，北京空间机电研究所在读博士研究生，研究方向为航天遥感器电子工程及控制技术。E-mail: donglongemail@163.com。

（编辑：刘颖）

2015-03-17