基于LED纳秒级脉冲的SiPM阵列监测电路

赵申森，沈仲弢,*，周安顺，牛亚洲，封常青，刘树彬

(1.核探测与核电子学国家重点实验室，中国科学技术大学，安徽 合肥 230026；2.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥 230026)

环形正负电子对撞机(CEPC)是中国正在推动的下一代大科学工程项目，旨在利用质心系能量在250 GeV附近的正负电子对撞产生的大量希格斯玻色子事例，对希格斯玻色子属性进行精确测量[1]。电磁量能器(ECAL)是CEPC的核心探测器之一，主要对占产物20%的光子进行能量测量[2]。该量能器采用粒子流量能器概念，具有单元颗粒度细、结构紧凑等特点，除传统的能量测量外，还具有径迹分辨的能力，可区分产物的不同成分，提高喷注能量分辨率[3-5]。CEPC ECAL有多种技术路线，不同技术路线采用不同的探测单元，其中一种技术路线采用塑料闪烁体条和硅光电倍增管(SiPM)作为基本探测单元。SiPM是一种由多个工作在盖革模式的雪崩二极管串联猝灭电阻后并联而成的硅基光电传感器件，具有增益高、工作电压低、体积小、时间分辨好、抗磁场等优势。近年来，由于成本不断下降，探测效率不断提高，使得SiPM在弱光探测领域有越来越多的应用，如激光雷达、高能物理实验、核医疗成像等[6-7]。然而，SiPM的增益具有温度依赖的特性[8]。在运行过程中，设备发热与环境温度变化会使SiPM温度发生变化，导致雪崩阈值电压改变，进而引起增益变化。同时，由于制造工艺的稳定性限制，不同批次的SiPM也存在一定的不一致性，因此需设计一套监测电路，在SiPM使用过程中实时地对其增益进行标定。

目前，国际直线对撞机(ILC)项目组的模拟强子量能器(AHCAL)原理样机是第1个大规模使用SiPM作为光电传感器件的大型量能器系统。该系统为监测SiPM工作状态，设计了基于发光二极管(LED)脉冲驱动电路的增益监测模块。模块采用电感储能，通过对开关的控制可产生脉冲电流，注入发光二极管，产生强度可调的纳秒级脉冲光。通过光纤分发至各探测单元中激发SiPM少数像素单元响应，得到单光电子谱从而完成SiPM增益监测[9-10]。但由于该种方法使用的发光二极管驱动电路体积较大，且需光纤穿过每个探测单元，并不适用于探测单元更小且排布更密集的CEPC ECAL结构。因此，本文设计一套基于纳秒级脉冲光的适用于CEPC ECAL、结构紧凑的多通道SiPM监测电路。

1 原型机对监测系统的需求

目前，ECAL的原型机正在设计制造中[11-13]。原型机由30层前端单元(EBU)和相应的数字接口电路(DIF)构成，每层EBU有210个由塑料闪烁体条和SiPM构成的探测单元，图1为原型机结构示意图。

图1 原型机结构示意图Fig.1 Schematic of prototype structure

粒子流算法要求探测单元具有较细的颗粒度。因此选择的闪烁体条的尺寸较小，为5 mm×45 mm×2 mm，相邻两层闪烁体条正交放置以近似获得5 mm×5 mm的颗粒度。每条闪烁体需1片SiPM进行闪烁光到电信号的转换。SiPM选用日本滨松公司的S12571-015P[14]，其像素单元为15 μm×15 μm，整体有效面积为1 mm×1 mm。每个探测单元均需1个受控发光的LED对其进行增益标定。SiPM的增益一般由电荷量与激发像素数的比值来定义。但实际系统运行时并不标定该定义下的增益的准确数值，而是标定与其具有线性关系的其他参数量。因为电荷量最终转化为测量系统中ADC的测量码值，所以将ADC码值与激发像素数的线性相关系数作为增益参数，其单位为ADC码值每光电子数(ADC码值/p.e.)。

这要求LED产生极其微弱且发光时间与SiPM信号宽度相匹配的脉冲光，使SiPM少量像素产生雪崩，从而获得单光电子谱。单光电子谱相邻两个峰的峰间距即为测量值和响应光子数的比例关系。图2为S12571-015P型号的SiPM单光子响应波形，信号脉宽约20 ns，半高宽约10 ns。ECAL原型机中闪烁体选用SAINT-GOBAIN公司的BC408塑料闪烁体[15]，发光衰减时间约为3 ns，SiPM的像素响应在单次响应中仅激活1次。脉冲光脉冲宽度应限制为10 ns左右，以避免像素被2次激活，否则SiPM响应曲线将与实际不符[16]。

另外，该监测系统需有以下特性：脉冲光波段应与塑料闪烁体发光波段和SiPM响应波段相匹配，以更好地模拟闪烁体发光和SiPM响应；脉冲光强度可调，用以监测SiPM在不同强度光的响应；结构紧凑，使得监测系统电子学、探测器集成在同一PCB电路板上，以节约空间。根据以上需求，本文设计一套基于LED脉冲发光的SiPM监测系统，可通过发出强度可控的纳秒级短脉冲光，对SiPM进行刻度，满足ECAL阶段的在线批量SiPM增益与响应监测需求。

图2 SiPM单光子响应波形Fig.2 Waveform of SiPM single photon response

2 SiPM监测系统设计

2.1 框架设计

图3为监测电路示意图，LED监测系统主要由上位机、FPGA、选通开关、驱动电路及LED阵列组成。上位机负责人机交互、配置刻度模式及与采集软件协同工作。FPGA选择Xilinx公司的A7100T，负责与上位机通信及对开关电路和驱动电路的控制。选通开关将待测通道选通以控制其驱动电路工作，选用SN74CBTLV3251芯片作为选通开关，单芯片可实现8通道选通。电路中使用两片芯片并通过选通信号级联，扩展为14通道。EBU的210个SiPM和对应的LED分为14组，每组包含15个探测单元和其对应的LED及1个选择通道。通过选通开关可选择任意1组进行刻度。驱动电路可调节驱动信号的强度，并接受数字刻度开关信号，产生刻度脉冲到指定通道。在系统中，驱动电路分布于各LED旁，就近驱动LED。

图3 监测电路示意图Fig.3 Schematic of monitoring circuit

2.2 发光二极管选型

LED选型主要从尺寸、发光波长两方面考虑。由于探测单元尺寸为5 mm×45 mm，且要求LED嵌于PCB中，所以选用0603表贴封装的LED。LED发光波长需与ECAL原型机所使用的闪烁体荧光波长相匹配，BC408塑料闪烁体荧光光谱的主要波长在400～480 nm之间。监测系统选用东裕光电公司型号为MK-0603-0.4T的LED作为发光器件，其发光光谱主波长为400 nm，与闪烁体匹配性较好，可较好地模拟闪烁体发光。

2.3 驱动电路设计

驱动电路是监测电路的重要组成部分，其功能是提供LED瞬间导通所需的电流且在发光结束后快速关断LED。双NMOS驱动电路如图4所示，其由偏压调节电路和脉冲产生电路组成。偏压调节电路由数模转换器(DAC)、放大器和上拉电阻组成。偏压调节电路将驱动电路的储能电容的静态电压提升到设定值，控制LED脉冲强度。EBU中210个LED共用1个偏压调节电路。DAC选用TLV5618A芯片，其输出范围设定为0～2.5 V，缓冲器选用AD8591芯片，在增加电路驱动能力的同时提供2倍增益，使偏压调节范围为0～5 V。AD8591最大支持250 mA输出电流，满足5 V电压通过10 kΩ电阻对210路电容充电的电流需求。

脉冲产生电路由延迟芯片、MOSFET驱动芯片、NMOS管和电容组成。脉冲产生电路共210个驱动单元，分为14组，每组15个。每个驱动单元由两个NMOS管，受驱动的LED和电容组成。组内LED驱动单元共用1套MOSFET驱动器和延迟芯片。LED放电通路受两个NMOS管控制，NMOS1将放电回路导通，电容储存的电荷将经过LED，通过NMOS1泄放，此时LED发光。NMOS2提供低阻旁路，迅速降低LED偏压，使其停止发光。NMOS管受MOSFET驱动芯片驱动。驱动器的存在可增加瞬时驱动电流能力，从而提高控制电路的带负载能力和MOS管响应速度。延迟芯片型号为DS1100，设定其延时为4 ns。MOSFET驱动芯片选用TI公司的UCC27524A。NMOSFET选用ON Semiconductor公司的MCH6661芯片，其导通电阻为250 mΩ左右，可为LED提供低阻放电回路。

初始待命状态时，NMOS1与NMOS2皆为截止状态。DAC调节到指定输出电压，经放大器输出至210路LED旁的电容，使电容充电至指定电压。当选通芯片输出的某组启动信号电平变高时，由于延迟芯片的作用，NMOS1先导通，电容通过LED和NMOS1进行放电使LED发光，直至电容上电压接近LED导通电压。经过固定延迟，NMOS2导通，迅速泄放电容上电荷，使LED的P极电压接近0 V后停止发光。在脉冲发光期间，偏压调节电路输出端与LED由10 kΩ电阻相隔，可作为断路考虑。

图4 双NMOS驱动电路示意图Fig.4 Schematic of LED driving circuit based on dual NMOS

S启动信号电平变低时，NMOS1先关断，NMOS2后关断，电容通过电阻由偏压输出端充电至指定电压，从而完成1次脉冲驱动循环，等待下次启动信号。

由于电容需充电至指定电压才可进行下次LED驱动，所以存在最小刻度间隔时间tmin。充电时，电容偏压随时间符合指数变化规律，取3倍时间常数(30 μs)作为充电所需时间。

在基于电容储能的小体积LED脉冲光驱动电路设计中，NMOS2的存在尤其关键。因为电容在泄放过程中，电荷量降低，两端电压降低。当偏压接近LED正向发光阈值电压时，LED阻值会大幅增加，使得电荷泄放变慢，最终脉冲光尾部会有较长时间弱发光现象。而NMOS2可提供对地低阻回路，可将电容残余电荷迅速泄放，使LED及时停止发光。

分别对单NMOS驱动电路(图5)和双NMOS驱动电路进行仿真，比对驱动效果。单NMOS模型中，NMOS管使用MCH6661官方PSPICE模型，电容为1 nF，电阻为10 kΩ。偏压为理想电压源，驱动信号为脉冲方波信号，时间宽度为4 ns，幅度为3.3 V。根据图4所示的双NMOS驱动电路建立模型，上拉电压采用理想电压源，NMOS管采用MCH6661芯片的PSPICE模型，MOSFET驱动器采用UCC27524芯片的PSPICE模型。仿真中未采用延迟芯片DS1100的PSPICE模型，而是直接采用两个相差4 ns的信号供给UCC27524芯片模拟延迟芯片的作用。

图5 单NMOS简易LED驱动电路Fig.5 Simple LED driving circuit based on single NMOS

仿真得到的脉冲电流随时间的变化关系如图6所示。单NMOS驱动下的电流脉冲半高宽约10 ns，但10%高度对应宽度大于20 ns。脉冲宽度过长的主要原因是LED不能及时被关闭截止。而在考虑MOSFET驱动芯片驱动能力及MOSFET管响应速度的情况下，双NMOS驱动电路可在LED上产生时间宽度为10 ns内的电流脉冲。NMOS1的导通可提供低阻通道，泄放LED正极电荷，使两端电压小于导通电压，迅速使LED进入截止状态。仿真结果表明，有必要采用双NMOS驱动电路的设计，且该设计在原理上可满足光刻度操作对光脉冲的时间宽度需求。

图6 驱动电路仿真电流波形Fig.6 Simulation current waveform of driving circuit

2.4 LED安装与排布

LED安装位置如图7所示。SiPM置于闪烁体凹槽中。LED焊接在PCB板另一侧，倒扣于机械孔中，向闪烁体发光。为增加光收集效率，闪烁体外侧由反射膜包裹。反射膜在LED对应位置开孔，使LED光可进入闪烁体然后传导至SiPM。LED倒扣的设计可尽量保证闪烁体完整性，不必额外在闪烁体中挖槽而引入光产额不均匀性。

图7 LED安装位置Fig.7 Implement position of LED

图8为EBU的LED排布示意图。EBU中有210个闪烁体，每个闪烁体下方均按图7所示的方式放置LED。颜色表示探测单元及对应LED的分组，颜色相同的LED代表被分到同一组内，同时被驱动发光。每两组的LED交替摆放，这样使得当1组LED被驱动时，相邻LED不发光，可避免光串扰。图9为安装在EBU的LED实物图。由SiPM侧向LED观察，可看到LED透过通光孔向SiPM侧发光。

图8 EBU的LED排布示意图Fig.8 Schematic of LED layout on EBU

图9 LED发光实物图Fig.9 Photograph of LED emitting

3 实验测试与结果

3.1 时域波形测试

时域波形测试的目的是确定发光波形时域特性，确保脉冲宽度符合监测电路需求。预期光脉冲宽度在10 ns左右，为不失真地反应光脉冲的波形信息，需采用响应较快的光电倍增管(PMT)对光脉冲进行探测。

测试时，将光纤两端分别与LED和滨松公司的R4443型号PMT感光面接触。用示波器观察PMT对LED脉冲光的响应波形，结果如图10所示。LED发出的光脉冲宽度约为10 ns，符合设计要求。

图10 用PMT测得的LED光脉冲波形Fig.10 LED light pulse measured by PMT

3.2 增益监测功能测试

图11 LED驱动下的SiPM单光子峰谱Fig.11 Single photon spectrum induced by LED drive

周期性地使驱动电路产生脉冲电流驱动LED发光，使用EBU数据采集系统同步测量脉冲光下的SiPM响应。对每次信号测量值进行分布统计，即得到幅度统计谱。为获得更好的分辨率，调节驱动电路电压，改变LED脉冲光强度，使得SiPM仅探测到少数几个光子，从而各个幅度统计峰可被清晰分辨。图11为EBU中其中1路SiPM在光监测系统下的响应幅度统计谱，横坐标为SiPM响应强度的测量值，纵坐标为该测量值下的信号计数，可看出，在1～7个光子响应幅度处有明显可见的峰结构。峰间距作为SiPM增益的表征参数，其含义是每个光电子响应对应的ADC码值数。对基线位置和前3个光电子峰进行高斯拟合，提取峰位，可得到峰位与响应光子数的对应关系。图12为SiPM单光子谱的峰位拟合，拟合直线的斜率为该SiPM的增益。

图12 SiPM单光子谱的峰位拟合Fig.12 Fitting of peak location of SiPM single photon

调节监测电路的偏压，在210路SiPM处于少数光电子响应的状态时，对SiPM进行标定和幅度统计。图13、14为SiPM增益分布和统计分布，210路SiPM成功测得增益，增益分布在17～27 ADC码值/p.e.范围内。该测试结果可为数据离线修正、增益补偿和SiPM状态检测等操作提供参考数据。

图13 EBU上的SiPM增益分布Fig.13 SiPM gain distribution on EBU

4 结论

本文设计了基于LED 纳秒级脉冲的SiPM阵列监测电路，并进行了仿真与测试。该驱动电路可使LED产生10 ns左右的窄宽度光脉冲，使SiPM产生少数光子响应，进而完成自动化增益批量监测。该系统已应用于CEPC ECAL原型机的光刻度系统，并完成了联合测试，可良好地完成SiPM增益监控功能，使电子学系统拥有SiPM增益补偿、离线增益修正、SiPM状态自检的潜在能力，满足了CEPC ECAL的SiPM监测需求。

图14 EBU上的SiPM增益统计分布Fig.14 Statistical distribution of SiPM gain on EBU