SiPM耦合塑料闪烁体探测器放大电路设计

唐晨阳 陈欣南 高春宇 李雨芃 王晓 汤秀章

（中国原子能科学研究院 北京 102413）

硅光电倍增器（Silicon Photomultiplier，SiPM）具有许多传统光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）不可比拟的优势，比如低工作偏压（30~100 V）、快速响应能力等，已经在高能物理领域得到广泛的应用。塑料闪烁体作为常用探测材料，具有较短发光衰减时间（2~20 ns）以及良好的位置分辨率，可以根据需求制成α、β、γ等各类粒子探测器［1］，常与SiPM耦合使用［2-4］。

然而，国内的相关研究通常只是将SiPM用于计数率测量，前置放大电路多选用跨阻放大器和较大反馈电容以降低噪声水平，导致输出波形上升时间变慢。而大面积探测器阵列不仅需要高计数率还有时间同步的要求，这就要求输出信号具有快上升时间（trise＜10 ns），以便进行后续信号的处理和分析。为满足SiPM耦合塑料闪烁体大面积探测器阵列的应用需求，研发了一款基于AD8014芯片的增益高、上升时间快、噪声水平低的信号放大电路。

1 探测器简介

实验使用的塑料闪烁体为北京镭蒙泰克公司的PD1150F，闪烁体衰减时间2.4 ns，发射光谱峰值范围较宽（395~425 nm），与SiPM响应光谱配合良好。

SiPM由数千个自猝灭单光子雪崩光电二极管（Single-photon avalanche photodiode，SPAD）组成，也称为像素或微单元。当入射光子的能量到一定程度时，暗电流会迅速增大，形成电子雪崩效应。大量电子雪崩效应会导致电荷的快速增加，从而形成一个可观测的电流脉冲［5］。常用的SiPM光敏面积有1 mm×1 mm、3 mm×3 mm和6 mm×6 mm三种。本实验采用爱尔兰SensL公司的MicroFC-30035-SMT。相较于其他型号SiPM，MicroFC-30035-SMT具有高增益、良好的信噪比和时间分辨率高的特点和优势。德国［6］、美国［7］和俄罗斯［8］等国实验设备上均采用该款SiPM［9-10］。

实验使用的塑料闪烁体为国产北京镭蒙泰克公司的PD1150F型，闪烁体衰减时间2.4 ns，发射光谱峰值范围较宽（395~425 nm），与MicroFC-30035-SMT型SiPM响应光谱配合良好（响应峰值为420 nm），使用该款塑料闪烁体能够最大程度减少光探测损失，从而提高测量的灵敏度和准确性。PD1150F型具体参数如表1所示。

表1 PD1150F型塑料闪烁体参数Table 1 PD1150F plastic scintillator parameters

2 总体设计

电路设计中，放大芯片分别为AD8014和OPA657两款信号放大电路（均为独立设计），并在Micro-cap 12中进行了电路仿真。SiPM信号放大读出电路板由以下几个部分组成：1）RC滤波部分；2）信号放大部分；3）CR耦合选通部分；4）比较器差分输出部分（仿真电路图1、2中未画出）。信号由模拟信号源产生，经过RC滤波部分初次滤波，随后进入信号放大部分降噪，再通过CR耦合部分二次滤波，最后脉冲输入到比较器部分产生差分放大信号。两者相关参数如表2所示，AD8014信号读出电路如图1所示，OPA657信号读出电路如图2所示。在图1中，脉冲信号从结点8输出；图2中，脉冲信号从结点7输出。

图1 AD8014信号读出电路图Fig.1 Circuit diagram of AD8014 signal readout

图2 OPA657信号读出电路图Fig.2 Circuit diagram if OPA657 signal readout

表2 AD8014、OPA657参数比较Table 2 Parameter comparison between the performance of AD8014 and OPA657

3 部件设计

3.1 模拟信号源及电路设计

Micro-cap 12（M12）是一款功能强大的电子电路仿真软件，被用于设计、分析和优化电子电路。基于Micro-cap 12的软件仿真，为了更贴近SiPM信号放大读出电路板实际工作情况，模拟信号发生源内引入了仿真噪声源（NOISE）以及SiPM内部自带的结电容（MicroFC-30035-SMT结电容为850 pF）。模拟信号源输出脉冲信号从结点6输出，V（6）表示结点6出的信号电压幅值，波形如图3所示。

图3 模拟信号源输出脉冲波形图Fig.3 Diagram of analog signal-source output pulse waveform

3.2 RC滤波部分

在信号进入放大器芯片之前，由于SiPM具有较大结电容以及电路本身的电阻，输入信号需要经过初级滤波电阻、初级滤波电容。对于AD8014，如图1中R1和C2；对于OPA657，如图2中R4和C3。使用初级RC的组合能够除去部分环境噪声和SiPM自身固有噪声的影响，同时对脉冲波形进行初级整形［11］。

3.3 信号放大部分

放大芯片分别采用AD8014和OPA657。应用放大器原理，推算出AD8014传递函数的表达式：

放大电路的噪声来源有：电路元件的自带噪声、电磁干扰、温度变化和电路串扰。电路的总输出噪声Eout表达式如下［12］：

经过计算可得总电流噪声为70.3 nA，总电压噪声为50.6 μV。为了降低放大器的输入噪声，在放大器的输入电压端使用LC滤波电路降低输入电压源的噪声和纹波，如图4所示。经测量，通过LC滤波后，输入放大器的电压纹波水平低于1%。

图4 放大器输入电源滤波LC电路图Fig.4 LC circuit diagram of amplifier input power filtering circuit

3.4 CR耦合选通部分

该部分由C3、R4和R5组成，用于处理输出到比较器的信号。C3、R4耦合可以获取特定频率的信号，R5抑制比较器反射信号。根据计算，该耦合选通部分截止频率f=（2πRC）-1=1.1 kHz，可以有效滤除放大器输出信号的噪声。通过隐藏较慢的充电尾部使脉冲变窄，从而允许更高频率的光子计数。阈值调节器通过可调电位器控制输出电平和脉冲数量。这部分实现了对放大器输出信号的滤波降噪和抑制比较器反射信号，CR耦合如图5所示。

图5 CR耦合部分电路图Fig.5 Circuit diagram of CR coupling sectiont

3.5 比较器差分信号输出部分

差分信号输出将信号分为正负两个部分，并以差分形式输出。与单端信号输出相比，差分信号输出具有以下几个优势：抗干扰能力强、差分信号输出可以减少共模干扰的影响，因此，在许多应用中被广泛采用［13］。

通过使用M12的信号仿真分析模式可以得到Vout端的输出信号脉冲波形，并且在图6中可以直接测量出相同放大倍数下输出信号的上升时间以及幅值。其中，V（8）表示结点8处AD8014输出脉冲信号幅值，V（7）表示结点7处OPA657输出脉冲信号幅值。

图6 AD8014 (a)与OPA657 (b)仿真输出信号图Fig.6 DSimulated output signal diagram of AD8014 (a) and OPA657 (b) simulation output signals

4 主要性能测试

实验使用的塑料闪烁体条长度为30 cm，横截面积为1 cm×1 cm，其一端用铝箔覆盖，外层使用反射材料薄膜全包裹。

4.1 暗噪声水平测量

在半导体中，由于掺入杂质和物质本身的晶格缺陷，半导体会多出两个能级：杂质能级和缺陷能级，载流子在能级间的跃迁和复合符合热统计规律，这个过程产生暗噪声（Dark noise）［14］。在未耦合塑料闪烁体条前，通过调节触发电平，观察到不同频率的噪声。一倍噪声频率为200 Hz，三倍噪声为10~20 Hz。设置阈值为三倍噪声，可降低噪声对计数率的影响。测量结果如图7所示，三倍噪声随输入偏压而增大。相较于OPA657板，AD8014板三倍噪声低于30 mV，峰值噪声水平降低62%。

图7 三倍噪声随偏压的变化Fig.7 Variations of triple noise with the bias voltage

4.2 输出脉冲与计数率

将塑料闪烁体一端涂好硅油与SiPM信号读出板耦合，取偏压为27.8 V，将触发电平调至三倍噪声，观察输出脉冲波形，实际脉冲输出波形参数如表3所示。根据增益（Gain）计算公式：

表3 模拟波形和实验波形参数对比Table 3 Comparison between simulated and experimental waveform parameters

分别计算得到两块信号读出板的增益。综合考虑两者暗噪声水平高低、上升时间快慢、信号增益大小，AD8014板的性能优于OPA657板。

强光直射会造成SiPM读出电路损坏，整个实验过程在暗箱中完成。如图8所示，通过水平方向移动放射源（137Cs，豁免源）在塑料闪烁体条上的位置，在相同的探测时间内（5 min）得到不同水平位置处的脉冲计数。重复测量后取其计数率均值，结果如表4所示。

图8 计数率实验测量示意图Fig.8 Schematic diagram of counting rate measurement

表4 不同距离处SiPM计数率Table 4 SiPM count rates at different distances

从表3可知，随着放射源离SiPM距离增加，SiPM计数率越来越小。这是由于荧光发射过程中存在一定的非辐射衰减导致实际测量到的光强度减小［15］，剧烈的光衰减发生在1~10 cm。使用AD8014和OPA657测量不同距离处计数率，测量结果显示，AD8014板比OPA657板的平均计数率提高了51%。测量结果如图9所示。

图9 不同距离处SiPM计数率变化Fig.9 Variations in SiPM count rates at different distances

4.3 信号一致性

在SiPM和读出板组成阵列或系统中必须保持不同组件之间的信号特性一致。通过测量SiPM信号读出板的一致性，这有助于减少由于组件不一致性引起的误差。实验前，将塑料闪烁体条两端的铝膜除去，然后两端各耦合一块AD8014读出板，在相同实验条件下，测量不同位置处的计数率，计数率结果如表5所示。在一致性测量中，两端计数率比之前单端测量明显减少。在荧光产生后，信号会分流到两端，因此，每个端口接收到的信号强度可能会减弱，导致整体计数率降低。结果表明，SiPM信号读出板在对称位置上计数率相近，相对误差为6%，该款信号读出板的一致性较好，一致性测量结果如图10所示。

图10 SiPM读出板信号一致性测量Fig.10 SiPM readout board signal consistency values

5 结语

本文设计了一款SiPM耦合塑料闪烁体探测器的信号放大读出电路，该电路基于AD8014运算放大芯片，配合CR高通滤波电路，其输出信号平均计数率高于300 s-1、暗噪声低于30 mV，兼具上升时间快、输入噪声低的特点。与采用OPA657芯片的传统跨阻放大电路相比，上升时间减少了52%，自研放大电路的峰值暗噪声下降了62%，平均计数率增加了51%，并且具有良好的一致性，满足了研发基于SiPM耦合塑料闪烁体的大面积探测器阵列的计数和时间同步需求。后续将采用一种新型高速低噪声前置放大器［16］，有望进一步提高该探测器的性能。

作者贡献声明唐晨阳负责文章撰写、实验和数据处理；陈欣南和高春宇负责具体实验指导和文章检查；李雨芃负责数据处理指导；王晓协助实验完成；汤秀章负责实验设计、指导和检查。