一種基于Si-APD的X射線單光子探測電路設計

董龍傅丹膺龔志鵬

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）

（2 中國空間技術研究院，北京 100094）

一種基于Si-APD的X射線單光子探測電路設計

董龍1傅丹膺2龔志鵬1

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）

（2 中國空間技術研究院，北京 100094）

X射線單光子探測電路是將入射X射線單光子轉換成電信號，進而測量入射光子到達時間和能譜特性的電路，是X射線脈沖星導航的關鍵技術之一。文章通過分析X射線脈沖星的輻射特性提出了一種基于硅-雪崩光電二極管（Si-APD）的探測電路，Si-APD探測器通過外置偏置高壓對入射X射線單光子電離出來的電子進行雪崩放大，偏置電壓隨著溫度的變化自動調節(jié)，保證Si-APD增益的穩(wěn)定性。雪崩抑制電路的作用是對探測器進行復位以探測下一個X射線單光子，文章給出了雪崩抑制電路的工作原理和設計方法，并進一步討論了在單光子探測應用條件下的前置放大電路和主放大電路設計，合理設計電荷靈敏前置放大器是實現電流電壓轉換、高增益、低噪聲和高時間精度的關鍵技術，整形帶通主放大器作為 Si-APD的放大電路，設計合適的帶寬和增益可以提高系統信噪比、穩(wěn)定性、時間分辨率和能譜測量精度。該電路相比于正比計數器、硅漂移探測電路等，具有體積質量較小、可靠性高、造價低廉等優(yōu)點，可實現高速、高信噪比的X射線單光子探測電路設計。

雪崩光電二極管 X射線 單光子探測 電路設計 脈沖星導航

0 引言

面向X射線脈沖星導航（X-ray pulsar-based navigation，XPNAV）的單光子探測器是脈沖星導航的核心技術。X射線脈沖星是一種具有超高溫、超高壓、超高密度、超強磁場、超強電場和超強應力場等極端物理條件的天體，可發(fā)射周期性的X射線脈沖信號，其周期范圍一般為1.6ms～8.5s，少數脈沖星的周期達到幾千秒[1-3]。

X射線脈沖星導航就是利用安裝在航天器上的X射線探測器，探測脈沖星輻射X射線光子并記錄光子到達時間，對光子到達時間經行歷元折疊，從而恢復航天器與X射線脈沖星的關系，確定航天器姿態(tài)、位置、速度和時間等導航參數[4-7]。X射線探測器是脈沖星導航定位系統的最重要的有效載荷之一。

面向X射線脈沖星探測器的研制在我國剛處于起步階段，尚沒有衛(wèi)星載荷在軌運行，目前在研項目通常采用正比計數管探測器或者采用微通道板作為X射線單光子接收器。正比計數管探測器作為成熟的探測方法，優(yōu)點是量子效率高，缺點是空間分辨率低；微通道板的優(yōu)點是空間分辨率高，但是能量分辨率低。同時這兩種方案探測器體積較大，使系統輕小型化存在困難[1,8-9]。另外由于脈沖星背景輻射的存在，造成系統的信噪比很低，探測效率較低[10-12]。

本文提出一種基于Si-APD（硅-雪崩光電二極管）的X射線單光子探測電路，是X射線脈沖星探測器的電子學部分，實現光電轉換、脈沖檢測功能，該電路體積小、功耗低、信噪比高，目前已被用于某型號的X射線脈沖星探測。

1 Si-AP D X射線單光子探測器及其工作電路設計

Si-APD通過光電效應使半導體材料吸收光子并轉化為電子，在此基礎上，通過外置電場的作用產生電子—空穴雪崩效應實現光電子的雪崩式倍增，對輸入光信號進行雪崩式的放大[13]。在單光子探測應用時，Si-APD外加高偏置電壓使其工作于臨界雪崩狀態(tài)，X射線穿越探測器時，發(fā)生光電效應及康普頓散射，產生一定量的自由電子，其量子效率與X射線能量及探測器量子效率有關。這些自由電子在外加高偏置電壓作用下使 Si-APD發(fā)生雪崩效應，電流以納秒級的上升時間迅速達到肉眼可見的穩(wěn)定水平 mA級，雪崩脈沖的上升沿標志著被探測光子的到達時間。雪崩效應發(fā)生后，需要外置電路降低 Si-APD兩端的偏置電壓，關斷Si-APD的雪崩狀態(tài)，之后偏置電壓恢復以探測下一個光子。

為實現 Si-APD的驅動控制，其驅動電路分為無源抑制電路和有源抑制電路。其中無源抑制電路結構簡單，噪聲較小，但是恢復時間較長，其時間分辨率大于 400ps。而有源抑制電路電路較復雜，噪聲較大，但是恢復時間較短，時間分辨率可達到20ps左右。

由于X射線脈沖星距離地球十分遙遠，其X射線輻射到近地軌道后能量非常小，以Crab脈沖星為例，有效面積為0.1m2的探測器，每秒鐘可接受7 800個光子?？紤]到光學系統的收集效率和探測傳感器的尺寸，每個傳感器每秒鐘接收光子數約為10個，其能量主要分布在0.5keV～10keV范圍內[1,2,14]。要求時間分辨率為10μs量級，使用無源抑制電路可以滿足時間分辨率要求，并且電路簡單、功耗和噪聲都比較小。

無源抑制電路是指將APD與一個大電阻R1串聯，電阻通常＞50M?，電路原理及其等效電路如圖1所示。反向偏置電壓通過大電阻R1加到APD上，在初始階段，在APD上加有一臨界雪崩電壓的偏置電壓Vp，此時無光觸發(fā)事件，對應于等效電路中的開關K打開，此時APD兩端電壓為Vp。發(fā)生單光子事件時，APD雪崩擊穿，開關K閉合，APD兩端的電壓迅速降為Vp–IiR1，此電壓值要遠小于APD的雪崩電壓，從而抑制了雪崩的繼續(xù)進行，同時電容Cd和Cs開始放電，OUT端產生一個雪崩脈沖信號。經過約Rd(Cd+Cs)時間后，Cs上的電壓下降為與APD兩端的電壓一致，完成一個脈沖輸出[15]。

圖1 無源抑制電路及其等效電路Fig.1 The passive circuit of avalanche quenching and the equivalent circuit

雪崩停止后，即開關K斷開，偏置電壓以時間常數(Cd+Cs)R1通過電阻R1向APD和電容Cs充電，使APD上的工作電壓恢復到初始階段，此時APD恢復臨界雪崩狀態(tài)，等待下一個光子到達。

偏置電壓的大小是APD能夠正常工作的關鍵，電壓過大時，APD內部熱噪聲引起的雪崩使APD按照上述工作模式連續(xù)不斷輸出脈沖，即暗計數，光子輸出淹沒在這些脈沖中；電壓較小時，APD雪崩增益不足而無法發(fā)生雪崩效應，使得單光子輸出淹沒在底噪聲中，無法探測。APD外加偏置電壓工作可調范圍根據APD摻雜層厚度不同而不同，通常為100V量級。

偏置電壓隨溫度變化明顯，圖2所示為熱真空試驗下取得的偏置電壓隨溫度變化曲線。

圖2 APD偏置電壓隨溫度變化曲線Fig.2 Curve of APD bias voltage vs. temperature

圖2中藍色曲線表示偏置電壓上限，紅色曲線為偏置電壓下限，x代表橫軸溫度值，y代表縱軸電壓值。

由圖2可知，偏置電壓隨溫度線性變化，從擬合公式可知變化率約為0.76V/℃，探測器在軌工作時受太陽輻射會產生溫度變化，且在軌工作與地面試驗時存在溫度差異，這都需要對偏置電壓Vp進行實時調節(jié)。當采用多探測器聯合工作時，各探測器偏置電壓需單獨調節(jié)，通過終端精密電阻調節(jié)實現不同探測器的分別調整，從而實現多探測器在軌X射線探測。

2 單光子放大電路設計

放大電路根據目的不同分為前置放大電路和主放大電路，其中前置放大電路要求信噪比高，具有采樣保持功能；主放大電路要求放大倍數高，并能夠對前置電路進行整形。前置放大電路要求盡量臨近探測器并進行電磁屏蔽，從而保證探測系統的信噪比，前置放大器與主放大器之間采用同軸電纜或差分線連接，保證信號的完整性。

2.1 前置放大電路

前置放大電路的功能是對探測器產生的電荷轉化為電壓信號，并進行放大，同時由于探測器的響應時間非?？欤枰蓸颖３蛛娐费娱L信號時間，使后續(xù)電路能對捕捉到脈沖達到時間。目前最理想的前置放大電路是電荷靈敏前置放大電路，相比電壓靈敏前置放大電路和電流靈敏前置放大電路，電荷靈敏前置放大電路具有響應速度快，信噪比高、穩(wěn)定性高、能量分辨率高的特點[16]。

本設計選用N溝道結型場效應管和針對微小信號的高速低噪聲放大器，N溝道結型場效應管具有漏電流小、噪聲小、輸入電容小的優(yōu)點，將APD的輸出進行預放大，電路原理如圖3所示：

圖3 Si-APD前置放大電路Fig.3 The pre-amplifier circuit of Si-APD

對于圖3所示的電荷靈敏前置放大器，不難看出，輸出信號電壓穩(wěn)定值：

式(1)中 Vt(∞)為輸入信號電壓穩(wěn)定值，A為電路增益

式中 Q為輸入電荷；Cifo是前置放大電路等效輸入電容：

式中 tw為 Si-APD器件響應時間；Ci為探測器等效輸出電容及印制板連接線的分布電容。由于輸出信號電壓幅度VoM為輸出信號電壓穩(wěn)定值 Vo(∞)：

事實上，前置放大器輸入端的噪聲也會與有用脈沖信號一起放大，因此需要保證輸入端及放大器本身的噪聲足夠小，使得有用信號能被分辨出來并加以放大。

2.2 主放大電路

前置放大器輸出的有用信號通?；祀s有噪聲和干擾，因此采用主放大器對接收的前放輸出信號進行濾波來提高信號的信噪比。主放大器接受由前放提供的輸入脈沖的形狀，并且要把它們改造成能譜測量需要的最佳脈沖形狀。

圖4（a）為前置放大器輸出的脈沖形狀。輸出由迅速上升的跳變前沿和一個慢的指數衰減后沿組成（由圖3中Cf對Rf放電形成）。其跳變前沿的幅度代表著X射線單光子的能量。指數衰減后沿的時間常數通常為50μs或更大。因被探測事件的幅度通常是變化的，產生的時間是隨機的，所以前放輸出通常是很不規(guī)則的。如

圖4 放大器輸出Fig.4 The output of amplifier

由以上分析可見，主放大器需要采用類似微分器的電路實現一個短得多的衰減時間取代前放輸出。圖4（b）示意了這一功能，主放大器正脈沖代表前置放大器的上升沿，并與上升沿幅值大小成正比，其脈沖寬度要遠小于前置放大器脈寬，約為1μs左右。

圖5給出了采用2級主放大器進行信號放大的電路原理。

圖5 主放大器原理電路Fig.5 The principle circuit of main-amplifier

一級主放由前端高通濾波網絡和負反饋放大器電路組成一階高通濾波器。實現圖4（b）所示的微分功能。

高通濾波電路設計放大倍數A1為：

其截止頻率fp為。

二級主放由前端低通濾波網絡和負反饋放大器電路組成一階低通濾波器，設計放大倍數A2為：

低通濾波的主要目的是消除前端放大器產生的噪聲脈沖信號。

主放大電路的高通、低通濾波參數需要根據探測器及其前置放大電路的輸出特性進行調節(jié)。

經過探測器、前置放大器和主放大器的整形和放大，實現其輸出電壓幅值滿足后續(xù) AD、計數器等電路的探測輸入要求，實現X射線單光子的探測。

3 測試及性能分析

面向X射線脈沖星脈沖到達時間，時間測量系統要求電路具有時間穩(wěn)定性；另外由于單光子輸入特性，要求電路具有較低的噪聲。因此測量的主要項目為時間響應特性和噪聲特性的測試。X射線單光子放射源采用X射線管產生、輻射峰值譜段為1.24keV，通過光柵和衰減片衰減到單光子量級（輻射計測量）。由于空氣對X射線具有較強的吸收特性，因此實驗在真空環(huán)境中進行，測試環(huán)境如圖6所示。

圖6 X射線單光子電路測試環(huán)境Fig.6 The testing environment of X-ray single-photon detector

1）時間響應特性

由示波器測量單光子響應脈寬為4.08μs，即采用無源抑制電路及整形濾波后，對單粒子響應的時間分辨率為4.08μs。

由于X射線源輻射單光子為隨機輻射，沒有時間信息，因此測試系統時間響應特性需要具有固定時間特性的輸入信號，由圖7所示的測試系統，用波形發(fā)生器產生模擬的脈沖信號（占空比1%），輸出給激光發(fā)生器，使其產生脈沖激光；同時將波形發(fā)生器產生的波形與放大電路產生的波形輸入到示波器中，測試其延時誤差，這里延時包括了激光發(fā)生器的延時和電路的延時。對于固定的延時，系統對其不做要求，這里重點測試延時的隨機誤差。

圖7 延時誤差測試系統Fig.7 The testing system of delay error

通過示波器時間統計，延時的隨機變化率為35.56ns，這個誤差包括激勵源的響應誤差和電路的響應誤差，從而可以知道，模擬前端電路的時間抖動誤差優(yōu)于35.56ns。

2）電路噪聲測試

電路噪聲測試只探測電路在無X射線輸入情況下的輸出特性，為方便分析，需要把輸出端的電壓等效到輸入電子數，測試時給 Si-APD探測器前段覆蓋遮光罩，過濾光譜輸入，分別對放大電路無探測器時、有探測器時、加載雪崩電壓時的輸出噪聲進行統計。電路無探測器接入時的輸出即為電路自身產生的噪聲，有探測器無偏壓情況輸出為探測器暗電流和電路噪聲的累加，有探測器有偏置電壓條件下的輸出為總噪聲水平。統計結果如表1所示：

表1 各級放大器輸出噪聲統計Tab.1 Output noise of amplifiers

從表1可得出：放大電路噪聲為55.41mV，轉換為源端等效噪聲NPCB為0.104keV，無偏壓條件下探測器噪聲為 7.95–4.73=3.22mV，轉換為源端等效噪聲NAPD為 0.134keV，即探測器本底暗電流的等效噪聲為 0.134keV；有偏壓條件下探測器噪聲為 10.12–4.73=5.39mV，轉換為源端等效噪聲 NVB-APD為0.224keV，即探測器工作在臨界雪崩狀態(tài)時的等效噪聲為0.224keV，因此包括探測器在內前端模擬電路的等效噪聲輸入為：，滿足系統0.5keV的最小輸入強度下的技術要求。

4 結束語

面向X射線脈沖星導航的單光子探測器在軌接收X射線單光子，記錄光子到達時間和光譜信息，需要測量系統頻率響應和幅值響應具有穩(wěn)定性。本文介紹的一種基于Si-APD的X射線單光子探測電路設計，采用 Si-APD作為探測器，利用雪崩效應對光生電子進行放大，通過抑制電路控制探測器工作，通過溫度傳感器自動調整APD偏置電壓，采用電荷靈敏前置放大電路和帶通濾波主放大器進行逐級放大，兼具脈沖整形和放大功能，具有優(yōu)良的信噪比和放大倍數，整體電路簡單、成本較低、實用性強，經實驗測試滿足X射線單光子探測要求。

References)

[1]帥平, 李明, 陳紹龍, 等. X射線脈沖星導航系統原理與方法[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2009: 162-181. SHUAI Ping, Li Ming, CHEN Shaolong, et al. The Principles and Methods for X-ray Pulsar-based Navigation System[M].Beijing: China Astronautic, 2009: 162-181. (in Chinese)

[2] SHEIKH S I, PINES D J, RAY P S, et al. Spacecraft Navigation Using X-ray Pulsars[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2006, 29(1): 49-63.

[3]CHESTER T J, BUTMAN S A. Navigation Using X-ray Pulsar[J]. NASA Technical Reports N81-27129. 1981: 22-25．

[4] EMADZADEH A A, SPEYER J L. X-ray pulsar-based relative navigation using epoch folding[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2011, 47(4): 2317-2328.

[5]EMADZADEH A A, LEE J. X射線脈沖星導航[M]. 侯建文, 陽光. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2013: 15-20. EMADZADEH A A, LEE J. Navigation in Space by X-ray Pulsars[M]. HOU Jianwen, YANG guang. Beijing: National Defense Industry Press, 2013: 15-20. (in Chinese)

[6] SHEIKH S I. The Use of Variable Celestial X-ray Sources for Spacecraft Navigation[D]. University of Maryland, 2005.

[7]GRAVEN P, COLLINS J, SHEIKH S. XNAV Beyond the Moon[C]. Cambridge MA, United states: Institute of Navigation, 2007.

[8] ASHBY N, HOWE D A. Relativity and Timing in X-ray Pulsar Navigation[C]. Miami FL, United states: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2007.

[9] GRAVEN P, COLLINS J, SHEIKH S, et al. XNAV for Deep Space Navigation[C]. Breckenridge CO, United states: Univelt Inc., 2008.

[10]SWANK J H. The Rossi X-ray Timing Explorer: Capabilities, Achievements and Aims[J]. Advances in Space Research. 2006, 38(12): 2959-2963.

[11]KEITH J A C B. Calibration of the Rossi X-ray Timing Explorer Proportional Counter Array[J]. The Astrophysical Journal Supplement Series, 2006, 163(2): 401.

[12]Nikolai S A K J. Advances in the RXTE Proportional Counter Array Calibration: Nearing the Statistical Limit[J]. The Astrophysical Journal, 2012, 757(2): 159.

[13]HANSON J, SHEIKH S, GRAVEN P, et al. Noise Analysis for X-ray Navigation Systems[C]. Monterey CA, United states: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2008.

[14]ASHBY N, GOLSHAN A R. Minimum Uncertainties in Position and Velocity Determination Using X-ray Photons from Millisecond Pulsars[C]. San Diego, CA, United states: Institute of Navigation, 2008.

[15]居峰. 帶前放Si-APD探測器的動態(tài)特性研究[D]. 南京理工大學, 2011: 7-18. JU Feng. Research of Dynamic Characteristics Parameters of Si-APD Photodetector with Preamplifier[D]. Nanjing University of Science and Technology, 2011: 7-18. (in Chinese)

[16]王永綱. APD探測器低噪聲前端電子學研究[J]. 核電子學與探測技術, 2006, 26(3): 280-283. WANG Yonggang. Study on Low-noise Electronics of APD detector[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2006, 26(3): 280-283. (in Chinese)

[17]喬黎, 劉建業(yè), 鄭廣樓, 等. 基于X射線脈沖星導航系統探測器研究[J]. 傳感器與微系統, 2008, 27(1): 9-14. QIAO Li, LIU Jianye, ZHENG Guanglou, et al. Research on Detectors in X-ray Pulsars-based Navigation System[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2008, 27(1): 9-14. (in Chinese)

[18]張華, 許錄平. 基于光量子探測的XPNAV半物理仿真及建模[J]. 光電子激光, 2011(06): 905-910. ZHANG Hua, XU Luping. Hardware in-the-loop Simulation and Modeling for XPNAV Based on Light Quantum Detection[J]. Journal of Optoelectronics Laser, 2011(06): 905-910. (in Chinese)

[19]蘇哲, 許錄平, 王婷. X射線脈沖星導航半物理仿真實驗系統研究[J]．物理學報. 2011, 60(11): 819-826. SU Zhe, XU Luping, WANG Ting. X-ray Pulsar-based Navigation Semi-physical Simulation Experiment System[J]. Acta Physica Sinica, 2011, 60(11): 819-826. (in Chinese)

[20]孫海峰, 謝楷, 李小平, 等. 高穩(wěn)定度X射線脈沖星信號模擬[J]. 物理學報. 2013, 62(10): 109701. SUN Haifeng, XIE Kai, LI Xiaoping, et al. A Simulation Technique of X-ray Pulsar Signals with High Timing Stability[J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(10): 109701. (in Chinese)

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

董龍，男，1983年生，畢業(yè)于西安交通大學，北京空間機電研究所在讀博士研究生，研究方向為航天遙感器電子工程及控制技術。E-mail: donglongemail@163.com。

（編輯：劉穎）

2015-03-17