基于LED納秒級脈沖的SiPM陣列監(jiān)測電路

趙申森，沈仲弢,*，周安順，牛亞洲，封常青，劉樹彬

(1.核探測與核電子學國家重點實驗室，中國科學技術大學，安徽 合肥 230026；2.中國科學技術大學 近代物理系，安徽 合肥 230026)

環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)是中國正在推動的下一代大科學工程項目，旨在利用質心系能量在250 GeV附近的正負電子對撞產生的大量希格斯玻色子事例，對希格斯玻色子屬性進行精確測量[1]。電磁量能器(ECAL)是CEPC的核心探測器之一，主要對占產物20%的光子進行能量測量[2]。該量能器采用粒子流量能器概念，具有單元顆粒度細、結構緊湊等特點，除傳統(tǒng)的能量測量外，還具有徑跡分辨的能力，可區(qū)分產物的不同成分，提高噴注能量分辨率[3-5]。CEPC ECAL有多種技術路線，不同技術路線采用不同的探測單元，其中一種技術路線采用塑料閃爍體條和硅光電倍增管(SiPM)作為基本探測單元。SiPM是一種由多個工作在蓋革模式的雪崩二極管串聯(lián)猝滅電阻后并聯(lián)而成的硅基光電傳感器件，具有增益高、工作電壓低、體積小、時間分辨好、抗磁場等優(yōu)勢。近年來，由于成本不斷下降，探測效率不斷提高，使得SiPM在弱光探測領域有越來越多的應用，如激光雷達、高能物理實驗、核醫(yī)療成像等[6-7]。然而，SiPM的增益具有溫度依賴的特性[8]。在運行過程中，設備發(fā)熱與環(huán)境溫度變化會使SiPM溫度發(fā)生變化，導致雪崩閾值電壓改變，進而引起增益變化。同時，由于制造工藝的穩(wěn)定性限制，不同批次的SiPM也存在一定的不一致性，因此需設計一套監(jiān)測電路，在SiPM使用過程中實時地對其增益進行標定。

目前，國際直線對撞機(ILC)項目組的模擬強子量能器(AHCAL)原理樣機是第1個大規(guī)模使用SiPM作為光電傳感器件的大型量能器系統(tǒng)。該系統(tǒng)為監(jiān)測SiPM工作狀態(tài)，設計了基于發(fā)光二極管(LED)脈沖驅動電路的增益監(jiān)測模塊。模塊采用電感儲能，通過對開關的控制可產生脈沖電流，注入發(fā)光二極管，產生強度可調的納秒級脈沖光。通過光纖分發(fā)至各探測單元中激發(fā)SiPM少數(shù)像素單元響應，得到單光電子譜從而完成SiPM增益監(jiān)測[9-10]。但由于該種方法使用的發(fā)光二極管驅動電路體積較大，且需光纖穿過每個探測單元，并不適用于探測單元更小且排布更密集的CEPC ECAL結構。因此，本文設計一套基于納秒級脈沖光的適用于CEPC ECAL、結構緊湊的多通道SiPM監(jiān)測電路。

1 原型機對監(jiān)測系統(tǒng)的需求

目前，ECAL的原型機正在設計制造中[11-13]。原型機由30層前端單元(EBU)和相應的數(shù)字接口電路(DIF)構成，每層EBU有210個由塑料閃爍體條和SiPM構成的探測單元，圖1為原型機結構示意圖。

圖1 原型機結構示意圖Fig.1 Schematic of prototype structure

粒子流算法要求探測單元具有較細的顆粒度。因此選擇的閃爍體條的尺寸較小，為5 mm×45 mm×2 mm，相鄰兩層閃爍體條正交放置以近似獲得5 mm×5 mm的顆粒度。每條閃爍體需1片SiPM進行閃爍光到電信號的轉換。SiPM選用日本濱松公司的S12571-015P[14]，其像素單元為15 μm×15 μm，整體有效面積為1 mm×1 mm。每個探測單元均需1個受控發(fā)光的LED對其進行增益標定。SiPM的增益一般由電荷量與激發(fā)像素數(shù)的比值來定義。但實際系統(tǒng)運行時并不標定該定義下的增益的準確數(shù)值，而是標定與其具有線性關系的其他參數(shù)量。因為電荷量最終轉化為測量系統(tǒng)中ADC的測量碼值，所以將ADC碼值與激發(fā)像素數(shù)的線性相關系數(shù)作為增益參數(shù)，其單位為ADC碼值每光電子數(shù)(ADC碼值/p.e.)。

這要求LED產生極其微弱且發(fā)光時間與SiPM信號寬度相匹配的脈沖光，使SiPM少量像素產生雪崩，從而獲得單光電子譜。單光電子譜相鄰兩個峰的峰間距即為測量值和響應光子數(shù)的比例關系。圖2為S12571-015P型號的SiPM單光子響應波形，信號脈寬約20 ns，半高寬約10 ns。ECAL原型機中閃爍體選用SAINT-GOBAIN公司的BC408塑料閃爍體[15]，發(fā)光衰減時間約為3 ns，SiPM的像素響應在單次響應中僅激活1次。脈沖光脈沖寬度應限制為10 ns左右，以避免像素被2次激活，否則SiPM響應曲線將與實際不符[16]。

另外，該監(jiān)測系統(tǒng)需有以下特性：脈沖光波段應與塑料閃爍體發(fā)光波段和SiPM響應波段相匹配，以更好地模擬閃爍體發(fā)光和SiPM響應；脈沖光強度可調，用以監(jiān)測SiPM在不同強度光的響應；結構緊湊，使得監(jiān)測系統(tǒng)電子學、探測器集成在同一PCB電路板上，以節(jié)約空間。根據(jù)以上需求，本文設計一套基于LED脈沖發(fā)光的SiPM監(jiān)測系統(tǒng)，可通過發(fā)出強度可控的納秒級短脈沖光，對SiPM進行刻度，滿足ECAL階段的在線批量SiPM增益與響應監(jiān)測需求。

圖2 SiPM單光子響應波形Fig.2 Waveform of SiPM single photon response

2 SiPM監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 框架設計

圖3為監(jiān)測電路示意圖，LED監(jiān)測系統(tǒng)主要由上位機、FPGA、選通開關、驅動電路及LED陣列組成。上位機負責人機交互、配置刻度模式及與采集軟件協(xié)同工作。FPGA選擇Xilinx公司的A7100T，負責與上位機通信及對開關電路和驅動電路的控制。選通開關將待測通道選通以控制其驅動電路工作，選用SN74CBTLV3251芯片作為選通開關，單芯片可實現(xiàn)8通道選通。電路中使用兩片芯片并通過選通信號級聯(lián)，擴展為14通道。EBU的210個SiPM和對應的LED分為14組，每組包含15個探測單元和其對應的LED及1個選擇通道。通過選通開關可選擇任意1組進行刻度。驅動電路可調節(jié)驅動信號的強度，并接受數(shù)字刻度開關信號，產生刻度脈沖到指定通道。在系統(tǒng)中，驅動電路分布于各LED旁，就近驅動LED。

圖3 監(jiān)測電路示意圖Fig.3 Schematic of monitoring circuit

2.2 發(fā)光二極管選型

LED選型主要從尺寸、發(fā)光波長兩方面考慮。由于探測單元尺寸為5 mm×45 mm，且要求LED嵌于PCB中，所以選用0603表貼封裝的LED。LED發(fā)光波長需與ECAL原型機所使用的閃爍體熒光波長相匹配，BC408塑料閃爍體熒光光譜的主要波長在400～480 nm之間。監(jiān)測系統(tǒng)選用東裕光電公司型號為MK-0603-0.4T的LED作為發(fā)光器件，其發(fā)光光譜主波長為400 nm，與閃爍體匹配性較好，可較好地模擬閃爍體發(fā)光。

2.3 驅動電路設計

驅動電路是監(jiān)測電路的重要組成部分，其功能是提供LED瞬間導通所需的電流且在發(fā)光結束后快速關斷LED。雙NMOS驅動電路如圖4所示，其由偏壓調節(jié)電路和脈沖產生電路組成。偏壓調節(jié)電路由數(shù)模轉換器(DAC)、放大器和上拉電阻組成。偏壓調節(jié)電路將驅動電路的儲能電容的靜態(tài)電壓提升到設定值，控制LED脈沖強度。EBU中210個LED共用1個偏壓調節(jié)電路。DAC選用TLV5618A芯片，其輸出范圍設定為0～2.5 V，緩沖器選用AD8591芯片，在增加電路驅動能力的同時提供2倍增益，使偏壓調節(jié)范圍為0～5 V。AD8591最大支持250 mA輸出電流，滿足5 V電壓通過10 kΩ電阻對210路電容充電的電流需求。

脈沖產生電路由延遲芯片、MOSFET驅動芯片、NMOS管和電容組成。脈沖產生電路共210個驅動單元，分為14組，每組15個。每個驅動單元由兩個NMOS管，受驅動的LED和電容組成。組內LED驅動單元共用1套MOSFET驅動器和延遲芯片。LED放電通路受兩個NMOS管控制，NMOS1將放電回路導通，電容儲存的電荷將經(jīng)過LED，通過NMOS1泄放，此時LED發(fā)光。NMOS2提供低阻旁路，迅速降低LED偏壓，使其停止發(fā)光。NMOS管受MOSFET驅動芯片驅動。驅動器的存在可增加瞬時驅動電流能力，從而提高控制電路的帶負載能力和MOS管響應速度。延遲芯片型號為DS1100，設定其延時為4 ns。MOSFET驅動芯片選用TI公司的UCC27524A。NMOSFET選用ON Semiconductor公司的MCH6661芯片，其導通電阻為250 mΩ左右，可為LED提供低阻放電回路。

初始待命狀態(tài)時，NMOS1與NMOS2皆為截止狀態(tài)。DAC調節(jié)到指定輸出電壓，經(jīng)放大器輸出至210路LED旁的電容，使電容充電至指定電壓。當選通芯片輸出的某組啟動信號電平變高時，由于延遲芯片的作用，NMOS1先導通，電容通過LED和NMOS1進行放電使LED發(fā)光，直至電容上電壓接近LED導通電壓。經(jīng)過固定延遲，NMOS2導通，迅速泄放電容上電荷，使LED的P極電壓接近0 V后停止發(fā)光。在脈沖發(fā)光期間，偏壓調節(jié)電路輸出端與LED由10 kΩ電阻相隔，可作為斷路考慮。

圖4 雙NMOS驅動電路示意圖Fig.4 Schematic of LED driving circuit based on dual NMOS

S啟動信號電平變低時，NMOS1先關斷，NMOS2后關斷，電容通過電阻由偏壓輸出端充電至指定電壓，從而完成1次脈沖驅動循環(huán)，等待下次啟動信號。

由于電容需充電至指定電壓才可進行下次LED驅動，所以存在最小刻度間隔時間tmin。充電時，電容偏壓隨時間符合指數(shù)變化規(guī)律，取3倍時間常數(shù)(30 μs)作為充電所需時間。

在基于電容儲能的小體積LED脈沖光驅動電路設計中，NMOS2的存在尤其關鍵。因為電容在泄放過程中，電荷量降低，兩端電壓降低。當偏壓接近LED正向發(fā)光閾值電壓時，LED阻值會大幅增加，使得電荷泄放變慢，最終脈沖光尾部會有較長時間弱發(fā)光現(xiàn)象。而NMOS2可提供對地低阻回路，可將電容殘余電荷迅速泄放，使LED及時停止發(fā)光。

分別對單NMOS驅動電路(圖5)和雙NMOS驅動電路進行仿真，比對驅動效果。單NMOS模型中，NMOS管使用MCH6661官方PSPICE模型，電容為1 nF，電阻為10 kΩ。偏壓為理想電壓源，驅動信號為脈沖方波信號，時間寬度為4 ns，幅度為3.3 V。根據(jù)圖4所示的雙NMOS驅動電路建立模型，上拉電壓采用理想電壓源，NMOS管采用MCH6661芯片的PSPICE模型，MOSFET驅動器采用UCC27524芯片的PSPICE模型。仿真中未采用延遲芯片DS1100的PSPICE模型，而是直接采用兩個相差4 ns的信號供給UCC27524芯片模擬延遲芯片的作用。

圖5 單NMOS簡易LED驅動電路Fig.5 Simple LED driving circuit based on single NMOS

仿真得到的脈沖電流隨時間的變化關系如圖6所示。單NMOS驅動下的電流脈沖半高寬約10 ns，但10%高度對應寬度大于20 ns。脈沖寬度過長的主要原因是LED不能及時被關閉截止。而在考慮MOSFET驅動芯片驅動能力及MOSFET管響應速度的情況下，雙NMOS驅動電路可在LED上產生時間寬度為10 ns內的電流脈沖。NMOS1的導通可提供低阻通道，泄放LED正極電荷，使兩端電壓小于導通電壓，迅速使LED進入截止狀態(tài)。仿真結果表明，有必要采用雙NMOS驅動電路的設計，且該設計在原理上可滿足光刻度操作對光脈沖的時間寬度需求。

圖6 驅動電路仿真電流波形Fig.6 Simulation current waveform of driving circuit

2.4 LED安裝與排布

LED安裝位置如圖7所示。SiPM置于閃爍體凹槽中。LED焊接在PCB板另一側，倒扣于機械孔中，向閃爍體發(fā)光。為增加光收集效率，閃爍體外側由反射膜包裹。反射膜在LED對應位置開孔，使LED光可進入閃爍體然后傳導至SiPM。LED倒扣的設計可盡量保證閃爍體完整性，不必額外在閃爍體中挖槽而引入光產額不均勻性。

圖7 LED安裝位置Fig.7 Implement position of LED

圖8為EBU的LED排布示意圖。EBU中有210個閃爍體，每個閃爍體下方均按圖7所示的方式放置LED。顏色表示探測單元及對應LED的分組，顏色相同的LED代表被分到同一組內，同時被驅動發(fā)光。每兩組的LED交替擺放，這樣使得當1組LED被驅動時，相鄰LED不發(fā)光，可避免光串擾。圖9為安裝在EBU的LED實物圖。由SiPM側向LED觀察，可看到LED透過通光孔向SiPM側發(fā)光。

圖8 EBU的LED排布示意圖Fig.8 Schematic of LED layout on EBU

圖9 LED發(fā)光實物圖Fig.9 Photograph of LED emitting

3 實驗測試與結果

3.1 時域波形測試

時域波形測試的目的是確定發(fā)光波形時域特性，確保脈沖寬度符合監(jiān)測電路需求。預期光脈沖寬度在10 ns左右，為不失真地反應光脈沖的波形信息，需采用響應較快的光電倍增管(PMT)對光脈沖進行探測。

測試時，將光纖兩端分別與LED和濱松公司的R4443型號PMT感光面接觸。用示波器觀察PMT對LED脈沖光的響應波形，結果如圖10所示。LED發(fā)出的光脈沖寬度約為10 ns，符合設計要求。

圖10 用PMT測得的LED光脈沖波形Fig.10 LED light pulse measured by PMT

3.2 增益監(jiān)測功能測試

圖11 LED驅動下的SiPM單光子峰譜Fig.11 Single photon spectrum induced by LED drive

周期性地使驅動電路產生脈沖電流驅動LED發(fā)光，使用EBU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步測量脈沖光下的SiPM響應。對每次信號測量值進行分布統(tǒng)計，即得到幅度統(tǒng)計譜。為獲得更好的分辨率，調節(jié)驅動電路電壓，改變LED脈沖光強度，使得SiPM僅探測到少數(shù)幾個光子，從而各個幅度統(tǒng)計峰可被清晰分辨。圖11為EBU中其中1路SiPM在光監(jiān)測系統(tǒng)下的響應幅度統(tǒng)計譜，橫坐標為SiPM響應強度的測量值，縱坐標為該測量值下的信號計數(shù)，可看出，在1～7個光子響應幅度處有明顯可見的峰結構。峰間距作為SiPM增益的表征參數(shù)，其含義是每個光電子響應對應的ADC碼值數(shù)。對基線位置和前3個光電子峰進行高斯擬合，提取峰位，可得到峰位與響應光子數(shù)的對應關系。圖12為SiPM單光子譜的峰位擬合，擬合直線的斜率為該SiPM的增益。

圖12 SiPM單光子譜的峰位擬合Fig.12 Fitting of peak location of SiPM single photon

調節(jié)監(jiān)測電路的偏壓，在210路SiPM處于少數(shù)光電子響應的狀態(tài)時，對SiPM進行標定和幅度統(tǒng)計。圖13、14為SiPM增益分布和統(tǒng)計分布，210路SiPM成功測得增益，增益分布在17～27 ADC碼值/p.e.范圍內。該測試結果可為數(shù)據(jù)離線修正、增益補償和SiPM狀態(tài)檢測等操作提供參考數(shù)據(jù)。

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

4 結論

本文設計了基于LED 納秒級脈沖的SiPM陣列監(jiān)測電路，并進行了仿真與測試。該驅動電路可使LED產生10 ns左右的窄寬度光脈沖，使SiPM產生少數(shù)光子響應，進而完成自動化增益批量監(jiān)測。該系統(tǒng)已應用于CEPC ECAL原型機的光刻度系統(tǒng)，并完成了聯(lián)合測試，可良好地完成SiPM增益監(jiān)控功能，使電子學系統(tǒng)擁有SiPM增益補償、離線增益修正、SiPM狀態(tài)自檢的潛在能力，滿足了CEPC ECAL的SiPM監(jiān)測需求。

圖14 EBU上的SiPM增益統(tǒng)計分布Fig.14 Statistical distribution of SiPM gain on EBU