自制SiPM探測器實驗內容與分析

1、自制Si PM探測器實驗內容與分析自制SiPM探測器電路板設計與焊接電路原理如圖3. 9所示，本節(jié)內容簡要介紹如何將電路原理圖加工成電路板。 我們使用Altium Design 13來進行PCB版設計，電路的設計與焊接均需參照用戶 手冊6。首先我們先在AD13中新建一個project,并繪制電路原理圖（文檔后綴 為.5（：皿00；如圖3 9所示,其中元件MicroFC 60000為我們根據(jù)SiPM引腳自行 繪制的。對原理圖中各元件封裝完畢后，將原理圖導入PCB文檔（后綴.PCBD0C）, 根據(jù)實際需求進行連線排版，為了保證探測效率，將SiPM單獨放置于電路其他元 件的背面，并位于該面正中心，以

2、便于安裝閃爍晶體；其中元件MicroFC 60000 的封裝需要我們依據(jù)用戶手冊中提供的封裝圖（如圖1.1所示）自行繪制。其中 引腳4其固定PCB板的作用，需要焊接到PCB,但是應保持空載，而不需要接地； 引腳5不需要焊接到PCB板，為防止不必要的麻煩，我們并沒有畫出該引腳。2.052.92.050.64.91.15_,5.1,7圖LI MicroFC 60000封裝引腳，圖中所有尺寸單位為mm0PCB板設計好后，將設計圖送至工廠加工，加工后得到得到的PCB板如下圖1. 2 所示，尺寸為2cm*2cm。為了根據(jù)實驗結果來確定比的大小，所以為比預留了三種 型號的封裝。圖1.2自制SiPM探測器P

3、CB板100200250300圖L3回流焊接溫度曲線100150Time (sec)拿到PCB板后，我們開始焊接各元件。先焊接SiPM,后焊接電阻與電容。 根據(jù)SiPM的焊接要求7,我們采用回流焊來進行焊接，焊接條件須符合 J-STD-20標準中的表格5.2。先將SiPM各引腳點上焊錫（無鉛），放置于電路板 對應焊盤上；然后將兩者放置于爐上加熱、冷卻、固定，根據(jù)焊接條件，我們可 以畫出加熱溫度曲線應滿足圖1.3,必須注意溫度變化斜率不能超過該圖的要求。 SiPM焊接成功后，才能焊接電阻與電容，焊接時需要注意不能劃傷SiPM表面; 每焊接一個元件均需要等電路板冷卻后在進行下一個元件的焊接。Sol

4、der Reflow Profile300250200150焊接完成后的PCB板如圖14用萬用表筆測試焊接成功后，再依次焊接電源線、fout、sout,電路就焊接完成了。電路板中Vbias, GND, （but, sout使用額外焊 接的電線來加偏東或引出信號。圖1.4電路元件焊好后的電路板1. 1.2外置電源我們所使用的電源為Model 6487,它既可以用作電壓源，也可以用作皮安表, 前面板如圖1. 6所示，后面板如圖1. 7,由于我們只需要它的電壓源與皮安表功能, 后面板只用到1、9、10、11、12接口（即經(jīng)使用電壓源和皮安表功能）。電壓源的輸出接口為9、10,其中9 （L0）為低壓端

5、口，10 （HI）為高壓端口， 使用步驟如下：（1）打開電源（POWER）,按C0NFIG/L0CAL-0PER,設置電壓源模式,選擇 DC或者SWEEP模式，本實驗中我們只需要直流電壓即可，即DC模式；（2）按ENTER確認后，按RANGE鍵（有上下兩個方向）選擇輸出檔位，檔位 有10V、50V、500V,本實驗使用的是50V檔，按ENTER確認；（3）用V-SOURCE欄中的上下兩個鍵來設置輸出電壓值。電壓表使用中需要注意的是，當選擇輸出檔為50V與500V時，電源內部自動 開啟interlock,這是我們需要將后面板的interlock （11端口）中引腳1、2短接 來解鎖，如圖1.5所

6、示。Pin 1InterlockNormallyOpenSwitchTest FixtureInterlock Asserted (Output Inhibited) with Open Switch圖L5將interlock的引腳1、2短接來解鎖皮安表使用連接線路如圖L 8,使用時將皮安表串聯(lián)接入電路。電流測量操 作步驟如下：（1）選擇電流檔（另一個檔位為歐姆檔）；（2）打開零點檢測，ZCHK按鈕可控制零點檢測開、關；（3）進行較零以獲取最優(yōu)精確度，先選擇2nA量程，然后按REL鍵來校準;（4）選擇量程，也可以按AUTO自動選擇量程；（5）將皮安表接入電路（一般先接入電路再進行上述步驟）；（

7、6）關閉零點檢測（按ZCHK鍵），從顯示窗讀取電流值。圖L6 Model 6487前面板123456789101112圖L7 Model 6487后面板1.1.3 DS給出的性能參數(shù)8從datasheet （縮寫為DS）上可以查找出該SiPM （MicroFC, 6mm）的性能 參數(shù)，一方面作為我們加偏壓、設計實驗電路的參考；另一方面可作為判斷實驗 結果可靠性的依據(jù)。其中overvoltage含義為高于Vbr的電壓。參數(shù)overvoltagemin.Typ.max.單位Breakdown voltage (Vbr)21.221. 7V推薦 overvoltag e范圍1.05.0V光譜范圍30

8、0800nm峰值波長420nmGain （陽極 到陰極的輸 出）Vbr+2. 5V3X106Gain(fout) Vbr+2.5V1.3X10* 1暗電流 Vbr+2.5V6181750nA單位參數(shù) overvoltage min.Typ.max.圖L 10呈現(xiàn)出非常鮮明的二極管伏安特性曲線特征，也可以反映出SiPM的本 質即為雪崩二極管陣列。同時.，能夠測得該曲線表明，SiPM焊接良好，電路未出 現(xiàn)斷路。從圖1.10僅可大致看出截止電壓在24V26V,因此我們需要將其繪制于 半對數(shù)坐標下，于是得到圖1.11。截止電壓應該位于曲線斜率最大處，從對數(shù)坐 標可以鮮明的看出截止電壓應該在21. 5、

9、25V之間，與DS中給出的結果符合。由于 取點數(shù)仍不夠多，我們取(21. 5V,25V)之間的平均值作為截止電壓,即2L75V, 那么SiPM應工作于(25. 75V, 29. 75V)的偏壓范圍內。圖L10線性坐標下SiPW伏安特性曲線MicroEC 60035伏安特性曲線1()0. 1 0.01 1E 314161820222426283032Vbias/V圖1.11對數(shù)坐標下SiPM伏安特性曲線1.1.5無閃爍晶體時輸出信號觀測用LED燈為光源測試我們制作的光電探測器是否能使用，實驗電路框圖如圖 1.12所示。SiPM是用于弱光探測的設備，當入射光過強時，信號將出現(xiàn)飽和。因 此我們需要將

10、SiPM置于暗箱中，用LED燈提供入射光子信號。當有正脈沖電信號 輸入LED燈時，LED將會發(fā)光，發(fā)光強度同脈沖寬度線性正相關，同幅度的平方成 線性正相關，該LED響應時間、發(fā)出的光脈沖信號上升時間與衰減時間均很快。 從信號發(fā)生器引出兩路頻率相等、相關聯(lián)的信號，一路用來控制LED發(fā)光，另一 路用作示波器觸發(fā)信號，這樣做的目的是消除噪聲信號的干擾。信號發(fā)生器給LED 一個脈沖信號使LED發(fā)光，SiPM接收到來自LED的光子受激發(fā)，從fout、sout兩路 輸出信號。SiPM輸出信號經(jīng)過長導線輸入到示波器，與此同時示波器受來自信號 發(fā)生器的觸發(fā)信號觸發(fā)，我們可以從示波器上讀出觸發(fā)門信號、fout.

11、 Sout三路 信號。圖1.12自制SiPM探測器輸出信號探測根據(jù)伏安特性曲線，選取-Vbias-29V,示波器輸出信號波形如圖1.13所示。 從圖中可以讀出Standard output （sout）脈沖后沿大約500ns,上升時間約20ns, 凡白ns的脈沖寬度使其不適用于定時、入射光子計數(shù)率較大的情況；但是sout 輸出的總電荷量遠大于fout,適合測量入射光子數(shù)較少、計數(shù)率較低的情況。如 果在SiPM前添加一個閃爍體，那么sout更適合測量計數(shù)率低的入射粒子，且測量 低能量粒子的能量性能應優(yōu)于fout （假設粒子能量可以完全損失在晶體中）。用 示波器測量出fout下降沿為29ns,從圖

12、中可以看出它的上升沿僅有兒ns?？梢?fout輸出脈沖寬度很小，非常適用于高計數(shù)率的情況。由于信號傳輸線較長，以 及LED燈本身需要經(jīng)過光纜傳輸再照到SiPM上，我們無法確定具體的響應時間。非常有意思的是，在fout脈沖后跟隨著一個極性相反的脈沖，經(jīng)討論我們認 為它來自傳輸電纜（電纜傳輸延遲的時間約為16ns）的反射。且fout輸出脈沖幅 度僅為sout一半，考慮原理電路中的負載電阻Rf,認為Rf分流了一部分信號。這 告訴我們使用射頻變壓器以匹配阻抗的重要性。另外如果讓sout先經(jīng)過放大器再 輸出，將會引入較大的噪聲，盡管在加外觸發(fā)信號的情況下并不影響信號的讀取?？紤]到今后的使用問題，我們下一

13、步的改進計劃是將前置放大器放入電路板中, 并且在fout輸出端添加射頻變壓器。圖L13輸出信號波形圖(b)遮光完成后的探頭SiPM閃爍體探測器在電路板前安裝一個LYSO晶體，則可作為閃爍體探測器使用。實驗所用閃 爍晶體面積為與電路板大小相等，為2cm*2cm*0.5cin。將閃爍晶體用紙包住，并 在外圍纏上黑膠布避光，僅在一面留出正中心7mm*7mm的面積用來對準SiPM, 該晶體密度為7.4汰1一,山體積可估算出該LYSO晶體放射性大概在600Bq。(a)LYSO晶體用黑膠 布纏繞遮光圖1.14用黑膠布將LYSO同SiPM連接，同時起遮光作用將閃爍體中心對準電路板中心的SiPM,并用黑膠布使

14、閃爍體同電路板固定 在一起。該過程中注意需要保證電路板邊界同閃爍體邊界粘貼無縫隙，通孔漏光 需要單獨貼黑膠布堵住，以防止漏光（如圖1.14示意）。我們使用CAEN公司出品的DT5720收集數(shù)據(jù)并繪制成QDC譜，DT5720在該 處起多道分析器的作用。由于DT5720工作于自觸發(fā)模式下時只能被負極性信號 觸發(fā)，而我們的探測器輸出信號為正信號。為此我們先將信號輸入SP5600, SP5600內置有前置放大器，能夠將信號極性反向。為了真實的觀測SiPM的放大 效果，我們不希望使用其前放的功能，將放大倍數(shù)設置成最低的IdB（即只有1.122 倍），將信號經(jīng)SP5600反向后再輸入到DT5720中。測量

15、連接電路框圖如圖1.15, 圖L16為正在測量能譜中的實驗實物圖。圖1.15能譜測量實驗框圖放射源圖1.16能譜測量實驗實物圖本底測量LYSO晶體中的本身具有放射性，利用它本身的放射性便可以大致了解我們 所做的探測器的性能。本底放射性的測量結果如圖1.17。LYSO本底測量圖1.17本底測量結果II16lu衰變特性可知,我們應當可以觀察到88KeV( 13.3%)、201 KeV( 86%)、 306KeV (94%)的丫射線，括號內為該組分分支比，同時衰變將放出能量最大值 為598KeV (99%)的射線。由于F射線譜為一個連續(xù)譜，且計數(shù)峰值位置大約 應該出現(xiàn)在200KeV,我們無法對本底做

16、擬合，但是從輪廓上我們大致可以看出 有3組峰，峰值道數(shù)在2000、5000、7000附近，從能量比值上看就是這三個丫射 線。另外我們發(fā)現(xiàn)本底拖著一個很長的“尾巴”，從能量上來看，它與LYSO自 身放射性無關，猜想應該來自于環(huán)境本底。能譜測量我們選用2?Na, i3，cs, 60co源來進行觀察，所得結果如圖1.18,圖1.19,圖 1.20。由于QDC本身具有死時間，我們不能通過減去時間相等時的本底的方式處 理數(shù)據(jù)，否則會出現(xiàn)本底計數(shù)高于能譜的現(xiàn)象。但我們可以直接拿能譜來進行擬 合，即用高斯分布曲線的一部分擬合本底曲線，來求得出能量刻度和分辨率?？?以這樣處理的原因在于，能譜中只有全能峰對我們

17、有用，本底同康普頓平臺混雜 在一起，這么做可以把他們同時處理掉。數(shù)據(jù)處理使用。rigin軟件中 Analysis-Peak And Baseline-MultiPeak Fit功能來進行擬合。圖1.18自制JSiPM探測器觀測到的137cs能譜QDC圖1.19自制SiPM探測器測量2?Na能譜4003503002502001501005006005004003002001000100 50 0s-lurlo。00600o 00 80020o 川 41o o 60DCQ叱o 本底擬合 和C。能譜擬合擬合結果 q=1697. 84 Center=15461050001000015000200002

18、500030000QDC圖1.20自制SiPM探測器測量叱。能譜圖中我們觀測到的分別是的0.622MeV的丫射線，22Na的O.511MeV的衰變 放出的正電子湮滅放出的Y射線，及60co的L17MeV的丫射線。理論上?2Na, 6o 分別還有1.27MeV、1.33MeV的丫射線，但是由于LYSO晶體厚度較薄，并沒有被 觀測到。根據(jù)圖1.18到1.20,我們可以計算出能量刻度為:E=7.94xl0-5Num-0.06,(1.1)自制SiPM探測器能量刻度曲線圖L21自制SiPM探測器能量刻度曲線傳輸過來的信號進行采集、濾波成形、數(shù)字化處理，并最終繪制成QDC譜；設 備的所有參數(shù)的通過PC端基

19、于LabView的GUI界面來操控，數(shù)字化處理結果由 GUI界面顯示。本測試不需要信號輸出，直接利用SiPM的暗計數(shù)來進行測量，因 此信號采集使用自觸發(fā)。. 1 測量 S10362-33-050C 在不同偏壓下的 Sta i rcases我們通過測量“staircase”來研究SiPM的DCR特性。如果設定閾值在0.5光 電子，對脈沖數(shù)進行計數(shù)，我們可以得出一個或多個光子的計數(shù)；如果設閾值在 1.5個光電子，那么我們將得到兩個或多個光子的計數(shù)；而設定閾值在N-0.5個 光電子可以給出N或者更多光子的計數(shù)。通過逐步設定閾值，并最終繪制DCR關 于閾值的變化曲線，就是所謂的“staircase。以

20、上過程可以通過DT5720GUI面 板中的“PSAU staircase功能自動進行測量。設定PSAU放大倍數(shù)為30dB, DT5720A基線閾值8mV,圖 1.23為不同偏壓下S10362-33-050C的staircases。Staircases for si0362-33-050。68. 8V - 68. 4V68. 2V 68. 05V02 111111111020406080100Thrcshol(1/ mV (absolute val uc)圖 1.23 S10362-33-050C staircasesStaircases為一個臺階狀的曲線，該圖給了我們很多關于暗計數(shù)率的信息。從 圖中可看出在避光條件下，產(chǎn)生一個光電子的幾率遠大于2個、3個，產(chǎn)生光電子 數(shù)的幾率基本呈指數(shù)下降。對于該型號SiPM,它的暗計數(shù)率在106量級