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1、自制SiPM探测器试验内容与分析1.1自制SiPM探测器1.1.1电路板设计与焊接电路原理如图3.9所示，本节内容简要介绍如何将电路原理图加工成电路板。我们使用AltiumDesign13来进行PCB版设计，电路的设计与焊接均需参照用户手册6。首先我们先在AD13中新建一个project,并绘制电路原理图（文档后缀为.SCHDOC）；如图3.9所示，其中元件MicroFC60000为我们依据SiPM引脚自行绘制的。对原理图中各元件封装完毕后，将原理图导入PCB文档（后缀.PCBDOC）,依据实际需求进行连线排版，为了保证探测效率，将SiPM单独放置于电路其他元件的背面，并位于该面正中心，以便于
2、安装闪耀晶体；其中元件MicroFC60000的封装需要我们依据用户手册中供应的封装图（如图1.1所示）自行绘制。其中引脚4其固定PCB板的作用，需要焊接到PCB，但是应保持空载，而不需要接地；引脚5不需要焊接到PCB板，为防止不必要的麻烦，我们并没有画出该引脚。图1.1MicroFC60000封装引脚，图中全部尺寸单位为mm。PCB板设计好后，将设计图送至工厂加工，加工后得到得到的PCB板如下图1.2所示，尺寸为2cm*2cm。为了依据试验结果来确定R的大小，所以为R预留了三种ff型号的封装。onicroFCEl2J.QOO3谚图1.2自制SiPM探测器PCB板300250200L80C50
3、2.17C100150Time(sec)250300拿到PCB板后，我们开头焊接各元件。先焊接SiPM，后焊接电阻与电容。依据SiPM的焊接要求7，我们采纳回流焊来进行焊接，焊接条件须符合J-STD-20标准中的表格5.2。先将SiPM各引脚点上焊锡（无铅），放置于电路板对应焊盘上；然后将两者放置于炉上加热、冷却、固定，依据焊接条件，我们可以画出加热温度曲线应满意图1.3，必需留意温度变化斜率不能超过该图的要求。SiPM焊接胜利后，才能焊接电阻与电容，焊接时需要留意不能划伤SiPM表面；每焊接一个元件均需要等电路板冷却后在进行下一个元件的焊接。图1.3回流焊接温度曲线焊接完成后的PCB板如图1
4、.4，用万用表笔测试焊接胜利后，再依次焊接电源线、fout、sout，电路就焊接完成了。电路板中Vbias,GND,fout,sout使用额外焊接的电线来加偏压或引出信号。F3芯USTCVI-0WHicroFC图1.4电路元件焊好后的电路板1.1.2外置电源我们所使用的电源为Model6487,它既可以用作电压源，也可以用作皮安表，前面板如图1.6所示,后面板如图1.7,由于我们只需要它的电压源与皮安表功能,后面板只用到1、9、10、11、12接口（即经使用电压源和皮安表功能）。电压源的输出接口为9、10,其中9（L0）为低压端口，10（HI）为高压端口，使用步骤如下：（1）打开电源（POWE
5、R），按C0NFIG/L0CAL-0PER，设置电压源模式，选择DC或者SWEEP模式，本试验中我们只需要直流电压即可，即DC模式；（2）按ENTER确认后，按RANGE键（有上下两个方向）选择输出档位，档位有10V、50V、500V，本试验使用的是50V档，按ENTER确认；（3）用V-SOURCE栏中的上下两个键来设置输出电压值。电压表使用中需要留意的是，当选择输出档为50V与500V时，电源内部自动开启interlock,这是我们需要将后面板的interlock（11端口）中引脚1、2短接来解锁，如图1.5所示。Interlock.Asserted(OutputInhibited)wit
6、hOp-nSvvitcjl图1.5将interlock的引脚1、2短接来解锁皮安表使用连接线路如图1.8，使用时将皮安表串联接入电路。电流测量操作步骤如下：1）选择电流档（另一个档位为欧姆档）；（2）打开零点检测，ZCHK按钮可掌握零点检测开、关；（3）进行较零以猎取最优精确度，先选择2nA量程，然后按REL键来校准;（4）选择量程，也可以按AUTO自动选择量程；5）将皮安表接入电路（一般先接入电路再进行上述步骤）；（6）关闭零点检测（按ZCHK键），从显示窗读取电流值。图1.6Model6487前面板25WARNING:rBA晦*PC910IIMJ却fK|dJiE505VPK網沖IIIHPU
7、TTRIGGERLINK12aHlbuElD理TECIDhi心z卜心MMIBHAjCEFuatffllh!MTrKRaIMl图1.7Model6487后面板图1.8皮安表测量电路连接图1.1.3DS给出的性能参数8从datasheet(缩写为DS)上可以查找出该SiPM(MicroFC,6mm)的性能参数，一方面作为我们加偏压、设计试验电路的参考；另一方面可作为推断试验结果牢靠性的依据。其中overvoltage含义为高于Vbr的电压。参数overvoltagemin.Typ.max.单位Breakdownvoltage(Vbr)21.221.7V推举overvoltage范围1.05.0V光
8、谱范围300800nm峰值波长420nmGain(阳极到阴极的输Vbr+2.5V3X106出)参数overvoltagemin.Typ.max.单位Gain(fout)Vbr+2.5V1.3X104暗电流Vbr+2.5V6181750nA表1.1MicroFC60000性能参数1.1.4SiPM伏安特性曲线测量试验等效电路图如图1.9,电路板置于暗箱中，所加偏压Vbias为负值，电流表量程选择200微安，试验测量结果如图1.10(线性坐标),1.11(对数坐标)。Rf47RCrND-|T:C3IftnKMjctoFC&tXWRsVV-IKC2LOntGND加口4如1IRJiputfiiStpW
9、tpUt图1.9SiPM伏安特性测量等效电路图1.10呈现出特别鲜亮的二极管伏安特性曲线特征，也可以反映出SiPM的本质即为雪崩二极管阵列。同时，能够测得该曲线表明,SiPM焊接良好，电路未出现断路。从图1.10仅可大致看出截止电压在24V26V,因此我们需要将其绘制于半对数坐标下，于是得到图1.11。截止电压应位于曲线斜率最大处，从对数坐标可以鲜亮的看出截止电压应在21.525V之间，与DS中给出的结果符合。由于取点数仍不够多，我们取(21.5V,25V)之间的平均值作为截止电压，即21.75V，那么SiPM应工作于(25.75V,29.75V)的偏压范围内。图1.10线性坐标下SiPM伏安
10、特性曲线图1.11对数坐标下SiPM伏安特性曲线1.1.5无闪耀晶体时输出信号观测用LED灯为光源测试我们制作的光电探测器是否能使用，试验电路框图如图1.12所示。SiPM是用于弱光探测的设施，当入射光过强时，信号将消失饱和。因此我们需要将SiPM置于暗箱中，用LED灯供应入射光子信号。当有正脉冲电信号输入LED灯时，LED将会发光，发光强度同脉冲宽度线性正相关，同幅度的平方成线性正相关，该LED响应时间、发出的光脉冲信号提升时间与衰减时间均很快。从信号发生器引出两路频率相等、相关联的信号，一路用来掌握LED发光，另一路用作示波器触发信号，这样做的目的是消退噪声信号的干扰。信号发生器给LED一
11、个脉冲信号使LED发光，SiPM接收到来自LED的光子受激发，从fout、sout两路输出信号。SiPM输出信号经过长导线输入到示波器，与此同时示波器受来自信号发生器的触发信号触发，我们可以从示波器上读出触发门信号、fout、Sout三路信号。图1.12自制SiPM探测器输出信号探测依据伏安特性曲线，选取-Vbias=-29V,示波器输出信号波形如图1.13所示。从图中可以读出Standardoutput（sout）脉冲后沿大约500ns,提升时间约20ns,几百ns的脉冲宽度使其不适用于定时、入射光子计数率较大的状况；但是sout输出的总电荷量远大于fout,适合测量入射光子数较少、计数率较
12、低的状况。如果在SiPM前添加一个闪耀体，那么sout更适合测量计数率低的入射粒子，且测量低能量粒子的能量性能应优于fout（假设粒子能量可以完全损失在晶体中）。用示波器测量出fout下降沿为29ns，从图中可以看出它的提升沿仅有几ns。可见fout输出脉冲宽度很小，特别适用于高计数率的状况。由于信号传输线较长，以及LED灯本身需要经过光缆传输再照到SiPM上，我们无法确定详细的响应时间。特别有意思的是，在fout脉冲后跟随着一个极性相反的脉冲，经争论我们认为它来自传输电缆（电缆传输延迟的时间约为16ns）的反射。且fout输出脉冲幅度仅为sout一半，考虑原理电路中的负载电阻Rf，认为Rf分
13、流了一部分信号。这告知我们使用射频变压器以匹配阻抗的重要性。此外假如让sout先经过放大器再输出，将会引入较大的噪声，尽管在加外触发信号的状况下并不影响信号的读取。考虑到今后的使用问题，我们下一步的改进方案是将前置放大器放入电路板中并且在fout输出端添加射频变压器。SfewL&Crov5QCI-BWmYDiStAlto-55UmY20mVXlr/-e.DOmvorstIflOnsjdw1O.DHS10GS,Stl.DmVAii/is.romvarstTimetese-ISarZliTrgeF4/24(20226:4331PMstandardoutputfastoutputFilmVertic
14、alTiniEbssaTriggerDisplayCursorsMaasuraMathAnsfysisUlllltiBSHelpZaarnUrricKiZdZDCTT/C4)lOOnsJdlS3.5mViy.giopsrcflF图1.13输出信号波形图1.2SiPM闪耀体探测器在电路板前安装一个LYSO晶体，则可作为闪耀体探测器使用。试验所用闪烁晶风光积为与电路板大小相等，为2cm*2cm*0.5cm。将闪耀晶体用纸包住，并在外围缠上黑胶布避光，仅在一面留出正中心7mm*7mm的面积用来对准SiPM，该晶体密度为7.4g/cm3，由体积可估算出该LYSO晶体放射性也许在600Bq。(a)LYS
15、O晶体用黑胶布缠绕遮光化)遮光完成后的探头图1.14用黑胶布将LYSO同SiPM连接，同时起遮光作用将闪耀体中心对准电路板中心的SiPM，并用黑胶布使闪耀体同电路板固定在一起。该过程中留意需要保证电路板边界同闪耀体边界粘贴无缝隙，通孔漏光需要单独贴黑胶布堵住，以防止漏光（如图1.14示意）。我们使用CAEN公司出品的DT5720收集数据并绘制成QDC谱，DT5720在该处起多道分析器的作用。由于DT5720工作于自触发模式下时只能被负极性信号触发，而我们的探测器输出信号为正信号。为此我们先将信号输入SP5600，SP5600内置有前置放大器，能够将信号极性反向。为了真实的观测SiPM的放大效果，我们不盼望使用其前放的功能，将放大倍数设置成最低的ldB（即只有1.122倍），将信号经SP5600反向后再输入到DT5720中。测量连接电路框图如图1.15,图1.16为正在测量能谱中的试验实物图。图1.15能谱测量试验框图图1.16能谱测量试验实物图1.2.1本底测量LYS
