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1、自制SiPM探测器设计1.1 SiPM型号介绍本探测器所用SiPM为SensL公司C系列微弱光信号传感器中的MicroFC 60035 （MicroFC 60000系列目前只有这一款产品，因此后文的MicroFC 60000指 的也是该型号SiPM）,该系列SiPM具有较低的DCR（Dark Count Rate，暗计数率） 和较高的PDF （Photon Detection Efficiency，光子探测效率），属于业内领先水 平，同时它还拥有SensL公司专利的fast mode output（快模式输出）。该SiPM传感 器的基于图1.1所示的P-on-N二极管结构，该结构保证了 SiP
2、M具有较高PDE，并 且对紫外光（UV）敏感。所有的C系列产品均具有SensL公司专利的fast output 端口，该端口可输出快上升时间和短脉冲宽度的信号。图1.1本探测器所用的SiPM的每个微单元，米用如图的P-on-N二极管结构。图1.2为简化的C系列SiPM微单元原理图，输出信号为各微单元输出信号的 总和。MicroFC产品具有大于等于3个二极管微单元，同时具有fast output、阳极、 阴极这三个接口。其中，fast output端口是微单元对单光子探测响应进行内部快 速转换的衍生物。该系列SiPM有两种输出方式，一种是上文所说的fast output mode，该模式输出信号
3、极性为正，上升时间在300ps到1ns，脉冲宽度600ps-3ns （基于不同SiPM及其微单元的尺寸），使用该模式可以改善定时和光子计数方面 的应用；另一种为standard output mode，信号可通过加负载电阻与耦合电容的方 式从阴极或阳极端引出（本探测器所使用的电路详情见下一节），一般用于定时不是很重要的情况下，它将输出一个上升时间为lns-10ns、衰减时间几百ns的脉 冲（基于不同的SiPM及其微单元尺寸）；它更适合包含慢脉冲或者缓慢变化、 持续光照的应用，比如光度计，当闪烁体响应慢或者光子产额低时的九射线光谱。 图1.3为fast output与standard outpu
4、t典型的输出信号形状。我们可以只用某一种 模式，也可以采用合适的电路同时得到两种模式的输出。本探测器所使用的 MicroFC 60035型号SiPM几何尺寸如图1.4。具体电路设计参见下一节。c CathodeFast Output-iHlr图1.2简化的C系列SiPM微单元原理图。1.2 电路设计我们基于SensL公司提供的用户手册和datasheet来进行电路设计，电路结构 包括滤波电路，standard output部分以及fast output部分。1.2.1 滤波电路电路中使用的电压源为直流电源，为了避免电压源输出仍然含有交流成分 干扰输出信号，我们需要使用滤波电路。图1.5为一个典
5、型的加负偏压的滤波电 路。SiPM用户手册中推荐使用的电阻、电容值分别为R1=R2=50Q，C=C2=10nF, 电阻只起到滤波作用，因此我们只需取50欧附近的电阻即可。图 1.3 MicroFC-SMA-30035受40ps脉冲(Photek LPG-405)照射时输出的信号，其中standard output信号为蓝色曲线，fast output为红色曲线。该脉冲激发了晶阵2.5%的微单元。Pin AssignmentsPin #C-SeriesAnode2Fast OulpulICathode4No Connect *5No Connect4图1.4本探测器所用SiPM尺寸及各引脚对应的
6、输出/输入。VbiasC1020VVoltage SupplyR1, R2 = 50RC1PC2= l0nF(50V)图1.5典型的滤波电路，由电压源(voltage supply)提供直流电压，经滤波电路后从图中 的“-Vbias”端为SiPM供电。1.2.2 fast output 与 standard outputfast output是接在SiPM的阴极端(基底)，因此推荐在二极管阳极加负偏压, 在阴极加0V电压，如图1.6。快输出输出的信号总是正极性的。由于fast output端 口输出信号速度极快，我们必须谨慎选择信号输出路径。当连接到示波器或者需 要经过长电线的传输时，推荐使用
7、一个射频变压器(RF transformer)，比如 RFXF9503,如图1.6来进行阻抗匹配，从而改善50Q阻抗下的输出脉冲的幅度和 时间特性。fast output电极的另一个特性是它是交流耦合，不含任何直流成分。 如果需要的话可以将standard output设计成直流耦合的形式，将其同fast output结 合起来使用。需要注意的是，在SiPM雪崩过程产生的电荷仅有约2%会注入到fast output电极，但是它的脉冲持续时间比standard output短约100倍，因此观察到的 电路振幅约为standard output的2%*100=2倍高。这种高电流振幅，结合它较低的
8、输出电容，使得该设备非常适合用于高频下的光子计数(几十MHz或者更高)。如果需要保证快输出信号放大率，推荐使用低噪声50Q射频放大器。当与 standard output同时使用的时候，基于不同的应用目的来确定gain。对于有高光子 计数的应用，推荐ZX60-43S+ ；用于光子计数，推荐ZFL-1000LN+。同时，用于 PET时，从fast output可以同时得到时间和能量分辨率，而阴极与阳极仅仅用作加 偏压，而不引出信号。Fast Output is referenced to 0VL1 = RFXF9503-Vbias should be filtered with SensL ge
9、neric voltage filter图1.6该图展示了推荐的加偏压方式，“ Fast Output* ”表示推荐加射频放大器后输出。如果不要求输出信号时间响应快，那么我们可以使用standard output端口， 这样MicroFC 6035将同常规的SiPM一样工作。对于本型号SiPM, fast output端口 保持空载对standard output毫无影响。显然，根据SiPM的工作原理，二极管阴极 所加电压应高于阳极，我们推荐从接0V偏压的那一边引出信号。我们可以在 standard output处接一个前置放大器，比如OPA656 （推荐使用），这样将standard 模式输
10、出信号电流转换成电压信号，具体电路设计也是基于需求来设计。我们常常希望能够探测器同时输出fast output和standard output这两种信号， 这样我们可以同时从两个分开的通道分别得到时间（fast output）和振幅（standard output）这两种信息。这一般应用于PET （Positron Emission Tomography）, PET 成像中需要得到每个光子脉冲的时间与能量信息。图1.7与图1.8分别为直流耦合 与交流耦合的连接方式。xFast Output is referenced to OVR1 = 2K2 (1mm sensor) or 470R (3m
11、m or Gmnn sensor) R2 = 50 RC1 = 3pFC2 - 100pF (only required if also using Fast Output)U1 = OPA656Fast Output readout options:1) Transformer RFXF9503 (large signal to oscilloscope)2) Mmicircjih Amplifier ZX60-43+ (large signal)3) Mlnldrcjlts Amplifier ZFL-1000LN+ (small signal) -Vbias should be filt
12、ered wiih SensL aereric voltaae filler图1.7直流耦合输出形式，standard output端接了个互阻抗放大器（TIA）。1.2.3 最终的电路原理图根据束流损失探测器的要求，首先我们考虑的是，输出信号的时间响应要好， 其次我们也希望能够确定辐射强度，因此我们需要同时输出 fast output与 standard output信号。作为初始产品，我们暂且不将前置放大器（OPA656）与 射频变压器（RFXF9503）置于设计的电路板中，以方便后续改进工作。使用pro tel 软件绘制电路原理图，如图1.9。其中R,R,C,C起滤波作用，R为st an
13、dard out put1212s负载电阻，根据用户守则确定阻值为1千欧，C为用来革直的交流耦合电容，R为 3f fast ou tpu t （简写作fou t）负载电阻。StandardOutputFast Output is referenced to QVR1 = 2K2 (1 mm sensor) or 470H (3mm or 6mm sensor)R2 - 50 RR3 = 1KG1 = 3pF (50V)C2 = 1 GnF (50V)U1 = OPA65SFast Output readout options:1) Balun transformer RFXF9&03 (lar
14、ge signal to oscilloscope)2) Minicircuits amplifier ZX60-43+ (large signal)3J Minicircuits amplifier ZFL-1000LN4 (small signal)-Vbias should be filtered with SensL generic bias filter图1.8交流耦合输出形式，standard output端接了个互阻抗放大器(TIA)。血n血nd山1冋：firn puiput图1.9 本探测器电路板设计图。1.3 闪烁晶体我们使用LYSO (Ce)晶体作为探测器的闪烁晶体。LYS
15、O晶体，全称铈掺 杂硅酸钇镥晶体，其化学式为(Lu,Y)2SiO5:Ce,它是一种无色透明的单斜结构晶 体，化学性质稳定且不易潮解。它的发光产额高，约30000ph./MeV，发光衰减时 间短，约40ns；发光峰值波长在420nm，和常见的光电倍增器件都匹配；辐射长 度为1.14cm；相对Nal (Tl)光输出约75%。它的抗辐照性能较好，且发光时间 短、光产额高使其成为束流损失探测器闪烁晶体的优良选择；密度大的特点使其 适用于SiPM这种小型化探测器。但是LYSO晶体的缺点是，Lu元素有天然放射性 同位素176Lu。176L u占镥总量的2.59%，具有0放射性，半衰期为1.78x1Oio年，衰 变放出的主要Y射线有88KeV (11.3%)、201KeV (86%)、306KeV(94%)， 括号内为该成分分支比，同时衰变将放出能量最大值为598KeV(99%)的0射线。
