自制SiPM探测器实验内容与分析

1、自制Si PM探测器实验内容与分析自制SiPM探测器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Altium Design 13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.5（：皿00；如图3 9所示,其中元件MicroFC 60000为我们根据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.PCBD0C）, 根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

2、便于安装闪烁晶体；其中元件MicroFC 60000 的封装需要我们依据用户手册中提供的封装图（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。2.052.92.050.64.91.15_,5.1,7图LI MicroFC 60000封装引脚，图中所有尺寸单位为mm0PCB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。为了根据实验结果来确定比的大小，所以为比预留了三种 型号的封装。图1.2自制SiPM探测器P

3、CB板100200250300图L3回流焊接温度曲线100150Time (sec)拿到PCB板后，我们开始焊接各元件。先焊接SiPM,后焊接电阻与电容。 根据SiPM的焊接要求7,我们采用回流焊来进行焊接，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，根据焊接条件，我们可 以画出加热温度曲线应满足图1.3,必须注意温度变化斜率不能超过该图的要求。 SiPM焊接成功后，才能焊接电阻与电容，焊接时需要注意不能划伤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。Sol

4、der Reflow Profile300250200150焊接完成后的PCB板如图14用万用表笔测试焊接成功后，再依次焊接电源线、fout、sout,电路就焊接完成了。电路板中Vbias, GND, （but, sout使用额外焊 接的电线来加偏东或引出信号。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Model 6487,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

5、口，10 （HI）为高压端口， 使用步骤如下：（1）打开电源（POWER）,按C0NFIG/L0CAL-0PER,设置电压源模式,选择 DC或者SWEEP模式，本实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,本实验使用的是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。电压表使用中需要注意的是，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

6、示。Pin 1InterlockNormallyOpenSwitchTest FixtureInterlock Asserted (Output Inhibited) with Open Switch图L5将interlock的引脚1、2短接来解锁皮安表使用连接线路如图L 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按钮可控制零点检测开、关；（3）进行较零以获取最优精确度，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）；（

7、6）关闭零点检测（按ZCHK键），从显示窗读取电流值。图L6 Model 6487前面板123456789101112图L7 Model 6487后面板1.1.3 DS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、设计实验电路的参考；另一方面可作为判断实验 结果可靠性的依据。其中overvoltage含义为高于Vbr的电压。参数overvoltagemin.Typ.max.单位Breakdown voltage (Vbr)21.221. 7V推荐 overvoltag e范围1.05.0V光谱范围30

8、0800nm峰值波长420nmGain （阳极 到阴极的输 出）Vbr+2. 5V3X106Gain(fout) Vbr+2.5V1.3X10* 1暗电流 Vbr+2.5V6181750nA单位参数 overvoltage min.Typ.max.图L 10呈现出非常鲜明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。截止电压应该位于曲线斜率最大处，从对数坐 标可以鲜明的看出截止电压应该在21. 5、

9、25V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2L75V, 那么SiPM应工作于(25. 75V, 29. 75V)的偏压范围内。图L10线性坐标下SiPW伏安特性曲线MicroEC 60035伏安特性曲线1()0. 1 0.01 1E 314161820222426283032Vbias/V图1.11对数坐标下SiPM伏安特性曲线1.1.5无闪烁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，实验电路框图如图 1.12所示。SiPM是用于弱光探测的设备，当入射光过强时，信号将出现饱和。因 此我们需要将

10、SiPM置于暗箱中，用LED灯提供入射光子信号。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、发出的光脉冲信号上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，一路用来控制LED发光，另一 路用作示波器触发信号，这样做的目的是消除噪声信号的干扰。信号发生器给LED 一个脉冲信号使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.

11、 Sout三路 信号。图1.12自制SiPM探测器输出信号探测根据伏安特性曲线，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Standard output （sout）脉冲后沿大约500ns,上升时间约20ns, 凡白ns的脉冲宽度使其不适用于定时、入射光子计数率较大的情况；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、计数率较低的情况。如 果在SiPM前添加一个闪烁体，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

12、中可以看出它的上升沿仅有儿ns。可见 fout输出脉冲宽度很小，非常适用于高计数率的情况。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，我们无法确定具体的响应时间。非常有意思的是，在fout脉冲后跟随着一个极性相反的脉冲，经讨论我们认 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分流了一部分信号。这 告诉我们使用射频变压器以匹配阻抗的重要性。另外如果让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情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

13、步的改进计划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。图L13输出信号波形图(b)遮光完成后的探头SiPM闪烁体探测器在电路板前安装一个LYSO晶体，则可作为闪烁体探测器使用。实验所用闪 烁晶体面积为与电路板大小相等，为2cm*2cm*0.5cin。将闪烁晶体用纸包住，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7.4汰1一,山体积可估算出该LYSO晶体放射性大概在600Bq。(a)LYSO晶体用黑胶 布缠绕遮光图1.14用黑胶布将LYSO同SiPM连接，同时起遮光作用将闪烁体中心对准电路板中心的SiPM,并用黑胶布使

14、闪烁体同电路板固定 在一起。该过程中注意需要保证电路板边界同闪烁体边界粘贴无缝隙，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，我们不希望使用其前放的功能，将放大倍数设置成最低的IdB（即只有1.122 倍），将信号经SP5600反向后再输入到DT5720中。测量

15、连接电路框图如图1.15, 图L16为正在测量能谱中的实验实物图。图1.15能谱测量实验框图放射源图1.16能谱测量实验实物图本底测量LYSO晶体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们 所做的探测器的性能。本底放射性的测量结果如图1.17。LYSO本底测量图1.17本底测量结果II16lu衰变特性可知,我们应当可以观察到88KeV( 13.3%)、201 KeV( 86%)、 306KeV (94%)的丫射线，括号内为该组分分支比，同时衰变将放出能量最大值 为598KeV (99%)的射线。由于F射线谱为一个连续谱，且计数峰值位置大约 应该出现在200KeV,我们无法对本底做

16、拟合，但是从轮廓上我们大致可以看出 有3组峰，峰值道数在2000、5000、7000附近，从能量比值上看就是这三个丫射 线。另外我们发现本底拖着一个很长的“尾巴”，从能量上来看，它与LYSO自 身放射性无关，猜想应该来自于环境本底。能谱测量我们选用2?Na, i3，cs, 60co源来进行观察，所得结果如图1.18,图1.19,图 1.20。由于QDC本身具有死时间，我们不能通过减去时间相等时的本底的方式处 理数据，否则会出现本底计数高于能谱的现象。但我们可以直接拿能谱来进行拟 合，即用高斯分布曲线的一部分拟合本底曲线，来求得出能量刻度和分辨率。可 以这样处理的原因在于，能谱中只有全能峰对我们

17、有用，本底同康普顿平台混杂 在一起，这么做可以把他们同时处理掉。数据处理使用。rigin软件中 Analysis-Peak And Baseline-MultiPeak Fit功能来进行拟合。图1.18自制JSiPM探测器观测到的137cs能谱QDC图1.19自制SiPM探测器测量2?Na能谱4003503002502001501005006005004003002001000100 50 0s-lurlo。00600o 00 80020o 川 41o o 60DCQ叱o 本底拟合 和C。能谱拟合拟合结果 q=1697. 84 Center=15461050001000015000200002

18、500030000QDC图1.20自制SiPM探测器测量叱。能谱图中我们观测到的分别是的0.622MeV的丫射线，22Na的O.511MeV的衰变 放出的正电子湮灭放出的Y射线，及60co的L17MeV的丫射线。理论上?2Na, 6o 分别还有1.27MeV、1.33MeV的丫射线，但是由于LYSO晶体厚度较薄，并没有被 观测到。根据图1.18到1.20,我们可以计算出能量刻度为:E=7.94xl0-5Num-0.06,(1.1)自制SiPM探测器能量刻度曲线图L21自制SiPM探测器能量刻度曲线传输过来的信号进行采集、滤波成形、数字化处理，并最终绘制成QDC谱；设 备的所有参数的通过PC端基

19、于LabView的GUI界面来操控，数字化处理结果由 GUI界面显示。本测试不需要信号输出，直接利用SiPM的暗计数来进行测量，因 此信号采集使用自触发。. 1 测量 S10362-33-050C 在不同偏压下的 Sta i rcases我们通过测量“staircase”来研究SiPM的DCR特性。如果设定阈值在0.5光 电子，对脉冲数进行计数，我们可以得出一个或多个光子的计数；如果设阈值在 1.5个光电子，那么我们将得到两个或多个光子的计数；而设定阈值在N-0.5个 光电子可以给出N或者更多光子的计数。通过逐步设定阈值，并最终绘制DCR关 于阈值的变化曲线，就是所谓的“staircase。以

20、上过程可以通过DT5720GUI面 板中的“PSAU staircase功能自动进行测量。设定PSAU放大倍数为30dB, DT5720A基线阈值8mV,图 1.23为不同偏压下S10362-33-050C的staircases。Staircases for si0362-33-050。68. 8V - 68. 4V68. 2V 68. 05V02 111111111020406080100Thrcshol(1/ mV (absolute val uc)图 1.23 S10362-33-050C staircasesStaircases为一个台阶状的曲线，该图给了我们很多关于暗计数率的信息。从 图中可看出在避光条件下，产生一个光电子的几率远大于2个、3个，产生光电子 数的几率基本呈指数下降。对于该型号SiPM,它的暗计数率在106量级