趙申森，沈仲?gòu)|,*，周安順，牛亞洲，封常青，劉樹(shù)彬

(1.核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥 230026)

環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)是中國(guó)正在推動(dòng)的下一代大科學(xué)工程項(xiàng)目，旨在利用質(zhì)心系能量在250 GeV附近的正負(fù)電子對(duì)撞產(chǎn)生的大量希格斯玻色子事例，對(duì)希格斯玻色子屬性進(jìn)行精確測(cè)量[1]。電磁量能器(ECAL)是CEPC的核心探測(cè)器之一，主要對(duì)占產(chǎn)物20%的光子進(jìn)行能量測(cè)量[2]。該量能器采用粒子流量能器概念，具有單元顆粒度細(xì)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，除傳統(tǒng)的能量測(cè)量外，還具有徑跡分辨的能力，可區(qū)分產(chǎn)物的不同成分，提高噴注能量分辨率[3-5]。CEPC ECAL有多種技術(shù)路線，不同技術(shù)路線采用不同的探測(cè)單元，其中一種技術(shù)路線采用塑料閃爍體條和硅光電倍增管(SiPM)作為基本探測(cè)單元。SiPM是一種由多個(gè)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(shí)間分辨好、抗磁場(chǎng)等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，由于成本不斷下降，探測(cè)效率不斷提高，使得SiPM在弱光探測(cè)領(lǐng)域有越來(lái)越多的應(yīng)用，如激光雷達(dá)、高能物理實(shí)驗(yàn)、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(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備發(fā)熱與環(huán)境溫度變化會(huì)使SiPM溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致雪崩閾值電壓改變，進(jìn)而引起增益變化。同時(shí)，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(shè)計(jì)一套監(jiān)測(cè)電路，在SiPM使用過(guò)程中實(shí)時(shí)地對(duì)其增益進(jìn)行標(biāo)定。

目前，國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)(ILC)項(xiàng)目組的模擬強(qiáng)子量能器(AHCAL)原理樣機(jī)是第1個(gè)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(cè)SiPM工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了基于發(fā)光二極管(LED)脈沖驅(qū)動(dòng)電路的增益監(jiān)測(cè)模塊。模塊采用電感儲(chǔ)能，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)的控制可產(chǎn)生脈沖電流，注入發(fā)光二極管，產(chǎn)生強(qiáng)度可調(diào)的納秒級(jí)脈沖光。通過(guò)光纖分發(fā)至各探測(cè)單元中激發(fā)SiPM少數(shù)像素單元響應(yīng)，得到單光電子譜從而完成SiPM增益監(jiān)測(cè)[9-10]。但由于該種方法使用的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路體積較大，且需光纖穿過(guò)每個(gè)探測(cè)單元，并不適用于探測(cè)單元更小且排布更密集的CEPC ECAL結(jié)構(gòu)。因此，本文設(shè)計(jì)一套基于納秒級(jí)脈沖光的適用于CEPC ECAL、結(jié)構(gòu)緊湊的多通道SiPM監(jiān)測(cè)電路。

1 原型機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求

目前，ECAL的原型機(jī)正在設(shè)計(jì)制造中[11-13]。原型機(jī)由30層前端單元(EBU)和相應(yīng)的數(shù)字接口電路(DIF)構(gòu)成，每層EBU有210個(gè)由塑料閃爍體條和SiPM構(gòu)成的探測(cè)單元，圖1為原型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 原型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of prototype structure

粒子流算法要求探測(cè)單元具有較細(xì)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(jìn)行閃爍光到電信號(hào)的轉(zhuǎn)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(gè)探測(cè)單元均需1個(gè)受控發(fā)光的LED對(duì)其進(jìn)行增益標(biāo)定。SiPM的增益一般由電荷量與激發(fā)像素?cái)?shù)的比值來(lái)定義。但實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)并不標(biāo)定該定義下的增益的準(zhǔn)確數(shù)值，而是標(biāo)定與其具有線性關(guān)系的其他參數(shù)量。因?yàn)殡姾闪孔罱K轉(zhuǎn)化為測(cè)量系統(tǒng)中ADC的測(cè)量碼值，所以將ADC碼值與激發(fā)像素?cái)?shù)的線性相關(guān)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(chǎn)生極其微弱且發(fā)光時(shí)間與SiPM信號(hào)寬度相匹配的脈沖光，使SiPM少量像素產(chǎn)生雪崩，從而獲得單光電子譜。單光電子譜相鄰兩個(gè)峰的峰間距即為測(cè)量值和響應(yīng)光子數(shù)的比例關(guān)系。圖2為S12571-015P型號(hào)的SiPM單光子響應(yīng)波形，信號(hào)脈寬約20 ns，半高寬約10 ns。ECAL原型機(jī)中閃爍體選用SAINT-GOBAIN公司的BC408塑料閃爍體[15]，發(fā)光衰減時(shí)間約為3 ns，SiPM的像素響應(yīng)在單次響應(yīng)中僅激活1次。脈沖光脈沖寬度應(yīng)限制為10 ns左右，以避免像素被2次激活，否則SiPM響應(yīng)曲線將與實(shí)際不符[16]。

另外，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需有以下特性：脈沖光波段應(yīng)與塑料閃爍體發(fā)光波段和SiPM響應(yīng)波段相匹配，以更好地模擬閃爍體發(fā)光和SiPM響應(yīng)；脈沖光強(qiáng)度可調(diào)，用以監(jiān)測(cè)SiPM在不同強(qiáng)度光的響應(yīng)；結(jié)構(gòu)緊湊，使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電子學(xué)、探測(cè)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(shè)計(jì)一套基于LED脈沖發(fā)光的SiPM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可通過(guò)發(fā)出強(qiáng)度可控的納秒級(jí)短脈沖光，對(duì)SiPM進(jìn)行刻度，滿足ECAL階段的在線批量SiPM增益與響應(yīng)監(jiān)測(cè)需求。

圖2 SiPM單光子響應(yīng)波形Fig.2 Waveform of SiPM single photon response

2 SiPM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 框架設(shè)計(jì)

圖3為監(jiān)測(cè)電路示意圖，LED監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由上位機(jī)、FPGA、選通開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)電路及LED陣列組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)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(fù)責(zé)與上位機(jī)通信及對(duì)開(kāi)關(guān)電路和驅(qū)動(dòng)電路的控制。選通開(kāi)關(guān)將待測(cè)通道選通以控制其驅(qū)動(dòng)電路工作，選用SN74CBTLV3251芯片作為選通開(kāi)關(guān)，單芯片可實(shí)現(xiàn)8通道選通。電路中使用兩片芯片并通過(guò)選通信號(hào)級(jí)聯(lián)，擴(kuò)展為14通道。EBU的210個(gè)SiPM和對(duì)應(yīng)的LED分為14組，每組包含15個(gè)探測(cè)單元和其對(duì)應(yīng)的LED及1個(gè)選擇通道。通過(guò)選通開(kāi)關(guān)可選擇任意1組進(jìn)行刻度。驅(qū)動(dòng)電路可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度，并接受數(shù)字刻度開(kāi)關(guān)信號(hào)，產(chǎn)生刻度脈沖到指定通道。在系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電路分布于各LED旁，就近驅(qū)動(dòng)LED。

圖3 監(jiān)測(cè)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(zhǎng)兩方面考慮。由于探測(cè)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(zhǎng)需與ECAL原型機(jī)所使用的閃爍體熒光波長(zhǎng)相匹配，BC408塑料閃爍體熒光光譜的主要波長(zhǎng)在400～480 nm之間。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用東裕光電公司型號(hào)為MK-0603-0.4T的LED作為發(fā)光器件，其發(fā)光光譜主波長(zhǎng)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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路是監(jiān)測(cè)電路的重要組成部分，其功能是提供LED瞬間導(dǎo)通所需的電流且在發(fā)光結(jié)束后快速關(guān)斷LED。雙NMOS驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，其由偏壓調(diào)節(jié)電路和脈沖產(chǎn)生電路組成。偏壓調(diào)節(jié)電路由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、放大器和上拉電阻組成。偏壓調(diào)節(jié)電路將驅(qū)動(dòng)電路的儲(chǔ)能電容的靜態(tài)電壓提升到設(shè)定值，控制LED脈沖強(qiáng)度。EBU中210個(gè)LED共用1個(gè)偏壓調(diào)節(jié)電路。DAC選用TLV5618A芯片，其輸出范圍設(shè)定為0～2.5 V，緩沖器選用AD8591芯片，在增加電路驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)提供2倍增益，使偏壓調(diào)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(guò)10 kΩ電阻對(duì)210路電容充電的電流需求。

脈沖產(chǎn)生電路由延遲芯片、MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片、NMOS管和電容組成。脈沖產(chǎn)生電路共210個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，分為14組，每組15個(gè)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元由兩個(gè)NMOS管，受驅(qū)動(dòng)的LED和電容組成。組內(nèi)LED驅(qū)動(dòng)單元共用1套MOSFET驅(qū)動(dòng)器和延遲芯片。LED放電通路受兩個(gè)NMOS管控制，NMOS1將放電回路導(dǎo)通，電容儲(chǔ)存的電荷將經(jīng)過(guò)LED，通過(guò)NMOS1泄放，此時(shí)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(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器的存在可增加瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)電流能力，從而提高控制電路的帶負(fù)載能力和MOS管響應(yīng)速度。延遲芯片型號(hào)為DS1100，設(shè)定其延時(shí)為4 ns。MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片選用TI公司的UCC27524A。NMOSFET選用ON Semiconductor公司的MCH6661芯片，其導(dǎo)通電阻為250 mΩ左右，可為L(zhǎng)ED提供低阻放電回路。

初始待命狀態(tài)時(shí)，NMOS1與NMOS2皆為截止?fàn)顟B(tài)。DAC調(diào)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(dāng)選通芯片輸出的某組啟動(dòng)信號(hào)電平變高時(shí)，由于延遲芯片的作用，NMOS1先導(dǎo)通，電容通過(guò)LED和NMOS1進(jìn)行放電使LED發(fā)光，直至電容上電壓接近LED導(dǎo)通電壓。經(jīng)過(guò)固定延遲，NMOS2導(dǎo)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(diào)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(qū)動(dòng)電路示意圖Fig.4 Schematic of LED driving circuit based on dual NMOS

S啟動(dòng)信號(hào)電平變低時(shí)，NMOS1先關(guān)斷，NMOS2后關(guān)斷，電容通過(guò)電阻由偏壓輸出端充電至指定電壓，從而完成1次脈沖驅(qū)動(dòng)循環(huán)，等待下次啟動(dòng)信號(hào)。

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

在基于電容儲(chǔ)能的小體積LED脈沖光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，NMOS2的存在尤其關(guān)鍵。因?yàn)殡娙菰谛狗胚^(guò)程中，電荷量降低，兩端電壓降低。當(dāng)偏壓接近LED正向發(fā)光閾值電壓時(shí)，LED阻值會(huì)大幅增加，使得電荷泄放變慢，最終脈沖光尾部會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)間弱發(fā)光現(xiàn)象。而NMOS2可提供對(duì)地低阻回路，可將電容殘余電荷迅速泄放，使LED及時(shí)停止發(fā)光。

分別對(duì)單NMOS驅(qū)動(dòng)電路(圖5)和雙NMOS驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行仿真，比對(duì)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)信號(hào)為脈沖方波信號(hào)，時(shí)間寬度為4 ns，幅度為3.3 V。根據(jù)圖4所示的雙NMOS驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(gè)相差4 ns的信號(hào)供給UCC27524芯片模擬延遲芯片的作用。

圖5 單NMOS簡(jiǎn)易LED驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 Simple LED driving circuit based on single NMOS

仿真得到的脈沖電流隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示。單NMOS驅(qū)動(dòng)下的電流脈沖半高寬約10 ns，但10%高度對(duì)應(yīng)寬度大于20 ns。脈沖寬度過(guò)長(zhǎng)的主要原因是LED不能及時(shí)被關(guān)閉截止。而在考慮MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)能力及MOSFET管響應(yīng)速度的情況下，雙NMOS驅(qū)動(dòng)電路可在LED上產(chǎn)生時(shí)間寬度為10 ns內(nèi)的電流脈沖。NMOS1的導(dǎo)通可提供低阻通道，泄放LED正極電荷，使兩端電壓小于導(dǎo)通電壓，迅速使LED進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。仿真結(jié)果表明，有必要采用雙NMOS驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，且該設(shè)計(jì)在原理上可滿足光刻度操作對(duì)光脈沖的時(shí)間寬度需求。

圖6 驅(qū)動(dòng)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(cè)，倒扣于機(jī)械孔中，向閃爍體發(fā)光。為增加光收集效率，閃爍體外側(cè)由反射膜包裹。反射膜在LED對(duì)應(yīng)位置開(kāi)孔，使LED光可進(jìn)入閃爍體然后傳導(dǎo)至SiPM。LED倒扣的設(shè)計(jì)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(chǎn)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(gè)閃爍體，每個(gè)閃爍體下方均按圖7所示的方式放置LED。顏色表示探測(cè)單元及對(duì)應(yīng)LED的分組，顏色相同的LED代表被分到同一組內(nèi)，同時(shí)被驅(qū)動(dòng)發(fā)光。每?jī)山M的LED交替擺放，這樣使得當(dāng)1組LED被驅(qū)動(dòng)時(shí)，相鄰LED不發(fā)光，可避免光串?dāng)_。圖9為安裝在EBU的LED實(shí)物圖。由SiPM側(cè)向LED觀察，可看到LED透過(guò)通光孔向SiPM側(cè)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(shí)物圖Fig.9 Photograph of LED emitting

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

3.1 時(shí)域波形測(cè)試

時(shí)域波形測(cè)試的目的是確定發(fā)光波形時(shí)域特性，確保脈沖寬度符合監(jiān)測(cè)電路需求。預(yù)期光脈沖寬度在10 ns左右，為不失真地反應(yīng)光脈沖的波形信息，需采用響應(yīng)較快的光電倍增管(PMT)對(duì)光脈沖進(jìn)行探測(cè)。

測(cè)試時(shí)，將光纖兩端分別與LED和濱松公司的R4443型號(hào)PMT感光面接觸。用示波器觀察PMT對(duì)LED脈沖光的響應(yīng)波形，結(jié)果如圖10所示。LED發(fā)出的光脈沖寬度約為10 ns，符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 用PMT測(cè)得的LED光脈沖波形Fig.10 LED light pulse measured by PMT

3.2 增益監(jiān)測(cè)功能測(cè)試

圖11 LED驅(qū)動(dòng)下的SiPM單光子峰譜Fig.11 Single photon spectrum induced by LED drive

周期性地使驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生脈沖電流驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，使用EBU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步測(cè)量脈沖光下的SiPM響應(yīng)。對(duì)每次信號(hào)測(cè)量值進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，即得到幅度統(tǒng)計(jì)譜。為獲得更好的分辨率，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路電壓，改變LED脈沖光強(qiáng)度，使得SiPM僅探測(cè)到少數(shù)幾個(gè)光子，從而各個(gè)幅度統(tǒng)計(jì)峰可被清晰分辨。圖11為EBU中其中1路SiPM在光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下的響應(yīng)幅度統(tǒng)計(jì)譜，橫坐標(biāo)為SiPM響應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量值，縱坐標(biāo)為該測(cè)量值下的信號(hào)計(jì)數(shù)，可看出，在1～7個(gè)光子響應(yīng)幅度處有明顯可見(jiàn)的峰結(jié)構(gòu)。峰間距作為SiPM增益的表征參數(shù)，其含義是每個(gè)光電子響應(yīng)對(duì)應(yīng)的ADC碼值數(shù)。對(duì)基線位置和前3個(gè)光電子峰進(jìn)行高斯擬合，提取峰位，可得到峰位與響應(yīng)光子數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)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(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)電路的偏壓，在210路SiPM處于少數(shù)光電子響應(yīng)的狀態(tài)時(shí)，對(duì)SiPM進(jìn)行標(biāo)定和幅度統(tǒng)計(jì)。圖13、14為SiPM增益分布和統(tǒng)計(jì)分布，210路SiPM成功測(cè)得增益，增益分布在17～27 ADC碼值/p.e.范圍內(nèi)。該測(cè)試結(jié)果可為數(shù)據(jù)離線修正、增益補(bǔ)償和SiPM狀態(tài)檢測(cè)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(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于LED 納秒級(jí)脈沖的SiPM陣列監(jiān)測(cè)電路，并進(jìn)行了仿真與測(cè)試。該驅(qū)動(dòng)電路可使LED產(chǎn)生10 ns左右的窄寬度光脈沖，使SiPM產(chǎn)生少數(shù)光子響應(yīng)，進(jìn)而完成自動(dòng)化增益批量監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)已應(yīng)用于CEPC ECAL原型機(jī)的光刻度系統(tǒng)，并完成了聯(lián)合測(cè)試，可良好地完成SiPM增益監(jiān)控功能，使電子學(xué)系統(tǒng)擁有SiPM增益補(bǔ)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(cè)需求。

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