硅光电倍增管(SiPM)探测器温度补偿电源设计_李东.pdf

电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 9Electronics 电子学化动态调整SiPM的工作电压，实现SiPM的增益稳定。张猛超3等人利用热敏电阻实现SiPM偏压的自动调节，范鹏4、张琦5等人利用单片机控制实现增益校正。但是热敏电阻、稳压二极管等器件的温度系数需要与SiPM温度系数匹配，挑选烦琐，且0 引言SiPM增益随着温度变化而变化，限制了SiPM的使用范围，稳定SiPM增益的方法通常有控制SiPM的工作环境温度1、调节前置放大器倍数2、改变SiPM的工作电压等几种方法。常用的方法是根据温度变作者简介：李东，东华理工大学核资源与环境国家重点实验室；研究方向：电子器件设计。收稿日期：2022-12-09；修回日期：2023-04-12。摘要：阐述硅光电倍增管(SiPM)的增益受温度影响较大，为了适应宽温度内核辐射探测，需要对SiPM进行温度补偿。设计温度补偿电源，电源由线性稳压电路输出电压为SiPM供电，温度传感器随温度变化的输出电压经过运算放大器后控制线性稳压电路输出电压，自动调整SiPM工作偏压，对SiPM进行温度补偿。在恒温箱内进行实验测试，分别用固定电源与温度补偿电源为SiPM供电，测量不同温度对137Cs能谱全能峰道址的影响。结果表明：在3550范围内，使用固定电源为SiPM供电进行能谱测量，温度升高道址线性减小，最大变化24道。使用温度补偿电源后，137Cs全能峰的道址最大变化5道。实验表明，该温度补偿电源能较好地稳定SiPM增益，让SiPM在较宽温度范围内工作。关键词：SiPM，电源设计，温度补偿，能谱测量。中图分类号：TN710.2，TN36，TN152，TP212文章编号：1000-0755(2023)04-0009-03文献引用格式：李东，张雄杰，王鲍，夏侯命栋，叶煜力，冯丽.硅光电倍增管(SiPM)探测器温度补偿电源设计J.电子技术,2023,52(04):9-11.硅光电倍增管(SiPM)探测器温度补偿电源设计李东1,2，张雄杰1,2，王鲍1,2，夏侯命栋1,2，叶煜力1,2，冯丽1,2（1.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 330013；2.东华理工大学 核技术应用教育部工程研究中心，江西 330013）Abstract This paper describes that gain of SiPM is greatly affected by temperature.In order to adapt to the detection of wide-range nuclear radiation,it is necessary to perform temperature compensation on SiPM.Design the temperature compensation power supply,the power supply is powered by the output voltage of the linear voltage regulator circuit for SiPM,the output voltage of the temperature sensor changes with the temperature after passing through the operational amplifier to control the output voltage of the linear voltage regulator circuit,automatically adjust the working bias of SiPM,and monitor the scintillator detector Temperature compensation.Experimental tests were carried out in a constant temperature box,using a fixed power supply and a temperature-compensated power supply to power SiPM respectively,and measuring the influence of different temperatures on the full-energy peak of the 137Cs energy spectrum.The power supply is used for energy spectrum measurement,and the temperature rises and the track decreases linearly,with a maximum change of 40 tracks(to be tested).After using the temperature compensation power supply,the track address of the 137Cs all-energy peak changes by 5 tracks at most(to be tested).Experiments show that the temperature compensation power supply can better compensate the temperature effect of the detector,allowing SiPM to work in a wider temperature range.Index Terms SiPM,power supply design,temperature compensation,energy spectrum measurement.Design of Temperature Compensation Power Supply for Silicon Photomultiplier Tube(SiPM)DetectorLI Dong1,2,ZHANG Xiongjie1,2,WANG Bao1,2,XIAHOU Mingdong1,2,YE Yuli1,2,FENG Li1,2(1.State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment,East China University of Technology,Jiangxi 330013,China.2.Engineering Research Center of Nuclear Technology Application(Ministry of Education),East China University of Technology,Jiangxi 330013,China.)10 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Electronics 电子学单片机控制DAC输出电压调节SiPM工作电压需要MCU控制芯片且需要编写相对应的程序进行调节。本文采用模拟温度传感器控制调整SiPM工作电压的方法来补偿SiPM与NaI(TI)闪烁体的温度效应。本文针对为SenSl公司的J系列产品ARRAYJ-60035-64P的SiPM探测器进行温度补偿电源设计。电源主体为线性稳压电路，模拟温度传感器输出电压经过运算放大器放大后影响线性稳压电路输出电压，实现SiPM电源电压随温度变化自动调节。并在恒温箱内测试实验，SiPM分别用固定电源和温度补偿电源供电进行两次实验，在不同温度下进行能谱测量，分析温度对137Cs能谱全能峰峰位道址的影响。结果表明，温度补偿电源能较好地稳定SiPM增益。1 SiPM温度补偿原理SiPM由工作在盖革模式下的光电雪崩二极管(APD)阵列构成，盖革模式下APD增益根据雪崩二极管中累积的电荷来计算，总电荷的计算为式（1）所示。（1）式中，Cpixel表示雪崩二极管的有效电容，Qpixel为单个APD单元产生的电荷总量，SiPM增益可等效表示为式（2）。（2）式中，G(V)表示SiPM在过偏压为 时的等效增益，Vbias表示偏置电压，VBD表示在设定参考温度下的击穿电压，为击穿电压随温度变化的系数，0，T表示相对参考温度的变化量。由式（2）可知，当偏压固定，温度升高，SiPM增益会减小；当温度固定，增大偏压，SiPM增益会增大，由此可知，当温度升高时，可以选择增大偏压来稳定SiPM增益。固定偏压下，SiPM增益随着温度升高而降低，如图1所示。由于SiPM增益直接影响核脉冲信号的幅度大小，故可以用137Cs能谱全能峰峰位道址来表征SiPM增益，理论上测得137Cs能谱全能峰峰位道址同样随着温度升高而减小。2 SiPM电源设计 2.1 电源设计原理SiPM电源电路的主要组成包括温度传感器(LM35)、线性稳压电路(TPS7A4901)、电压放大电路(OPA333)。SiPM电源的总体电路如图2所示。SiPM电源电压变化原理如下：线性稳压电路输出电压作为SiPM供电电压，同时受节点1电压控制。TPS7A4901芯片为可调正向输出线性稳压器，FB引脚基准电压为1.192V，只需要简单的电阻电容等元器件就能实现稳压输出。对节点1应用KCL公式可得式（3）（3）由式（3）可知线性稳压电路输出电压计算为式（4）。（4）式中，VSiPM为SiPM供电电压，VFB为TPS7A4901反馈引脚参考电压固定为1.192V，由公式5可知，改变节点1电压即改变SiPM工作电压。2.2 电源输出电压测量电 源 输 出 电 压 随 温 度 变 化，根 据 S i P M 与NaI(TI)晶体的综合温度效应需求，设定电源在35之后，每增加1电压增大0.043V，并测得电源输出电压随温度变化数据如表1所示。实测数据表明该电源满足SiPM的供电需求。图1 SiPM增益随温度变化曲线 图2 SiPM电源总体电路设计电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 11Electronics 电子学3 实验分析 3.1 实验装置设置放射源选用137Cs放射源。实验SiPM选用SenSl公司的J系列产品ARRAYJ-60035-64P的SiPM探测器，开启32片SiPM，NaI(TI)闪烁体采用商用NAI(TI)闪烁体，尺寸规格为33英寸，密度为 3.67gcm3。实验在高低温交变湿热试验箱里面进行，实验温度范围：3550，测试为5为步进温度，测量4个点。实验时SiPM电源分别用固定电源28.5V与温度补偿电源进行两次实验，固定电源与温度补偿电源均集成在SiPM避光箱内，均可由外部5V电源供电。实验装置如图3所示。将SiPM与NaI(TI)晶体耦合后放置在遮光箱内，避光箱内同时包括前置放大器、多道系统，和SHT30温度传感器，SHT30温度传感器靠近SiPM与NaI(TI)晶体附近，实时监测SiPM与NaI(TI)晶体附近温度，设定温湿度试验箱的温度后，待温湿度试验箱温度稳定后且达到40min以上，测量137Cs能谱，并提取全能峰道址。3.2 温度补偿电源效果分析在3550内，137Cs能谱全能峰道址变化曲线如图4中红色曲线所示，随着温度升高，SiPM增益减小，同时NaI(TI)晶体发光效率不变或者稍微减小，会出现137Cs能谱全能峰道址逐渐减小的情况。采用温度补偿电源在3550范围内，再次测量137Cs能谱并提取全能峰道址，如图4中，黑色曲线所示。137Cs能谱全能峰道址最大变化5道，能在一定程度上补偿SiPM与NaI(TI)温度效应，从而稳定SiPM增益。4 结语本文针对NaI(TI)闪烁体与SiPM在能谱测量时的综合温度效应设计了SiPM温度补偿电源并进行实验测试。在3550范围内，使用固定电源为SiPM供电时，SiPM与NAI(TI)闪烁体耦合进行137Cs能谱测量