小型智能程控SiPM电源设计与验证

侯会良 黄跃峰 程懋松 戴志敏

1（中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800）

2（中国科学院大学 北京 100049）

硅光电倍增器（Silicon Photomultiplier，SiPM）作为新一代光电转换器件，结构紧凑、增益高、响应快速、工作电压低、灵敏度高且具有极佳的磁场兼容性，在医疗仪器领域（如 PET-CT、PET-MRI、SPECT）、高能物理领域（如中微子探测、高能物理量能器、宇宙射线探测）、精密分析领域（如基因测序荧光光谱）、安全监测领域（如剂量监测、辐射探测、人员行李安检）等都有广泛的应用，且在逐渐替代传统光电倍增管［1］。

硅光电倍增器结构和制造工艺的不同造成不同的特定击穿电压（Break Voltage）：日本滨松公司的SiPM击穿电压在70 V（或-70 V）；爱尔兰Sensel公司的SiPM击穿电压在35 V（或-35 V）；国内湖北京邦公司的硅光电倍增器击穿电压在25 V（或-25 V）。目前的SiPM器件普遍存在增益随温度漂移的特性，对PET图像的重建、量能器的位置分辨率和能量分辨率造成影响［2］。

目前解决SiPM增益漂移的方法主要有调节前置放大器放大倍数［3］、低温制冷和电压补偿［4］。调节前置放大器放大倍数的方法已被用于16通道的PET探测模块中，这种方法增加了电路的复杂性，低温制冷使SiPM工作温度稳定在一特定值，且具有降低暗计数的效果，但低温制冷装置体积大成本高，仅对于小体积的单光子探测装置和成像装置适用，不适合大面积成像装置。因此具有电压补偿功能且适用于不同型号SiPM的高压电源对SiPM的使用具有实际应用价值［5］，目前的SiPM专用电源体积较大结构复杂，需要通过计算机进行数据交互与控制［6］，且固定的电压范围对不同厂家的SiPM兼容性不佳，为此设计了一款电压范围可选，能脱机工作，带电压补偿的SiPM高压电源模块，并配合自研的能谱测试系统，在不同温度下对241Am进行测量，结果证明引入电压补偿功能稳定增益后，对峰位的稳定有明显效果。

1 SiPM高压电源

高压电源板结构图如图1所示。主要由DC-DC电源芯片、ARM主控器、温度测量芯片、USB调试接口、输出电压采集反馈等组成，尺寸为4.5 cm×3.5 cm，体积小，直接插在SiPM前放板之后，即插即用，实际使用时不需要连接USB线缆，适合用于多像素点大面积成像设备如PET、强子量能器等设备。

图1 高压电源板结构图与实物图Fig.1 Overall block diagram of power supply module and physical map

温度测量芯片紧贴SiPM阵列板，温度采集芯片测量范围为-10～85℃，精度为±0.5℃，通过主控器实时读取探测器温度，并根据ARM主控器中预设的温度增益曲线实时输出命令，调整DC-DC电源芯片输出的电压。同时为了确定ARM主控器输出的命令是否有效进行如下改进：加入了输出电压采集的功能来对比输出的电压是否是ARM主控器发出命令对应的电压，使用电阻分压电路将高压输出范围的最大值衰减到3.3 V，使用主控器片上12位ADC对其进行测量。针对京邦公司JSP-TN3035-SMT型阵列进行电压补偿设计。如图2所示，SiPM的增益会随温度的升高线性下降，拟合后的增益-温度关系为：

式中：G为SiPM增益；T为SiPM所在的环境的温度，℃。

图2 SiPM增益与温度的关系Fig.2 Temperature versus SiPM gain

随着电压的增高，SiPM的增益会增大，如图3所示，拟合后过电压与增益的关系满足：

式中：Vo为过电压（Overvoltage），即工作电压与击穿电压的差值（Vo=Vout-Vb）。

图3 25℃时过电压与SiPM增益的关系Fig.3 Overvoltage versus SiPM gain at 25℃

同时，存在击穿电压（Vb）随温度变化的线性关系：

基于以上特性，根据温度的变化调整输出电压，输出电压与温度的关系满足：Vout=0.23×T+27.4，即可实现初步稳定增益的效果。DC-DC部分采用MAX1932偏置电源芯片，该芯片输出精度为0.5%，且输出电压纹波小于1 mV，DC-DC高压电源芯片电路部分如图4所示，选择不同的R5、R8参数，可输出不同的电压范围从而兼容不同型号的SiPM，具体计算方法为：由不同型号SiPM的工作电压范围确定具体参数。针对京邦公司JSP-TN3035-SMT型SiPM阵列的工作电压范围，主控器通过SPI总线控制DCDC电源芯片中的8位DAC，进而将预设的电压范围平均分为256份，因此选择合适的电压范围就显得尤为重要。此次测试中电阻的具体参数为R5=100 kΩ、R8=5 kΩ，目标电压范围为 25～30 V，满足JSP-TN3035-SMT型SiPM的工作电压和工作温度要求。

使用FLUKE8845A六位半万用表对空载输出进行测量，输出设定在28.84 V时，测量次数2 749次，最大值28.847 45 V，最小值28.844 77 V，平均值28.846 23 V，SD为395.924 μV，最大值与最小值压差小于3 mV。高压电源模块步进电压为20 mV，最大输出电流达5 mA。板载USB接口，在实际应用中，也可通过USB连接计算机进行实时电压控制，同时高压电源板的电源由USB供给，增加了系统使用测试的灵活性。

2 探测器系统与能谱测量系统

探测器系统由闪烁体-SiPM阵列板、前置放大板、高压电源板堆叠组成。闪烁体-SiPM阵列板使用钆基闪烁体配合4×4 SiPM阵列，闪烁体与SiPM阵列使用硅油光导简单耦合，如图5所示，并使用避光材料包裹。SiPM阵列信号通过高速接插件与后面前置放大板相连。

图5 SiPM阵列与闪烁体Fig.5 SiPM array and scintillant

前置放大板由电阻电容读出网络和运算放大器组成，采用正高压正信号输出的接法［7］，为提高信号幅度对16路的输出信号做反向加和处理，通过SMA接口将信号输出给能谱测试系统。前置放大板与高压电源板通过标准接插件连接，前置放大板（左）与高压电源板（右）实物图如图6所示。

为提高系统的能量分辨率，实验采用数字化多道能谱仪作为能谱测量系统的关键部分，能谱测量系统完成信号放大、模拟信号转数字信号、信号滤波成形处理、峰值提取等功能，系统采用12位高速ADC，共4 096道（为观察方便仅显示前500道数据），电路板实物如图7所示，最终通过USB接口将能谱发送到计算机进行显示。

图6 前置放大板与高压电源板Fig.6 Pre-amplifier board and power supply board

图7 能谱测量系统板Fig.7 Digital multi-channel analyzer board for energy spectrum

图8 能谱测试系统结构框图Fig.8 Overall block diagram of energy spectrum test system

图9 能谱测试结果 (a)电压补偿前，(b)电压补偿后Fig.9 Gamma energy spectrum test results (a)Fixed voltage,(b)Voltage compensation afterward

3 能谱测试结果分析

测试系统结构框图如图8所示，分别将三块板组装成的探测器放置在40℃、35℃、30℃、25℃、20℃、15℃、10℃、5℃的环境中进行测试，对比使用固定电压和加入电压补偿稳定增益后的能谱。

241Am的全能峰峰位与SiPM的增益有关，增益越大全能峰峰位所在的道址越大［8］，反映在能谱中即全能峰道址右移。为便于比较，全能峰所在道址的计数均设定在2 000左右。如图9（a）所示，高压电源板固定输出28 V给SiPM供电时，SiPM的增益随着温度的降低而升高，40℃与5℃环境下测得的全能峰峰位相差110道。在高压电源板中加入电压补偿后，能谱测量结果如图9（b）所示，不同温度下全能峰的峰位稳定在一较小范围。

对每个温度下的全能峰峰位进行比较，如图10所示，可以看出在未加入电压补偿功能即固定电压28 V时，当温度由5℃升高到40℃全能峰峰位会左移（SiPM增益下降），从最大236道下降到最小126道，相差110道对应的SiPM增益漂移为87.3%，加入电压补偿后，电压根据SiPM的工作温度做自动调整，在10℃时峰位在186道，在40℃时峰位在181道，相差5道SiPM增益漂移下降为2.76%，电压补偿对SiPM因温度变化引起的增益起到了抑制作用。相较于文献［4］报道的28.22～47.35℃增益漂移被抑制到11.03%有明显改善。

图10 固定电压与加入电压补偿全能峰所在道址的比较Fig.10 Comparison of the channel of full energy peak between fixed voltage and voltage compensation afterward

4 结语

针对SiPM增益随温度变化的特性，设计研制了一款带电压补偿稳定增益功能的高压电源板，具有输出高压范围可调、噪声低、体积小、温度特性参数可定制的优点。35℃的温度变化使241Am γ峰位漂移110道，电压补偿后全能峰位变化缩减为5道，峰位稳定性显著改善，漂移由补偿前的87.3%下降到了2.76%。稳定的峰位是准确分析γ能谱的前提，在钆基闪烁体辐射测量应用中，可提高阈值法甄别中子伽马的可靠性［9］。