基于LED纳秒级脉冲的SiPM阵列监测电路

环形正负电子对撞机（CEPC）电磁量能器（ECAL）原型机的探测单元采用硅光电倍增管（SiPM）作为光电转换器件。由于SiPM具有温度依赖性强和响应速度快的特点,需监测电路产生与SiPM响应速度相匹配的脉冲光激发SiPM,对其增益和动态范围进行监测。本文根据模拟仿真结果,设计了基于双NMOS的驱动电路和相应的控制电路,该电路驱动发光二极管（LED）发射纳秒级窄脉冲光,且强度可调。利用光电倍增管（PMT）测得单路LED发光时域特性,脉冲时间宽度约为10 ns。在CEPC ECAL电子学联测中,SiPM监测电路正常工作,批量测得ECAL原型机中SiPM的增益指标,满足原型机的自检需求。     

硅光电倍增器件(SiPM)的自动增益校正

硅光电倍增器件(SiPM)是近年来逐渐兴起的一种用于PET(Positron Emission Tomography)的光电探测器件。与传统的光电倍增管(PMT)相比,它有着尺寸小、工作电压低、对磁场不敏感等优点,但其缺点是增益对环境温度敏感。在PET探测器的研发中,为了改善温度变化引起的增益漂移,设计了一个SiPM的增益校正系统。该系统通过测量环境温度对SiPM的偏置电压实时调节,从而保证其增益的相对稳定。最后对该系统对温度变化引起的SiPM增益漂移的抑制能力做了定量评估。采用增益校正系统后,在相似的温度变化范围内,SiPM的最大增益漂移由校正前的79.67%减小到11.03%。该结果显示此系统对温度变化引起的SiPM增益漂移具有良好的抑制能力。该系统能够补偿因温度变化引起的SiPM增益漂移,从而提高基于SiPM阵列探测器模块的PET系统的稳定性。     

脉冲电压驱动LED照射法测试PMT性能

介绍了基于脉冲电压驱动LED照射光电倍增管(PMT),测试PMT性能的方法。该方法通过调节脉冲电压参数驱动LED照射PMT产生不同光电子,进行PMT性能测试。实验结果表明:该方法产生的单光电子和多光电子能被很好地分辨,PMT第一倍增极光电子收集概率、单光电子相对产额、输出平均光电子数随LED驱动脉冲电压参数变化改变明显,能满足光电倍增管基本参数测试要求。     

一种基于SiPM的具有高能量分辨率的紧凑型溴化镧γ谱仪

基于光电倍增管(photomultiplier tube,简称PMT)的LaBr₃:Ce γ谱仪具有比NaI(Tl)γ谱仪更高的能量分辨率,但具有体积大、对磁场敏感、需要高电压等缺点。硅光电倍增管(Silicon photomultiplier tube,简称SiPM)具有与PMT相近的增益和效率,同时具有诸如高定时分辨率、抗磁场能力强、低偏压和紧凑尺寸等优良特性。本文将LaBr₃:Ce晶体与SiPM阵列耦合,设计研制基于SiPM的紧凑型LaBr₃:Ce γ谱仪,通过降噪、优化工作电压等措施改善SiPM的缺点对γ谱仪性能的影响。工作电压的噪声会导致能量分辨率发生恶化,通过设计无源滤波电路CLC π型滤波器,利用其对直/交流阻抗的不同特性,滤除高频纹波,工作电压的信噪比从未降噪前的62.6 dB提高到74.64 dB;能量分辨率最优值对应于表示暗噪声、串扰、光电探测效率和SiPM增益之间折衷的最佳工作电压。通过实验给出不同工作电压下的能量分辨率,确定最佳工作电压为54.8 V,该电压下的能量分辨率为3.06%(@662 keV),结果与使用光电倍增管(PMT)测量的2.89％非常接近。     

小型智能程控SiPM电源设计与验证

硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier,SiPM)作为一种新型光电转换器件,具有增益高(106量级)、功耗低(工作电流在μA量级)、体积小(mm量级)、工作电压低(小于100 V)等优点,相对于传统光电倍增管不受磁场影响。但SiPM存在增益受温度影响大的缺点,温度每上升10℃增益约下降5×105,对于能谱测量和辐射成像应用会产生较大影响。为此,研发了一款小型带电压补偿功能的SiPM专用高压电源模块,并使用能谱测试系统对SiPM的增益特性进行测试。通过不同温度条件下241Amγ能谱中全能峰峰位的对比,验证了电压补偿对于稳定SiPM增益的效果,从5℃到40℃最大增益漂移由补偿前的87.3%下降到了2.76%。这种增益漂移校正有助于拓宽SiPM的应用范围。     

基于波形采样的CEPC电磁量能器读出单元测试系统

随着环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider,CEPC)方案的提出,由硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)和塑料闪烁体组成的读出单元作为电磁量能器的预研方案之一,逐渐成为研究热点。在探测器预研阶段需要对读出单元性能进行充分研究,因此我们设计了一套自动化测试系统用于对读出单元进行测试、分析并改善其性能。利用DT5751波形采样插件、SiPM驱动电路板、步进电机、低压电源、继电器等完成硬件搭建,以LabVIEW为开发平台完成了软件的串行协议接口之间的通信,实现了读出单元的自动化测试,编写了相应的数据处理程序。在此基础上进行了SiPM刻度、闪烁体发光均匀性以及反射材料对光输出影响的研究。测试结果表明,ESR反射膜包裹的塑闪条具有最高的光输出,塑闪条耦合10μm像素SiPM的光输出为耦合25μm像素SiPM的三分之一。     

利用二维平台扫描系统研究光电倍增管阴极位置响应

大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)计划中的各种探测器将使用几万只光电倍增管测量探测器收集到的光子数,光电倍增管阴极位置响应的均匀性是影响探测器能量分辨的重要因素之一.为此搭建了由步进电机驱动的二维扫描平台控制LED光源,逐毫米扫描光电倍增管光阴极,测量光源照射光阴极不同位置时的阳极输出信号.实验中对多种候选光电倍...     

在闪烁能谱仪中作为参考光源使用的兰光二极管

本文介绍了使用兰光二极管的闪烁能谱仪稳定系统的性能。在温度为0°—35°C和计数率变化显著的条件下,该系统的长期稳定性可达到±0.1％。概述发光二极管(LED)被广泛用作参考源,这是因为它们是一种很方便的快脉冲光源,可用于检查、监测和稳定光电倍增管和闪烁能谱仪的性能。在闪光稳定中用LED作为参考光源时,必须考虑闪光单元本身的稳定性:LED光源的长期和短期稳定性,LED的温度系数,以及温度对LED光谱和光电倍增管光阴极的光谱响应的影响(光阴极的响应包括对物理光——闪烁和参考光的响应)。     

SiPM核辐射探测器电路设计

本文研究基于硅光电倍增管(SiPM)和塑料闪烁体的核辐射探测器电路,设计了适用于SiPM电压偏置电路和信号放大电路,并测试了电路的相关参数:电压偏置电路噪声在5m V以下,放大电路输出信号幅度可达伏级,带宽约为80MHz,最大信噪比在50db左右,四路探测器总功率为0.84W,符合项目设计要求。     

基于硅光电倍增管对塑料闪烁光纤衰减长度及光产额的研究

作为外靶实验终端(ETF)飞行时间探测的关键探测器,起始时间探测器需满足承受高计数率、高时间分辨和位置分辨等需求。塑料闪烁光纤(PSF)作为起始时间探测器改进方案的一种考虑,其衰减长度、光产额等性能参数将直接影响探测器的实际性能。本工作基于硅光电倍增管(SiPM)和PSF搭建相应的测试平台,系统研究了SiPM SensL MicroFC-SMA-30035和PSF Kuraray SCSF-78J的实际性能。结果表明:所选型号的SiPM具有优秀的单光子分辨能力,在所选工作电压范围内具有高增益及良好的增益线性,且具有较好的线性响应;光子在光纤中的衰减由两种成分组成,芯层光的有效衰减长度为547.4 cm,包层光的有效衰减长度为15.5 cm,光纤有效光产额约为552光子/mm,实际光产额约为968光子/mm。测试结果表明,采用该PSF结合SiPM读出的方式满足新型起始时间探测器的要求。     

SiPM低压电源模块性能研究

硅光电倍增管(Silicon photomultiplier,SiPM/Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)因其高增益、低功耗,极好的光子分辨能力受到广泛的使用,但商用单通道低压电源模块无法满足大型科学实验SiPM的批量测试使用。本文针对实验室研发的一款电压可调、可批量程控测试的SiPM低压电源模块开展性能测试研究。并且经过与商业电源的对比测试,其性能满足对SiPM批量测试的要求。     

正电子发射断层成像探测单元光电倍增管的增益调整

保持各个光电倍增管的增益一致性对正电子发射断层成像（PET）的质量至为重要。事件的响应输出取决于光电倍增管对于事件发生位置的光收集效率和事件的能量。光电倍增管对于某位置的光收集效率与光电倍增管对此位置所张的立体角成正比。当光电倍增管增益漂移后,通过计算出的各个管子的输出信号比值的变化完成对增益的自动调整,结果证明方法是有效的。     

CsI(Tl)-~(241)Am恒定幅度脉冲光源

将~(241)Am长入NaI(Tl)晶格中组成恒定幅度脉冲光源,广泛地应用于光电倍增管增益监测。现在国外已有商品出售,表1列出荷兰Harshaw公司生产的NaI(Tl+~(241)Am)产品性能,反映了脉冲光源的当前水平。     

基于硅光电倍增管对塑料闪烁光纤衰减长度及光产额的研究

作为外靶实验终端（ETF）飞行时间探测的关键探测器,起始时间探测器需满足承受高计数率、高时间分辨和位置分辨等需求。塑料闪烁光纤（PSF）作为起始时间探测器改进方案的一种考虑,其衰减长度、光产额等性能参数将直接影响探测器的实际性能。本工作基于硅光电倍增管(SiPM)和PSF搭建相应的测试平台,系统研究了SiPM SensL MicroFC-SMA-30035和PSF Kuraray SCSF-78J的实际性能。结果表明：所选型号的SiPM具有优秀的单光子分辨能力,在所选工作电压范围内具有高增益及良好的增益线性,且具有较好的线性响应;光子在光纤中的衰减由两种成分组成,芯层光的有效衰减长度为547.4 cm,包层光的有效衰减长度为15.5 cm,光纤有效光产额约为552光子/mm,实际光产额约为968光子/mm。测试结果表明,采用该PSF结合SiPM读出的方式满足新型起始时间探测器的要求。     

光电倍增管的光电子幅度谱测试研究

主要介绍光电倍增管的光电子幅度谱（单光电子及多光电子幅度谱）的几种常用的测试方法及用LED光源、EMI的光电倍增管精密测得的单光电子及多光电子谱。同时也介绍了用LED光源测得的单光电子幅度谱及用热发射法测得的暗电流谱的差异,并分析了两种方法测得的幅度谱的差异的主要根源。     

一种半透明多碱阴极快速光电倍增管

1、特点与用途 一种半透明多碱阴极快速光电倍增管——CDB-55型光电倍增管,具有较宽的光谱响应范围和较高的量子效率,适合于可见与近红外光信号的探测,特别是红光和近红外光信号的探测;时间响应快、线性电流大、阴极电阻率低和较低的增益,适合于10~(-9)秒持续时间的光脉冲波形的观测;时间分辨率高,适合于10~(-10)秒范围的事件出现时刻的精确测量,给出被测事件之间时间关联的信息;宽的通频带,适合于高频调制光信号的测量。在激光探测以及其它科学技术领域中有着广泛的应用。     

闪烁体耦合SiPM测量γ能谱的模拟研究

硅光电倍增管(Silicon photomultiplier,SiPM)是一种新型的光电探测器件,由工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列组成。利用GEANT4蒙特卡罗软件包对LaBr_3:10%Ce~(3+)、Na I(TI)闪烁晶体耦合SiPM测量γ射线能谱进行了细致的模拟,通过单色光LED光源照射SiPM,得到SiPM自身暗电流噪声经电子学放大后,与集成的盖革雪崩二极管之间的间隙引起吸收光子涨落对能谱的展宽。对模拟得到的662 keVγ射线能量分辨率进行修正,最后与实验结果对比能够很好地符合,还得到了一组对应闪烁晶体本征能量分辨率的程序参数Pr,s。结果验证了模拟程序设置的闪烁晶体与封装材料光学参数的合理性与可靠性,为闪烁体探测器设计提供了一套开发工具。     

基于温度补偿的多通道MPPC增益稳定性及一致性研究

硅光电倍增管(Si PM)作为一种新型光电转换器件,与传统的光电倍增管(PMT)相比有工作电压低、功耗小、集成度高、抗磁场等优点。多像素光子计数器(MPPC)作为Si PM中的一种,本文研究了一种4×4通道MPPC(Hamamatsu,C11206-0404FB(X))的基本性能。作为多通道的光电探测器件,首先研究了相对增益随偏压、工作温度的变化关系,并通过加入温度补偿的办法保持了相对增益(电荷谱峰位)的稳定性;研究了各通道相对增益的差异性,然后通过调整各通道偏置电压实现了各个通道相对增益的一致性。在4×4各个通道增益一致性和稳定性得到满足的情况下,此种MPPC可以很好地使用在闪烁体二维位置分辨探测器的读出电路中。     

几种大面积光电倍增管的分辨率和稳定性

在能谱测量装置中,要求光电倍增管有好的能量分辨率和好的时间稳定性。特别是测量低强度的γ光子或电子时,长时间的测量更要求光电倍增管有好的稳定性。为了建立全吸收契伦柯夫谱仪装置,我们对几种大面积光电倍增管作了调试和选择实验。实验中把3″×3″NaI(TI)晶体耦合到光阴极,用~(137)Cs源的0.661MeVγ光子照射,将光电倍增管的输出脉冲输入4096道幅度分析器,进行脉冲幅度分析。对不同类型管子的测     

反符合杯测量技术在空间中的应用

介绍了空间反符合杯测量系统去除干扰粒子的研究,阐述了干扰粒子的来源、反符合测量系统的工作原理,通过调研国内外反符合技术的应用,结合空间环境的特殊性,给出空间反符合杯测量系统设计原则,提出了新型光探测器——硅光电倍增管(SiPM)在空间反符合应用的可能性,并针对SiPM暗计数较高这一不足提供了解决方法,最后对反符合性能进行了评估。