王瑋，李婷，武旭東，段金松，麻金龍，張兆山

（核工業(yè)北京地質研究院，北京 100029）

隨著光電探測技術的不斷發(fā)展，一種新型的硅光電倍增管（Silicon photomultiplier，SiPM）的發(fā)展引起人們的廣泛關注［1-2］。SiPM 是由數(shù)個獨立工作在蓋革模式下的單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）串聯(lián)猝滅電阻集成在單片硅晶體上的陣列探測器，具有體積小、抗干擾能力強等特性［3］。目前已被廣泛應用于粒子物理、空間物理及核醫(yī)學（特別是PET 方面）等領域［4］。

SiPM 的高探測效率，低工作電壓，對磁場不敏感等優(yōu)點［5-6］，使其具有一定的潛力替代輻射探測器研制中常用的光電倍增管（photomultiplier tube，PMT）進行低能光子及高能射線探測；但同時也擁有半導體器件對溫度敏感的特性，其暗電流、增益、雪崩臨界電壓值等指標受溫度影響較大。針對這一局限性，已有研究提出通過實時溫度監(jiān)測并相應地改變SiPM 偏置電壓從而進行自動增益校正［7-8］；以固定特征峰位道址為參考調(diào)節(jié)偏置電壓［9］；采用半導體制冷技術控制探測器溫度［10］等技術解決方案。在此基礎上，本文研制基于SiPM 的硫化鋅閃爍探測器，旨在通過溫度控制方式解決探測器因溫度升高而導致探測效率降低的問題，提高探測器穩(wěn)定工作的動態(tài)溫度范圍。

1 系統(tǒng)設計

探測器整體結構設計如圖1 所示，主要包括信號探測與采集電路、溫度控制系統(tǒng)及電源模塊。系統(tǒng)以主動泵吸形式將含氡氣體吸入閃爍瓶內(nèi)，氡及其子體發(fā)射的α粒子使閃爍瓶內(nèi)ZnS（Ag）涂層受激發(fā)光，信號探測與采集部分通過SiPM 進行光電轉換，經(jīng)前置放大電路放大，以幅值判別為依據(jù)通過成形與甄別電路獲得計數(shù)脈沖。針對SiPM 對溫度敏感的特性，溫度控制系統(tǒng)通過溫度采集模塊進行實時數(shù)據(jù)采集，微控制器內(nèi)置模糊PID 控制算法進行運算，通過輸出PWM 信號調(diào)整半導體制冷器運行功率，有效降低冷端溫度，實現(xiàn)探測器溫度的控制。電源模塊為系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供基礎。

圖1 硫化鋅閃爍探測器整體結構設計圖Fig.1 Integrated design of ZnS（Ag）scintillation detector

2 信號探測電路設計

探測器設計選用MicroSC-60035-SMT 型SiPM 作為光學讀出端，其光敏面積為6 mm×6 mm，峰值波長約為420 nm，增益可達3×106，配合聚四氟乙烯聚光罩可有效探測閃爍瓶內(nèi)光信號。

2.1 前置放大電路

根據(jù)SiPM 輸出端的電流耦合方式不同，前置放大電路分為直流耦合和交流耦合兩種類型，如圖2 所示［11］。直流耦合放大電路將SiPM輸出直接連接至放大器，SiPM 漏電流隨信號電流一同流入放大器從而產(chǎn)生直流偏移，高計數(shù)率情況下可能引起放大電路飽和堵塞。交流耦合放大電路經(jīng)過耦合電容C1 連接至放大器，輸入信號直流分量為零，具有低噪聲，無直流偏移，計數(shù)脈沖通過率高的特點。

圖2 基于不同耦合方式的前置放大電路示意圖Fig.2 Schematic diagram of preamplifier circuit based on different coupling modes

以交流耦合形式設計前置放大電路，如圖3所示。MicroSC-60035-SMT 在25℃時的雪崩擊穿電壓為24.5 V，且當其過電壓在（1～5）V 范圍時可獲得較高的增益和較低的工作噪聲，因此使用偏置電源提供27 V 正向偏置電壓，經(jīng)偏置電阻R1 連接至SiPM 陰極。L1、C3、C4 構成π 型濾波器提高偏置電源穩(wěn)定性。SiPM 輸出信號經(jīng)交流耦合電容C1 隔直后輸入到具有結型場效應晶體管（JFET）輸入級的放大器OPA656 中。R2、C2 構成放大器負反饋網(wǎng)絡，反饋電阻R2 決定信號放大倍數(shù)，反饋電容C2 作為補償電容，防止電路自激［12］。交流耦合電容C1 與放大器等效輸入電容之間會有信號分壓，降低信號幅度，為消除分壓效應，將C1 納入交流負反饋支路。電路中需注意C1 的選擇，C1 太小時會造成電荷耦合不完整，太大時可能將電源低頻噪聲耦合到電路中，一般選擇10 nF 為宜。

圖3 基于SiPM 的前置放大電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of preamplifier circuit based on SiPM

2.2 信號成形與甄別

前置放大電路輸出的脈沖信號上升沿陡峭，抗干擾能力弱，不適合直接用于幅值甄別。針對這一問題設計濾波成形網(wǎng)絡，用于改變脈沖形狀，抑制電子學噪聲，提高系統(tǒng)信噪比［13］。濾波成形網(wǎng)絡由一級CR 微分和兩級RC 積分電路構成，并加入極零相消電路。經(jīng)RC-CR 濾波后的信號，脈沖峰位右移、時間寬度增加，被濾波成形為準高斯波形。同時，極零相消電路的引入消除濾波成形網(wǎng)絡產(chǎn)生的信號過沖現(xiàn)象，使脈沖下降沿快速收斂于基線，有效減少信號堆積。

信號幅值判別通過由比較器、觸發(fā)器及邏輯門電路等器件組成的單道脈沖幅值甄別電路實現(xiàn)，其上、下閾值設置可有效濾除噪聲和宇宙射線干擾。當輸入信號介于給定閾值范圍時，甄別電路產(chǎn)生一個方波信號用于計數(shù)。

3 溫度控制系統(tǒng)設計

MicroSC-60035-SMT 增益隨溫度的升高而降低，隨偏置電壓升高而增加；暗電流計數(shù)隨溫度和偏置電壓的升高而增加。因此，通過調(diào)節(jié)偏置電壓進行溫度補償?shù)姆椒ㄔ谔岣咴鲆娴耐瑫r可能引起暗電流計數(shù)急劇增加，為該探測器的下閾設置帶來不確定性。本文通過使用半導體制冷器和高導熱性能材料進行熱傳遞實現(xiàn)SiPM 周圍局部空間快速降溫的方法提高探測效率，其溫度控制系統(tǒng)如圖4 所示。SiPM 固定于電路板，半導體制冷器冷端通過銅塊連接至電路板，接觸面涂抹導熱硅脂進行熱傳遞；熱端連接純銅熱管散熱器和風扇快速帶走多余熱量。四路溫度傳感器構成分布式溫度采集模塊，分別用于實時獲取SiPM、導冷銅塊、半導體制冷器熱端及環(huán)境溫度。

圖4 溫度控制系統(tǒng)結構示意圖Fig.4 Structure diagram of temperature control system

3.1 實時溫度采集電路

實時溫度采集電路如圖5所示，使用4個支持“一線總線”接口的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20并聯(lián)掛接到微控制器IO口進行溫度數(shù)據(jù)采集。該傳感器在（-10～85）℃范圍內(nèi)測量精度為（±0.5）℃，測溫分辨率可設置為0.062 5℃，溫度以16位帶符號擴展的二進制補碼形式串行傳輸，具有良好的抗干擾性能。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，使用平均濾波法進行濾波，消除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾引起的采樣偏差。

圖5 實時溫度監(jiān)測電路Fig.5 Real-time temperature monitoring circuit

3.2 半導體制冷模塊驅動電路

微控制器根據(jù)溫度傳感器測量值進行半導體制冷模塊的反饋調(diào)節(jié)，其驅動控制電路如圖6 所示。系統(tǒng)通過發(fā)送PWM 信號改變光耦TLP521 工作狀態(tài)，進而驅動場效應管實現(xiàn)制冷模塊工作回路的通斷。光電耦合器的應用實現(xiàn)了控制電路和驅動電路的電氣隔離，防止驅動電路的強電流對控制信號產(chǎn)生干擾。

圖6 半導體制冷模塊驅動控制電路Fig.6 Driving control circuit of semiconductor refrigeration module

4 控制程序設計

系統(tǒng)采用基于Cortex-M3 內(nèi)核的STM32 系列微控制器作為核心控制單元，初上電時進行系統(tǒng)參數(shù)設置，功能接口初始化和信號甄別閾值設置等；并通過嵌入式實時操作系統(tǒng)FreeRTOS 協(xié)調(diào)運行測量任務，溫度采集任務及PID 控制任務等。

針對溫度變量的非線性、大滯后和時變等特性，傳統(tǒng)的PID 控制系統(tǒng)難以達到精確控溫的效果，系統(tǒng)采用模糊理論與PID 控制相結合構成模糊PID 控制器［14-15］，通過對不同目標溫度的變化曲線分析制定模糊規(guī)則，以溫度變量輸入偏差和偏差變化率作為模糊控制器輸入變量，通過模糊規(guī)則對PID 調(diào)整參數(shù)進行在線模糊推理，以克服傳統(tǒng)PID 參數(shù)無法實時調(diào)整的缺點。

5 試驗與結果分析

基于SiPM 的硫化鋅閃爍探測器的設計主要包含信號探測與采集和溫度控制兩部分，其中溫度控制系統(tǒng)是整個探測器可穩(wěn)定運行于溫度變化較大的自然環(huán)境的基礎。因此，為驗證整個探測器的穩(wěn)定性與可靠性，本文將分別對溫度控制系統(tǒng)的性能和探測器的性能指標進行分析和評估。

5.1 溫度控制系統(tǒng)性能分析

5.1.1 系統(tǒng)制冷性能分析

使用校準后的溫度傳感器測量半導體制冷器冷端、熱端和環(huán)境溫度。去掉前端銅塊，關閉模糊PID 控制功能，手動調(diào)節(jié)作用于制冷片的供電模塊輸出電流，設置傳感器讀數(shù)間隔為2 s，在環(huán)境溫度約為25℃時測試系統(tǒng)制冷和散熱能力，結果如表1 所示。

由表1 可知，根據(jù)功率計算公式獲得的半導體制冷器的電阻約為1Ω，可近似看做一個純歐姆電阻進行控制。在低電流情況下，冷端溫度達到穩(wěn)定值時，熱端溫度與環(huán)境溫度差異較小；隨著電流的增加其制冷溫度趨于不變，制冷效率下降；系統(tǒng)以接近最大功率運行時，冷端溫度穩(wěn)定在3℃。

表1 不同設置電流下的制冷溫度和溫差結果Table 1 Refrigeration temperature and temperature difference results under different setting currents

5.1.2 模糊PID 控制

將溫度變量輸入偏差e的物理量論域取值范圍設定為［-10，10］，量化至｛-6，6｝，量化因子設置為0.6；偏差變化率ec的范圍設定為［-5，5］，量化至｛-6，6｝，量化因子設置為1.2。試驗設定目標溫度為10℃時的調(diào)控曲線如圖7 所示，系統(tǒng)約316 s 達到穩(wěn)定，超調(diào)量為0.6℃，穩(wěn)態(tài)誤差為0.2℃；高溫環(huán)境時設置目標溫度為25℃時的調(diào)控曲線如圖8 所示，此時約355 s 達到穩(wěn)定，超調(diào)量為0℃，穩(wěn)態(tài)誤差為0.2℃。

圖7 常溫25℃時基于模糊PID 控制的溫度調(diào)控曲線Fig.7 Temperature control curve based on fuzzy PID algorithm at 25℃

圖8 高溫40℃時基于模糊PID 控制的溫度調(diào)控曲線Fig.8 Temperature control curve based on fuzzy PID algorithm at 40℃

5.2 探測器性能測試及結果分析

采用標準放射性物質作為測量對象，使用恒溫試驗箱模擬環(huán)境溫度變化，設置溫度變化梯度為5℃，到溫后保持1 h 進行數(shù)據(jù)采集。以25℃時測量結果作為參考標準，探測器在（-15～50）℃時的探測效率變化如圖9 所示。

圖9 不同溫度下的探測器探測效率變化Fig.9 Variation of detection efficiency at different temperatures

由圖9 環(huán)境溫度下的測量曲線可知，在環(huán)境溫度低于25℃時，探測效率受溫度變化影響較小；大于25℃時，探測效率隨溫度的升高逐漸降低，其中30℃時的探測效率為25℃時的95%，40℃時約為80%。加入溫度調(diào)控后，30～35℃時探測效率幾乎保持不變，40℃時約為94%。因此，針對SiPM 對環(huán)境溫度敏感的特性，該溫度調(diào)控方式可適當補償探測器因溫度升高導致探測效率降低的問題，進一步擴大探測器工作的溫度適用范圍。

6 結 論

1）基于SiPM 的硫化鋅閃爍探測器信號采集電路以交流耦合方式設計前置放大電路，信號經(jīng)整形放大后，通過幅值甄別技術獲得計數(shù)脈沖用于放射性含量計算。

2）針對SiPM 對環(huán)境溫度敏感的特性，采用分布式測溫模塊配合模糊PID 控制算法實現(xiàn)探測器的實時溫度調(diào)控，使探測器在環(huán)境溫度（-15～40）℃變化范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的探測效率，基本滿足野外實際環(huán)境的應用需求。

3）對于更高溫度條件下的應用，可嘗試溫度控制和偏置電壓補償相結合的方法，在有效濾除本底噪聲情況下獲得穩(wěn)定的探測性能。