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设计的CSNS工程材料衍射谱仪的闪烁体探测器结构如图1所示,探测器头部由倾斜的6LiF/ZnS(Ag)闪烁屏阵列和WLSF组成,每块闪烁屏和紧贴的两根WLSF构成探测器的像素。为提高中子探测效率,闪烁屏倾斜73°固定在定位槽内。两根WLSF均匀分布在每块闪烁屏下,将入射粒子在闪烁屏中产生的荧光光子收集并传输至后端光电转换器件(SiPM)。
目前各SiPM厂家生产的SiPM主要有1 mm × 1 mm、3 mm × 3 mm和6 mm × 6 mm三种规格,而设计的闪烁体探测器采用两根直径1 mm的WLSF作为一个像素读出(如图1所示),故为保证WLSF与SiPM的良好耦合,选取的SiPM像素应大于2 mm × 2 mm。而6 mm × 6 mm像素偏大,占用体积较大,故本次测试选择SiPM灵敏面积为3 mm × 3 mm。
为使工程探测器发挥最佳性能,需选择低暗计数率(单位时间内由SiPM材料内载流子的热激发等原因引起的计数)、高光子探测效率(单位时间内SiPM探测到的光子数与入射到SiPM表面的光子数的百分比)和高微单元密度(SiPM单位面积内的微像素个数)的SiPM。其中暗计数率会影响探测器的信噪比,光子探测效率会影响探测器输出信号幅度从而影响探测器的中子探测效率。综合考虑SiPM暗计数率、微单元密度、光子探测效率、单光电子增益(APD单元发生一次雪崩所释放的载流子数目)等参数,分别选取了Sensl MicroFJ-30035-TSV型号和Hamamatsu S13363-3050NE-16型号的3 mm × 3 mm SiPM (下文简称Sensl SiPM与Hamamatsu SiPM),厂商提供的主要性能参数如表1所列。
表 1 SiPM主要性能参数
性能参数 SiPM型号 Sensl MicroFJ-
30035-TSVHamamatsu S13363-
3050NE-16击穿电压a/V 24.4±0.3 53±5 过偏压范围/V 1-6 3 增益a,b ~6.3×106 ~1.7×106 暗计数率a,b 150 kHz/mm2 500 kHz/Channel 温度系数/(mV/°C) 21.5 54 峰值波长/nm 420 450 光子探测效率a,b,c/% 50 40 灵敏面积 3.0 mm × 3.0 mm 3.0 mm × 3.0 mm 微像素大小/μm 35 50 微像素个数 5 676 3 584 填充因子/% 75 74 a 在特定温度条件下测试;TSensl=21 °C, THamamatsu =25 °C。 b 在特定过偏压条件下测试Vover-Sensl=6 V, Vover-Hamamatsu=3 V。 c 对峰值波长,λ Sensl=420 nm,λ Hamamatsu=450 nm。 -
当SiPM偏压Vbias大于击穿电压Vbr时,APD耗尽层中的载流子在强电场作用下加速,与晶格发生碰撞后产生更多的载流子,引发雪崩,使SiPM的电流突然增大。通过测量SiPM的I-Vbias曲线,可以得到SiPM击穿电压Vbr等参数,从而确定SiPM工作电压区间。SiPM伏安特性曲线测量的实验装置如图2所示,精密高压电源(ISEG SHR 4260)为SiPM提供偏压,同时将SiPM的电流与电压值反馈至PC上位机,示波器(Teledyne LeCroy 610Zi)实时监测SiPM输出信号,辅助判断SiPM是否进入雪崩工作状态。为消除环境温度变化对测试结果的干扰,恒温箱为SiPM提供稳定的恒温环境。
测试了SiPM在21.5 ºC条件下的I-Vbias曲线,结果如图3所示。当Vbias低于SiPM击穿电压时,暗电流较小,此时SiPM暗电流主要为表面漏电流,其随着Vbias的增大而缓慢增大。当Vbias达到击穿电压时,电流迅速增大,此时电流值为漏电流与击穿电流之和,且其随着偏压升高呈指数增长的趋势。从图中可以看出,测试的Sensl与Hamamatsu两SiPM I-Vbias曲线趋势接近,与理论相符。当偏压低于击穿电压时,Sensl SiPM的暗电流约为0.04~0.06 μA,而Hamamatsu SiPM暗电流相对较大,约为0.2 μA,这可能是由其偏压较高导致表面漏电流较大造成。由测试的I-Vbias曲线结果得到21.5 ºC条件下Sensl和Hamamatsu SiPM的击穿电压Vbr分别为24.5 和52.0 V。SiPM的工作偏压与击穿电压的差值被称为过偏压Vover (Vover=Vbias-Vbr,其中Vbias为SiPM偏压,Vbr为击穿电压),参考厂商给定的SiPM过偏压范围一般为1~6 V,故Sensl和Hamamatsu SiPM建议的工作偏压范围分别为25.5~30.5 V和53.0~58.0 V。
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SiPM增益测试实验装置如图4所示,脉冲发生器 (Kektronix AFG3252C)产生的脉冲信号驱动LED并控制其发光强度,与其同步输出的TTL电平信号经TTL转NIN插件(Ortec 499 Logic Converter)转化为NIM信号后传输至门产生器(Ortec GG8020)将信号转化为合适宽度的NIM门信号作为QDC(Mesytec MQDC-32)的触发信号。LED发射的蓝光通过光纤衰减后传输至被测SiPM灵敏区域表面,光子在SiPM中产生的信号经前置放大器放大并延时后输入QDC被采集。实验使用前置放大器由CSNS电子学课题组自主研发(本工作后续相关实验均使用该前置放大器),经刻度后得到其放大倍数为15倍,QDC量程为500 pC,对应4 000道。数据获取系统对SiPM信号电荷信息获取后并分析,SiPM增益G通过下列公式计算:
$$ G=\frac{N {\boldsymbol{\cdot}} r}{M{\boldsymbol{\cdot}} \mathrm{e}} \text{,} $$ (1) 其中N为SiPM单光电子电荷量对应的道数;r为QDC电荷转换系数,即QDC每道对应电荷量;M为信号放大倍数,即M=15;e为电子电荷,e=1.6×10−19 C。
温度T = 21.5 ºC条件下,SiPM工作电压分别为27.5和55.0 V测试得到的SiPM信号电荷谱如图5所示,图中分立的等间距光电子峰对应不同光子数,相邻光电子峰的峰间距为SiPM单光电子电荷量对应道数。从图中可以看出,当前温度和过偏压Vover = 3.0 V (Vbr-sensl = 24.5 V, Vbr-Hamamatsu = 52.0 V)条件下,Sensl与Hamamatsu SiPM均具备较好的单光子分辨能力,且Sensl SiPM 单光电子增益略大于Hamamatsu SiPM。对每个光电子峰高斯拟合,计算相邻光电子峰峰间距并取其平均值,由式(1)计算得到Sensl SiPM 在T = 21.5 ºC,V = 27.5 V条件下增益为 4.95×106。同理计算得到Hamamatsu SiPM在T = 21.5 ºC,V = 55.0 V条件下的增益为3.48×106。在Vover = 3.0 V条件下, Hamamatsu SiPM与Sensl SiPM 增益均为106量级,Hamamatsu SiPM增益略低于Sensl SiPM增益。
基于上述增益测试方法,结合I-V曲线选取合适的工作电压范围,测试了SiPM增益-过偏压曲线,结果如图6所示。从图中可以看出,测试的Sensl与Hamamatsu两SiPM在工作偏压范围内,增益与过偏压Vover均呈良好的线性关系,且相同Vover条件下,Sensl SiPM 增益明显大于Hamamatsu SiPM增益。在Vover为4.5 V时,Sensl SiPM增益可达到7.45×106,比同条件下Hamamatsu SiPM增益(5.12×106)高约45%。由线性拟合斜率可知,Sensl SiPM与Hamamatsu SiPM增益随过偏压Vover线性升高系数分别为1.66×106和1.12×106 /V。
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SiPM与普通的半导体器件一样,随着温度的改变,其许多性能参数(例如,雪崩临界电压、增益、暗计数率等)都会变化,其中增益随温度变化较敏感。相关研究表明,SiPM的增益随温度升高线性减小[16],故可以通过温度补偿方法减小SiPM的增益漂移,提高探测器的工作稳定性。掌握SiPM的增益与温度变化关系是开展温度补偿的首要前提,对探测器性能优化具有重要意义。SiPM的增益与温度变化关系测试实验装置与增益测试实验装置相同(如图4所示),通过恒温箱改变SiPM工作环境温度测试得到增益与温度变化关系,结果如图7所示。从图中可以看出,在Vover= 3.0 V和Vover= 4.5 V条件下,Sensl SiPM与Hamamatsu SiPM增益均随温度升高线性下降,与理论相符。由线性拟合斜率可知,温度每升高1 ºC,Sensl SiPM增益减少约3.65×104,Hamamatsu SiPM增益减少约5.95×104,证明Hamamatsu SiPM增益对温度变化更加敏感。
以T=15 ºC,Vover= 3.0 V条件下增益为基准,结合测试得到的SiPM增益与过偏压Vover的线性关系,计算不同温度下,SiPM电压补偿值,结果如图8所示。从图中可以看出,Sensl SiPM与Hamamatsu SiPM补偿电压均与温度保持良好线性关系,对上述结果线性拟合得到Sensl与Hamamatsu SiPM温度补偿系数分别为22.0和53.6 mV/ ºC。
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暗计数是SiPM主要噪声来源,其主要是由半导体内部产生的热激发电子在高场区发生雪崩导致[17]。随偏压增加,SiPM内部由热激发导致的雪崩概率增加,暗计数率显著增加。由于热激发电子产生的噪声源大多在单光子级别,故将阈值设置在单光子级别以上可以大幅度减少SiPM暗计数,但过高的阈值会对正常信号产生影响,研究SiPM的暗计数率特征,有助于信号的准确测量, 对提高探测器信噪比有重要意义。SiPM暗计数率测试实验装置如图9所示,SiPM热激发噪声信号经前置放大器放大和反向后输入低阈甄别器 (CAEN N844),最后通过计数器测量不同阈值下SiPM暗计数率。实验使用前置放大器与SiPM增益测试前置放大器相同,N844低阈甄别器阈值配置范围0~255 mV,计数器为ORTEC 871,饱和计数率约10 MHz。
在T= 21.5 ºC,Vover= 5.0 V条件下分别测试了不同阈值条件下Sensl与Hamamatsu SiPM暗计数率,结果如图10所示。从图中可以看出,当阈值较低时(10 mV),Sensl与Hamamatsu SiPM暗计数率均较高(约10 kHz) ,应用于闪烁体探测器时,该阈值下探测器将无法正常工作。随阈值升高,SiPM 暗计数率迅速降低,当阈值大于70 mV时,Sensl与Hamamatsu SiPM暗计数率均低于1 Hz,且相同阈值条件下Hamamatsu SiPM 暗计数率略低于Sensl SiPM暗计数率。
基于已研制的SiPM读出的6LiF:ZnS(Ag)闪烁体中子探测器样机的中子信号特征,探测器阈值通常设置为70~90 mV,由上述测试结果可知,该阈值条件下Sensl与Hamamatsu SiPM暗计数率均能满足探测器需求。
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摘要: 为满足中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)工程材料衍射谱仪的探测器需求,CSNS探测器组设计并研制了基于硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)读出的闪烁体探测器。本工作针对该探测器,选取了Sensl MicroFJ-30035-TSV和Hamamatsu S13363-3050NE-16两种型号的SiPM,开展了其击穿电压、增益、温度特性、暗计数率等关键性能的测试。测试结果显示,两者单光子分辨能力,增益、暗计数率等性能均可满足当前闪烁体探测器需求,相同过偏压下,前者增益高于后者,且Hamamatsu SiPM增益对温度更敏感。测试了两SiPM的温度补偿系数分别为22.0 mV/ ºC (Sensl)和53.6 mV/ ºC (Hamamatsu),为后续SiPM温度补偿电路设计奠定了基础。利用研制的探测器工程样机,在CSNS BL09下测试了两种SiPM读出的探测器对2.8 Å中子探测效率分别为76%和68%,为目标探测器及同类型探测器的SiPM选型提供了参考。Abstract: In order to fulfill the requirements of the engineering material diffraction spectrometer of China Spallation Neutron Source(CSNS), a new integrated and modular scintillator detector based on Silicon Photomultiplier(SiPM) readout is designed and constructed by the Neutron Detector Group of the CSNS. In this paper, the characteristics such as breakdown voltage, gain, temperature characteristics and dark count rate of Sensl MicroFJ-30035-TSV and Hamamatsu S13363-3050NE-16 model SiPM are tested. The results show that the performance of the two SiPM including the single-photon resolution, gain, dark count rate can meet the requirements of the scintillator detector. The gain of Sensl SiPM is higher than that of Hamamatsu SiPM in the same overbias and the latter is more sensitive to temperature. The temperature compensation coefficient of the Sensl and Hamamatsu SiPM are 22.0 and 53.6 mV/°C respectively, which will provide reference for the design of temperature compensation circuit of SiPM. The prototype of a scintillator detector based on the above two SiPM readout was developed and the detection efficiency of the detector has been tested on the BL09 of CSNS. The results show that the detection efficiency of detector equipped with Sensl SiPM or Hamamatsu SiPM is 76% and 68% for 2.8 Å neutrons, respectively. The results of this paper will provide reference for the selection of SiPM for the developed scintillator detector and other SiPM-based detectors.
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表 1 SiPM主要性能参数
性能参数 SiPM型号 Sensl MicroFJ-
30035-TSVHamamatsu S13363-
3050NE-16击穿电压a/V 24.4±0.3 53±5 过偏压范围/V 1-6 3 增益a,b ~6.3×106 ~1.7×106 暗计数率a,b 150 kHz/mm2 500 kHz/Channel 温度系数/(mV/°C) 21.5 54 峰值波长/nm 420 450 光子探测效率a,b,c/% 50 40 灵敏面积 3.0 mm × 3.0 mm 3.0 mm × 3.0 mm 微像素大小/μm 35 50 微像素个数 5 676 3 584 填充因子/% 75 74 a 在特定温度条件下测试;TSensl=21 °C, THamamatsu =25 °C。 b 在特定过偏压条件下测试Vover-Sensl=6 V, Vover-Hamamatsu=3 V。 c 对峰值波长,λ Sensl=420 nm,λ Hamamatsu=450 nm。 -
[1] WEI J, CHEN H S, CHEN Y W, et al. Nucl Instr and Meth A, 2009, 600(1): 10. doi: 10.1016/j.nima.2008.11.017 [2] 王晋岚. 科学中国人, 2017, 69(5): 7. doi: 10.3969/j.issn.0368-6396.2017.05.012 WANG J L. Scientific Chinese, 2017, 69(5): 7. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0368-6396.2017.05.012 [3] WEI J, FU S N, TANG J Y, et al. Chinese Phys C, 2009, 33(11): 1033. doi: 10.1088/1674-1137/33/11/021 [4] WEI J, FANG S X, CAO J S, et al. J Korean Phys Soc, 2007, 50(5): 1377. doi: 10.3938/jkps.50.1377 [5] 唐军杰, 王拓, 张强, 等. 发光学报, 2013, 34(1): 78. doi: 10.3788/fgxb20133401.0078 TANG J J, WANG T, ZHANG Q, et al. Chinese Journal of Luminescence, 2013, 34(1): 78. (in Chinese) doi: 10.3788/fgxb20133401.0078 [6] TANG B, SUN Z J, HUANG C, et al. Second Symposium on Novel Technology of X-Ray Imaging, 2019: 11068. doi: 10.1117/12.2524697 [7] NAGANO T, YAMAMOTO K, SATO K, et al.Improvement of Multi-Pixel Photon Counter(MPPC)[C]//2011 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, Valencia, Spain, 2011:1657. [8] ROSADO J, ARANDA V M, BLANCO F, et al. Nucl Instr and Meth A, 2015, 787: 153. doi: 10.1016/j.nima.2014.11.080 [9] ZHANG G Q, ZHAI X J, ZHU C J, et al. International Journal of Quantum Information, 2012, 10(3): 1230002. doi: 10.1142/S0219749912300021 [10] 程泽辉, 余玉洪, 李公平, 等. 原子能科学技术, 2020, 54(2): 340. CHEN Z H, YU Y H, LI G P, et al. Atom Energy Sci Technol, 2020, 54(2): 340. (in Chinese) [11] SCHAART D R, VAN DAM H T, SEIFERT S, et al. Physics in Medicine and Biology, 2009, 54(11): 3501. doi: 10.1088/0031-9155/54/11/015 [12] LIU Z, DOROUD K, AUFFRAY E, et al. Nucl Instr and Meth A, 2015, 787: 240. doi: 10.1016/j.nima.2014.12.040 [13] ADAMO G, AGRO D, STIVALA S, et al. IEEE Transactions on Electron Devices, 2013, 60(11): 3718. doi: 10.1109/TED.2013.2282709 [14] KARDYNAŁ B E, YUAN Z L, SHIELDS A J. Nature Photonics, 2008, 2(7): 425. doi: 10.1038/nphoton.2008.101 [15] RENKER D, LORENZ E. Journal of Instrumentation, 2009, 4(4): P04004. doi: 10.1088/1748-0221/4/04/P04004 [16] 戴泽, 全林, 程晓磊, 等. 飞行器测控学报, 2015, 34(3): 298. DAI Z, QUAN L, CHENG X L, et al. Journal of Spacecraft TT & C Technology, 2015, 34(3): 298. (in Chinese) [17] PARK H M, JOO K S. Nucl Instr and Meth A, 2015, 781: 1. doi: 10.1016/j.nima.2015.01.080 [18] 黄畅, 唐彬, 刘云, 等. 原子核物理评论, 2019, 36(2): 190. doi: 10.11804/NuclPhysRev.36.02.190 HUANG C, TANG B, LIU Y, et al. Nuclear Physics Review, 2019, 36(2): 190. (in Chinese) doi: 10.11804/NuclPhysRev.36.02.190