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低温高密核物质测量谱仪(CSR External-target Experiment,CEE)将是我国第一台运行于GeV能区的、自主研制的、基于国内核物理大科学装置。图1为CEE的概念性设计图,其中零度角量能器(ZDC)的功能是测量旁观者核子的总能量,确定核核碰撞的对心程度,并辅助反应平面的确定。为了满足高集成度、低偏置电压等工程要求,ZDC预计大规模采用硅光电倍增管(SiPM)[1]完成光信号到电信号。
SiPM是新一代的半导体光子探测器,具有高增益、光子分辨能力强、偏置电压低、探测效率高、体积较小等优点[2]。SiPM与光电倍增管(PMT)对比,体积较小,工作电压低[3],配置电路简单,具有替代PMT的潜力,所以SiPM被广泛应用在高能物理、核医学成像及核物理等领域。
SiPM对电压的稳定性,抗噪性要求较高[4],而且SiPM的增益与SiPM的偏置电压和温度有密切关系[5-6]。由于目前商用电源不具备温度修正功能,集成度低,也无法实现在线控制,并且成本也高[7]。而这些问题恰恰在ZDC中是需要考虑的,所以需要设计一款自适应温度、高集成度、低成本且同时在线可控的高压电源。其中,利用DC/DC模块产生高压,电压可调范围是2.5 ~ 200 V;进行温度读取,根据预设温度实时输出指令,调整输出电压;可实现多路供电。通过性能测试,并将设计的高压电源与商用电源进行能谱对比测试[8],验证高压板的性能指标基本达到设计要求。
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图2和图3分别为高压电源整体设计框图和高压电源实物图。高压电源主要由FPGA主控单元、串口模块、DC/DC模块、温度检测模块和电压检测模块组成。高压由DC/DC模块产生[8]。DC/DC模块选用APS系列,数字电位计为MCP4018,温度传感器为TMP125,电压检测选用TLV2548。DC/DC转换模块具有高稳定性,通过改变DC/DC模块的输入电压来实现高压变化,进而达到设计要求。系统采用FPGA作为中央处理器,由于SiPM受温度影响较大,通过温度检测模块,对温度进行检测,当温度发生改变时,实时调整偏置电压,实现温度自适应设计;高压电路工作时需要监测产生的高压值是否正常,系统是否正常工作,所以设计电压检测模块,检测产生的电压值,来判断高压电路板是否正常工作;低压电源接口为各个模块提供稳定的工作电源;通过串口模块调节电位计的阻值,改变DC/DC模块的输入电压,进而控制输出高压的大小。
相比较与商用电源,本设计采用了多个技术来抑制纹波噪声,得到高稳定性的输出电压,主要包括采用高精度DC/DC模块、关键电路屏蔽保护、减少关键信号回路面积等,同时本设计结构紧凑,集成度高,并具备在线远程控制功能。
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图4为高压产生电路,主要由左边的可调电阻和右边的DC/DC模块组成。可调电阻与电阻R0组成分压电路,通过改变可调电阻的阻值进行分压。可调电阻选择数字电位计,可以通过数控方式调节电阻值,其具有精度高、低噪声等优点。电压转换采用DC/DC高压模块,具有高稳定性,且该DC/DC模块的金属外壳可以屏蔽最低的电磁干扰、降低输出电压的纹波和噪声。高压产生电路中输出电压由DC/DC模块的模拟控制电压(VSET)决定。数字电位计U6的脚3、脚4与主控芯片相连,通过数控方式改变阻值进行分压,使DC/DC模块的模拟控制电压输入端(VSET)的电压发生改变,进而使DC/DC模块的控制电路输出不同的电压值,实现高压产生。
其中DC-DC变换器主要由储能电感器、控制器、MOS开关管、整流滤波电路等组成[9]。系统中输入电压到储能电感器,通过控制器电路产生矩形波控制MOS开关管的截止或导通,决定输出电压。矩形波经过小型变压器放大,然后通过二极管和电容滤波得到电源电压。
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电压检测电路的主要功能是通过FPGA对SiPM的工作电压值进行实时监测和调整。
为了检测DC/DC模块是否正常工作,设计电压检测电路,如图5所示,电压检测电路主要由一个ADC芯片、外部基准电源、电阻和电容组成。检测芯片选用ADC芯片。ADC芯片具有低功耗、精度高等特点。将DC/DC模块的电压检测端(VMON)与ADC芯片的输入端脚6连接,系统工作产生高压时,ADC芯片将采集DC/DC模块电压检测端(VMON)的信号,将采集到的模拟电压信号转换成数字信号进行处理,最后通过串口RS232进行显示,进而实现电压检测。采用高稳定、高精度的外部基准电压源为ADC芯片提供稳定的+2.5 V基准电压。
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温度检测电路的功能是当检测到温度变化时,根据主控中预设的电压值实时调节SiPM的偏置电压,从而实现SiPM的增益相对稳定。
温度检测电路图如图6所示,温度检测由电阻、电容和温度温度传感器组成。检测电路采用兼容SPI的数字温度传感器,其具有高精度、低功耗等特性。温度检测电路不需要外部元件,温度传感器连续地将温度转换成数字数据,中央处理器FPGA连接芯片的脚6,周期性地读取温度传感器的数字信号,然后对读取到的数据进行处理分析,最后将采集到的温度通过串口RS232显示,实现温度检测。
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系统软件设计功能是通过软件对系统进行配置,实现在线控制高压输出,实时检测电压,根据温度变化实时调节SiPM的偏置电压。
如图7所示,控制系统主要由以下几部分组成:A/D模块、温度检测模块、IIC模块、串口RS232模块和时钟模块。系统选用Cyclone Ⅲ系列EP3C16F484作为核心控制器件。IIC模块用来控制数字电位计,通过串口RS232模块向IIC模块写入不同的数据,从而改变数字电位计的阻值进行分压,使得DC/DC模块输入端的电压发生改变,产生不同的电压。为了检测电压是否正常,用A/D模块采集模拟电压信号,并将电压信号转换成数字信号,存储在数据寄存器中,然后通过串口RS232模块将实时电压可视化。温度检测模块使用SPI控制温度传感器读取数字信号,然后将读取到的温度通过RS232模块进行显示。时钟模块的主要功能是利用PLL对系统的时钟信号进行转化,将系统40 MHz的时钟频率转换为50 MHz,然后分别为RS232模块、IIC模块、A/D模块、温度检测模块提供稳定的时钟信号。
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首先对高压产生模块(DC/DC模块)进行稳定性测试,然后对自制高压板进行特性测试,高压电源达到性能指标后,分别与商用高压电源为SiPM提供偏置电压,通过测试,进行能谱图分辨率对比。
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DC/DC模块将输入电压进行升压放大,通过不断改变DC/DC模块的输入电压,得到对应的电压输出值。结果如图8所示,横坐标是DC/DC模块的输入电压,单位为V。纵坐标是测量DC/DC模块输出的电压值(其纵坐标为左边的纵坐标)。对DC/DC模块的输入电压和输出电压进行线性拟合(如图中红线所示),经过线性拟合,得到DC/DC模块的放大倍数约为80.79,测量值与理论值最大差值为0.01,经计算得到其积分非线性为0.14‰,所以模块工作稳定。
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图9为加入温度自适应后道数测试结果图,系统测试在高温箱中进行,将温度分别设置为30, 25, 20, 15, 10, 5, 0, –5, –10 ℃,增益越大其道数越大,测试时,以温度30 ℃,偏置电压55 V为基准。随着温度的降低,SiPM的增益升高。加入温度自适应后,在不同温度下调整偏置电压,使道数保持在一个相对恒定的水平。
从测试结果看出,经过温度自适应调整,SiPM的增益随温度变化的程度减小,最大变化率为1.12%,系统增益保持相对稳定。
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首先对高压电源的稳定性进行测试,选用日本滨松公司的SiPM(S13360-6050CS),其偏置电压为+55 V,系统测试将高压模块输出电压调至+55 V,持续工作3 h[10],测量结果如图10所示。从图10中可以看出,电源在持续工作中,最大波动约为0.01 V,输出电压整体工作稳定。
使高压电源稳压后进行纹波测试,将示波器和测试电路板的干扰降至最低,示波器的探头选用1:1,示波器调至交流耦合,带宽调至20 MHz,避免电路中高频噪声的影响,然后对电压输出端进行测试。测得纹波噪声如图11所示,得到纹波有效值约为1.82 mV。通过调节电压,将电压升高,然后依次记录并进行纹波测试,由图12所示,电压升高至40 V,纹波参数在2 mV以下,经过计算纹波系数在0.02%以下,具有低纹波特性。
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准备开始系统测试,要对系统进行验证。SiPM的增益与SiPM的偏置电压有密切关系。根据芯片手册推荐,该型号SiPM的工作偏置电压为55 V左右。为了保证其增益性能,采用了不同的偏置电压进行测试,如图13所示,横轴为ADC道值,纵轴为道值的计数。测试表明,偏置电压增高,SiPM的增益明显提高。符合SiPM供电与增益的关系。因此,在测试中采用了55 V作为偏置电压。
对高压电源的特性进行测试,其输出电压整体工作稳定,且纹波系数低。为了验证其优于商用电源,需要进行工作特性测试。如图14所示实验测试系统框图,测试环境主要由高压电源、电路读出系统、计算机等组成。测试时,需要用遮光布将SiPM、晶体和放射源遮住,将系统放置在一个黑暗环境中,高压电源给SiPM提供偏置电压,放射源打出的粒子经过晶体转换为光信号,然后光信号通过SiPM转化为电信号,通过电路读出系统输入到上位机中进行数据处理,得到放射源的能谱图。
测试选用Cs-137作为放射源,CSI作为晶体,分别使用商用电源(ORTEC-710)和自制高压电源为SiPM提供+55 V的电压,通过能谱分析,对自制高压电源的性能进行分析。
如图15所示测试能谱图,图中横坐标为道数,纵坐标为道值的计数。黑色为高压电源测试的能谱图,红色为商用电源测试的能谱图。通过计算,使用自制高压电源测试的全能峰分辨率为7.84%;使用商用电源测试的全能峰分辨率为9.88%。经过对比,在同一环境下,自制高压电源测到的分辨率低于商用电源测到的分辨率,自制高压电源的性能要优于商用电源。测试结果表明,采用上述创新设计,高压电源具有输出高压且在线可调、纹波噪声低、多路供电等优点,性能优于商用电源。
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本文采用DC/DC模块来实现高压产生,通过数控方式调节数字电位计的阻值进行分压,进而改变DC/DC模块的输入电压。完成了DC/DC模块的稳定性测试、温度自适应测试,高压电源的性能及工作特性测试。测试结果表明,DC/DC模块的积分非线性为0.14‰,模块工作稳定;在不同温度下,系统增益的最大变化率为1.12%,系统增益保持相对稳定;自制的高压电源最大波动约为0.01 V,工作稳定;纹波系数在0.02%以下,具有低纹波特性;在同一环境下进行对比测试,采用同一放射源作为测试光源,自制高压电源与商用高压电源分别为同一个SiPM提供+55 V的偏置电压,将测得的放射源能谱图进行分辨率对比,自制高压电源测试的能量分辨率为7.84%,商用电源测试的能量分辨率为9.88%,自制高压电源的性能要优于商用电源的性能。本次设计基本可以满足实验要求,可以更精确、更稳定地为SiPM提供偏置电压。
Development and Verification of SiPM High Voltage Power Supply
doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020048
- Received Date: 2020-07-07
- Rev Recd Date: 2020-08-09
- Publish Date: 2021-03-20
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Key words:
- silicon photomultiplier /
- high-voltage power supply /
- stability
Abstract: Silicon Photomultiplier (SiPM) is a new generation of semiconductor photon detector, which is widely used in high-energy physics, nuclear medical imaging and nuclear physics and other fields. As the bias voltage of different SiPM is different, a high voltage power supply with adjustable voltage and temperature adaptive function is designed to meet the working voltage demand of SiPM. High voltage power supply mainly uses DC/DC module to generate high voltage to supply power to SiPM.The voltage of the high-voltage power supply can reach up to 200 V. The DC/DC module outputs different voltage values by changing the resistance value of the potentiometer to carry out partial voltage. Finally, the stability of DC/DC module, temperature adaptive testing, the performance and working characteristics of the high-voltage power supply plate were completed. The results show that the integral nonlinearity of the DC/DC module is 0.14‰, and the module works steadily. At different temperatures, the maximum change rate of system gain is 1.12%, and the system gain remains relatively stable. The maximum fluctuation of the self-made high-voltage power supply is about 0.01 V, and the work is stable. The ripple coefficient is below 0.02%, with low ripple. Meanwhile, in the same test environment, the resolution of the all-purpose peak of the high-voltage power supply and the commercial power supply are 7.84% and 9.88% respectively, and the performance of the self-made high-voltage power supply is better than that of the commercial power supply.
Citation: | Haisheng SONG, Chengfei LI, Xianqin LI, Honglin ZHANG, Xiaoyang NIU, Wenjian SUN, Peng PENG, Chengxin ZHAO, Haibo YANG. Development and Verification of SiPM High Voltage Power Supply[J]. Nuclear Physics Review, 2021, 38(1): 66-72. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020048 |