SiPM低压电源驱动板研制 马丽双，王 阳，钱 森，王志刚 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学院高能物理研究所 天津理工大学 马丽双，王 阳，钱 森，王志刚 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学院高能物理研究所 天津理工大学 qians@ihep.ac.cn 2018-10-16 衡阳

提纲 1. 研制背景； 2. 设计方案； 3. 驱动板测试； 4. 总结及下一步计划； SiPM，低压电源驱动板 指标，硬件设计，软件设计 1. 研制背景； SiPM，低压电源驱动板 2. 设计方案； 指标，硬件设计，软件设计 3. 驱动板测试； 单通道研发测试，小批量测试 4. 总结及下一步计划；

1.1 SiPM介绍 SiPM（硅光电倍增管）：由工作在盖革模式下的APD(雪崩二极管)和淬灭电阻组成一个个像素，阵列分布。每个像素接收到入射光子时都会输出一个幅度一定的脉冲，脉冲最终叠加在一起由一个公共输出端输出。 charge/21.4fc LSB Charge/21.4fc LSB SiPM结构原理图 SiPM实物图 SiPM多光子谱图 参数 体积 增益 单光子能量分辨率 多光子 分辨能力 暗噪声 温度 效应 价格 电源 PMT 大 ＞1×107 ~30% 差 小 高 高压 SiPM ＜1×106 优 严重 低 低压 1

1.2 SiPM广泛的应用 通讯 量子系统 量子密码学 计量 高光谱成像 探测器刻度 医学物理 核医学 放射性 成像 太空 切伦科夫望远镜阵列 红外探测 稳健成像 气象学 环境监测 雷达 遥感 军事 生化威胁 安检 夜视 SiPM 2

高能环形正负电子对撞机电磁、强子量能器： 可能应用SiPM的大型科研项目 高能环形正负电子对撞机电磁、强子量能器： 千万路SiPM 江门中微子实验近点探测器： 10万路SiPM 中国空间站高能宇宙辐射探测设施： 2500路SiPM 深层地下中微子实验室DUME SiPM未来市场份额估计 3

1.3 SiPM专用低压电源驱动板 目前商用SiPM驱动电路板 优点：包括高精度电源、前放、温度-增益修正功能； 较好的满足了实验室单路测试需求。 缺点：无法用于多通道测试系统，而且价格较贵； 不同厂家的驱动板和SiPM不能通用。 急需研发国产、高精度、低噪声、多路可编程SiPM驱动电源。 4

提纲 1. 研制背景； 2. 设计方案； 3. 驱动板测试； 4. 总结及下一步计划； 指标，硬件设计，软件设计 SiPM，低压电源驱动板 1. 研制背景； SiPM，低压电源驱动板 2. 设计方案； 指标，硬件设计，软件设计 3. 驱动板测试； 单通道研发测试，小批量测试 4. 总结及下一步计划；

2.1 低压电源驱动板设计指标 研制目标：高精度、超低噪声、多路可编程SiPM电源驱动板; 该电源驱动板可以满足多路SiPM同时应用。 研制指标： （1）宽电压范围：每一路SiPM控制器独立可调，输出电压范围: 30 V-90 V。 （2）高精度：设定电压分辨率：10 mV； 设定电压误差：±10 mV（电压70 V,无负载）； 电流监测误差：±0.05 mA（电压70 V,电流1.0 mA）。 （3）低噪声：输出电压纹波 < 1 mVp-p； 温度稳定性好于±10 ppm/℃。 （4）温度反馈：前置放大器可以实现快速电流放大（×20或者×1可选）； 电压~温度反馈功能可以实现反馈参数可调，温度探测精度好于0.5 ℃。 （5）可编程：该控制实现多路SiPM驱动电路的可编程逻辑控制。 5

2.2 电子学硬件设计方案 （1）高精度（温度反馈）：温度检测电路实时反馈温度及增益的变化，有效减少由于温度影响造成的增益变化。 （2）低噪声：滤波电路滤除电压纹波，有效减少电压噪声的影响； （3）多路集成：多路软件编程可调，配合上位机实现自动扫描测试。 （4）RJ45接口：方便快捷。 6

2.3 驱动板软件设计方案 目前常用的商用驱动板软件： 软件平台采用LabVIEW软件 （1）一次只能控制一个驱动板； （2）代码不开源； （3）不能实现多路可编程控制。 软件平台采用LabVIEW软件 商用驱动板软件界面图 自研驱动板软件设计流程图 本实验设计研制的SiPM低压电源驱动板，代码可开源，可通过软件编程控制驱动板的驱动电压在一定范围内自动变化，实现对SiPM的自动扫描测试。 7

提纲 1. 研制背景； 2. 设计方案； 3. 驱动板测试； 单通道研发测试，小批量测试 4. 总结及下一步计划； 指标，硬件设计，软件设计 1. 研制背景； SiPMT，低压电源驱动板 2. 设计方案； 指标，硬件设计，软件设计 3. 驱动板测试； 单通道研发测试，小批量测试 4. 总结及下一步计划；

3.1 自研电源驱动板 硬件 软件 V2.0 V3.0 8

3.2 驱动板V2.0纹波测试结果 在SiPM性能测试之前，通过改进地线接口、探测器接口、供电电源转换模块的屏蔽设计等， 有效降低了驱动板的纹波。 屏蔽前 屏蔽后 低频： X轴 40 ms/格 Y轴 1 mV/格 屏蔽前 屏蔽后 高频： X轴 2 us/格 Y轴 1 mV/格 纹波值 屏蔽前 屏蔽后 低频（--） 4.1 mV <1 mV 高频（500KHz） 6 mV 9

测试SiPM的暗噪声谱： 商用驱动板 VS 自研驱动板 1P.E. 自研 1P.E. 2P.E. 2P.E. 3P.E. 3P.E. 从结果可以看出，自研驱动板和商用驱动板的暗噪声性能相当。 分辨率 每个峰的计数占总计数的百分比/% 峰1/% 峰2/% 1P.E. 2P.E. 3P.E. 4P.E. 5P.E. 商用 21.2 23.4 33.8 19.4 11.9 7.2 5.9 自研 22.8 24.7 27.8 16.2 9.2 6.4 5.2 P.E.比 -- 1.22 1.20 1.29 1.13 分辨率=sigma(i)/(mean(i+1)-mean(i))，mean(i)为第i个峰中心电荷量； P.E.比：参考板与被测板的同一个峰的计数占总计数的百分比的比值。 10

测试SiPM的多光子谱： 商用驱动板 VS 自研驱动板 charge/21.4fc LSB 自研 charge/21.4fc LSB 从结果可以看出，自研驱动板和商用驱动板的多光子分辨率性能相当。 驱动板 1P.E. 2P.E. 3P.E. 分辨率/% 商用 12.3 15.4 18.6 自研 16.2 18.8 分辨率=sigma(i)/(mean(i+1)-mean(i))，mean(i)为第i个峰中心电荷量。 11

3.5 驱动板V3.0小批量测试结果 小批量的驱动板SiPM多光子谱的分辨能力测试结果。 从测试数据结果可以看出，自研低压电源驱动板之间多光子分辨率性能的一致性较好。 12

提纲 1. 研制背景； 2. 设计方案； 3. 驱动板测试； 单通道研发测试，小批量测试 4. 总结及下一步计划； 指标，硬件设计，软件设计 1. 研制背景； SiPMT，低压电源驱动板 2. 设计方案； 指标，硬件设计，软件设计 3. 驱动板测试； 单通道研发测试，小批量测试 4. 总结及下一步计划；

4 总结及下一步计划 总结： 下一步计划： 1、研制的SiPM驱动板与商用驱动板性能相当； 2、研发的样板之间的一致性较好。 目前单个样板的部分功能（低噪声、宽电压范围、高精度等）已达到设计指标要求。 下一步计划： 1、加入温度修正等功能； 2、研制更多的驱动板来进行更全面的测试； 3、软件控制多个低压电源驱动板同时进行多路SiPM的测试； 4、研制多通道驱动板。 13

感谢核探测与核电子学国家重点实验室、天津市森特尔新技术有限公司、北方工业大学、哈尔滨理工大学对本实验的大力支持。 谢谢诸位专家和学者的倾听！