作者简介: 韩晓雪(1986—), 女(汉), 内蒙古, 博士研究生。
硅光电倍增管(SiPM)由于其高增益、高时间分辨、低工作电压、磁场不敏感等优点,在高能物理、医学物理等领域具有广泛的应用前景。该文设计的系统包含前端电子学和数据采集系统两部分: 前端电子学板结合商用专用集成电路(ASIC)(VATA64)与复杂可编程逻辑器件(CPLD), 能够同时读出64通道的SiPM, 板上同时集成了稳定探测器增益的温度补偿电路和标定增益的发光二极管(LED)驱动电路; 数据采集系统以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,可以同时读出8块前端电子学板,并为SiPM提供编程可控的工作电压(40~100 V)。该系统已经应用于由瑞士、德国、美国和中国合作的正负电子气球谱仪(PEBS)实验的电磁量能器原型设计,并在欧洲核子中心(CERN)束线实验取得了良好的结果。该高密度多通道SiPM电子学读出系统可以逐通道调节探测器偏压,调节精度达4 mV, 调节后各通道增益的差异可小于2%。该系统对于其他SiPM在新型粒子径迹室或量能器的应用具备借鉴意义。
Silicon photomultipliers (SiPMs) are widely used in both high energy physics and medical physics due to their high gain, excellent timing resolution, low operating voltage and insensitivity to magnetic fields. This paper presents a system containing a 64 channel frontend electronics package integrated with a temperature compensation circuit and a light emitting diode (LED) driver circuit for gain stabilization and calibration. The system also has a field-programmable gate array (FPGA) programmed data acquisition system which can simultaneously read 8 frontend cards and provide a programmable high voltage (40-100 V) for the SiPMs. The system has been used in the electromagnetic calorimeter (ECAL) of the positron electron balloon spectrometer (PEBS), a collaboration between Switzerland, Germany, the USA and China with good results in a beam test at the European Organisation for Nuclear Research (CERN). The high-density, multi-channel SiPM readout system can adjust the detector operating voltage on each specific channel with a precision of up to 4 mV and the gain variance is less than 2% after adjustments. This system provides efficient utilization of SiPM in particle-track detectors and calorimeters.
硅光电倍增管(silicon photomultiplier, SiPM)是一种由多个工作在盖革模式下的雪崩光二极管(avalanche photon diode)构成的阵列型光电转换器件。这种新型探测器具有高增益(105~107)和良好的时间分辨率(~120 ps)[1]。与传统的光电倍增管相比, SiPM还具有工作电压低(通常小于100 V)、 对磁场不敏感等优点。近年来,这种新型探测器引起了高能物理和医学物理领域的高度关注[2,3,4,5]。
根据SiPM的工作原理, SiPM的增益正比于探测器上所加偏置电压与雪崩临界电压的差值[6]。由于半导体雪崩临界电压随温度的升高而不断升高,即使SiPM工作在恒定的偏置电压下,其探测器增益也将随温度的升高而不断减小,该变化的相关系数因SiPM的厂商和型号而异[7]。正因为SiPM的探测器增益对温度和偏置电压的变化十分敏感,如何稳定或标定SiPM的增益成为该类型探测器读出电子学系统设计中必须要考虑的问题之一[8]。
本文所介绍的系统是一套专门针对SiPM设计的多通道电子学读出系统,该系统由清华大学工程物理系核系统与控制实验室与瑞士洛桑联邦理工大学高能物理实验室联合设计完成,应用于由瑞士、德国、美国和中国合作的正负电子气球谱仪(positron electron balloon spectrometer, PEBS)[9]的原型设计。该原型系统于2012年7月在欧洲核子中心(CERN)进行了束线测试。
本系统由前端电子学板、机箱式数据采集系统以及相关上位机软件组成,整体结构如图1所示。
 | 图1 SiPM多通道读出电子学系统整体结构图 |
前端电子学板与SiPM探测器相连,可以同时对64路SiPM探测器输出的电荷信号进行成形、放大和采样保持。采样得到的64路模拟信号的峰值将保存于模拟缓冲器中,由数据读出板顺序串行读出。本文第2节将对前端电子学板的具体实现方法进行详细介绍。
数据采集系统采用机箱式结构,由背板、扇出板和数据读出板组成。
数据读出板将前端电子学板输出的模拟信号进行模数转换后,将数据打包暂存于现场可编程门阵列(FPGA)内部的先进先出(FIFO)存储器中。每块读出板最多可以同时读出8块前端电子学板。读出板通过队列串行外设接口(QSPI)对各前端电子学板进行独立的慢控制。此外,数据读出板还向前端电子学板提供电源、触发信号和SiPM偏置电压等。数据读出板与计算机之间采用USB作为控制和数据传输接口。本文第3节将对数据读出板的各部分功能实现和工作模式作详细介绍。
扇出板用于多个数据读出板同时工作的情况,主要负责管理多块数据读出板的触发、 Busy及复位信号: 将外部输入的触发信号和系统复位信号扇出至多个数据读出板; 将所有数据读出板的Busy信号进行“或”运算后输出整个数据采集系统的BUSY信号。此外,扇出板上集成了USB 集线器控制模块(USB2517), 可以至多提供8个USB下行接口,方便了多个数据读出板与计算机间的连接。扇出板的所有数字逻辑部分由一块Altera Cyclone IV FPGA完成。
前端电子学板以Ideas公司的64通道专用集成电路(ASIC)芯片VATA64为核心,使用一片Altera MAXII CPLD完成多通道读出、 ASIC配置和慢控制等数字逻辑。针对SiPM随温度变化的增益稳定性问题,前端电子学板使用温敏电阻设计实现了一个具有温度补偿的探测器偏压电路。此外,前端电子学板上还包含用于测量探测器暗电流、偏置电压和温度的传感器以及LED驱动电路。前端电子学板的功能结构如图2所示。
Ideas公司生产的VATA64芯片具有64个通道,每个通道具有独立的能量测量和时间测量电路。其中,能量测量部分由电荷灵敏前放电路、一阶半Gauss CR-RC成形电路(成形时间100~200 ns)和可选择使用的峰保持电路组成。采样保持信号Holdb可由外部输入,也可由ASIC内部产生。所有通道由一个Holdb信号控制,同时进行采集,得到的电荷信号存储在各自的模拟缓冲器中,由后端的多通道读出电路进行顺序读出。同时,每个通道的前放都具备一个独立的8位数模转换器(DAC), 可以在0~1 V范围内对该通道所接SiPM的偏置电压进行微调。
VATA64具有一个892位的串行移位寄存器,用于设置信号增益、成形时间、各通道的DAC和是否使用标定模式等。
前端电子学板使用Altera MAXII CPLD完成多通道读出和VATA64的配置。CPLD内部的寄存器用于记录VATA64的配置状态、固件版本信息和配置外围电路。此外, VATA64使用易失性存储器保存其配置信息,每次上电后都需要重新配置寄存器。为此, CPLD使用其内部集成的UFM(user flash memory)保存VATA64的配置文件。每次上电后, CPLD自动将UFM内存储的配置文件写入VATA64。用户可以随时通过数据读出板与前端电子学板之间的串行外设接口(SPI)读取或重新写入配置文件。
2.1.1 多通道读出
信号的多通道读出由Shift_inb, Ckb, Shift_outb和Dreset 4个信号完成。具体的时序图如图3所示[10]。
 | 图3 VATA64芯片手册给出的多通道读出时序图<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="b10-1000-0054-54-6-695">10</xref>]</sup> |
读出时序控制由图2中数据读出板和前端电子学板之间的H、 HB、 S、 SB 4个信号的组合逻辑完成: 数据读出板一经触发即进入数据采集状态,其状态机按照时序要求发出H、 HB、 S、 SB控制信号,前端电子学板通过CPLD将4个信号的不同组合转译为图3所示的时序逻辑,实现VATA64采样保持和多通道顺序读出的功能。
2.1.2 ASIC标定电路
前端电子学板的标定电路使用一片高速模拟开关芯片产生幅度可调的方波信号,将该信号叠加在电容上,即可在沿跳变阶段产生ASIC标定所需的电荷信号。
考虑到SiPM的探测器增益受偏置电压和温度影响显著,前端电子学板分别使用分压电路、温度传感器PT1000和电流监控芯片HV7801等,对探测器的偏置电压、环境温度和前端电子学板所有通道SiPM的暗电流总和进行量测和监控。电路的模拟信号由一片SPI接口的12位ADC转换为数字信号后,由数据读出板控制读出。
此外,前端电子学板还集成了一块由金属-氧化层半导体场效应管(MOSFET)和LC电路构成的LED驱动电路, LED的开/关以及驱动电流的大小均由一片SPI接口的DAC控制。这一功能使得系统可以随时对SiPM注入任意强度的光信号,对所有通道SiPM的探测器增益进行标定。本文第4.2小节对标定方法进行了更为详细的介绍。
数据读出板具有8路12位ADC, 能够同时采集8块前端电子学板输出的探测器信号,其功能结构如图4所示。数据读出板与每块前端电子学板之间的接口称为Uplink: 它包含LVDS电平的触发信号、 SiPM偏置电压、前端电子学板读出控制信号(H/HB/S/SB)和一组SPI控制信号。FPGA内部生成8个独立的QSPI主设备,用于控制前端电子学板的UFM/寄存器读写、传感器读出、 LED开关和光强控制等。与传统SPI相比,采用队列传输机制的QSPI效率更高,一次可以传输包含多达16个8位或16位数据的数据队列。
数据读出板的高压模块可以产生40~100 V的电压,该电压在前端电子学板上经过温度补偿后作为SiPM的偏置电压。同时,数据读出板通过“分压电路+AD回读”的方法对高压模块进行实时监控。
数据读出板的触发信号,可以由FPGA产生内部产生,也可以使用外部输入信号(NIM或LVDS电平)。
数据读出板具有光标定模式、外触发模式和随机触发模式3种工作模式。其中: 光标定模式在探测器读出时序之前触发前端电子学板的LED驱动电路,利用光信号对SiPM进行在线标定和性能测试; 外触发模式采用外部的物理事件信号触发探测器读出时序; 随机触发模式由数据读出板内部随机产生自触发信号,主要用于系统本底噪声的测量。
目前,数据读出板采用了Bitwise QuickUSB模块实现与计算机之间的USB通信和数据传输。该模块提供了固件形式的USB协议栈和相关读写控制的接口函数[11]。此外,读出板上还预留了高速以太网接口。
经过实际测量,整个电子学系统各通道的噪声水平约为450个ADC(按照每个ADC ~0.45 mV计算,约为200 mV)。不连接SiPM的情况下,噪声的均方根小于1个ADC(~0.45 mV)。在连接SiPM(HAMAMATSU S10362-11-025U)[12]时,由于探测器暗电流的引入,噪声的均方根略有增加,约为2个ADC(~0.9 mV)。图5和6所示为单通道实测的典型结果。图中显示的均值和均方根值为ROOT在能谱全范围(ADC值0~4 096)内的计算结果。图6与图5相比,本底噪声能谱有一个额外的突起,这是由探测器暗电流所引入的。
 | 图5 电子学系统整体噪声水平测试(无探测器连接时的测量结果) |
 | 图6 电子学系统整体噪声水平测试(连接探测器时的测量结果) |
本文设计了一套针对SiPM探测器的多通道读出电子学系统。该系统目前已被用为PEBS电磁量能器的读出系统,于2012年7月在CERN进行的束线测试中运行稳定,取得了较好的数据结果。本系统使用DA控制探测器偏置电压,集成的LED驱动电路可以随时对探测器进行光学标定。在今后的研究中可以进一步利用上述特点,以光学标定测得的探测器增益值为依据,动态调整探测器偏置电压,使得系统具备自动稳定SiPM增益的功能。
此外,本系统采用商售的VATA64 ASIC实现了多通道高密度的读出,对于其他SiPM在新型粒子径迹室或能量器的应用都具备一定的借鉴意义。
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