0引言
电荷漂移探测器SDD（Silicon Drift Detector）是一种特殊结构的探测器。衬底材料为高阻单晶硅，双面光刻、双面注入掺杂及金属化工艺，电极为同心圆环，由外环到内环所加电压逐渐升高，形成由内环指向外环的电场，信号电荷在倒置漏斗形状的漂移电场内做定向运动，最终被收集到输出节点[1-2]。它输出电容非常小且独立于探测器Chip，具备噪声小、能量分辨率高等优点，被广泛用于X射线光谱仪中，在航天航空、医学成像、核科学与技术研究等多个领域表现出极大的应用价值[3]。目前，硅漂移探测器厂家主要为德国Ketek公司和美国Amtek公司，美国Amtek公司新研发的一款Fast SDD能量分辨率122eV FWHM at 5.9KeV(Tpk=4us)，计数率＞1000kcps。
测试电路核心主要包括驱动信号形成、温度控制、弱模拟信号的低噪声处理以及梯形波成形算法。本文主要讨论探测器驱动模块以及温度控制模块的设计，并基于硅漂移探测器，获得常温暗电流积累的模拟信号输出，表明本文的设计方案能够驱动探测器正常工作。并在-30℃条件下，采集到探测器对X射线以及X射线激发铁耙材能级跃迁产生的响应输出，表明本文的温度控制方案可以精确稳定的使探测器工作在设定温度点。
1驱动电路设计
硅漂移探测器整体结构如图1所示，主要包括探测器芯片（SDD Chip）、输出放大器结构（Reset Diodo/Feedback Capacity/Jfet）以及温控结构（Temp Resistance/Peltier）。根据结构分析，探测器的驱动信号主要包括低纹波低噪声的负高压直流偏置、稳定的低噪声低压直流偏置以及复位脉冲信号。
图1 探测器结构
1.1高压驱动电路设计
探测器在电荷收集时，背面（Back），正面P+电极环的最内环（R1），最外环（Rx）加不同负压，中间环由沟道电阻链接实现自动分压，不同电极换的不同电压产生的电场，形成指向探测芯片中心的电荷漂移电场梯度，如图2。为保证探测器芯片能稳定可靠收集电荷，高电压应具备纹波小、高稳定度以及高可靠性。
图2 探测器工作时内部电势分布梯度图
负高压直流偏置的产生选择RECOM公司Rxx-150B系列隔离式DCDC模块为主体进行电路设计，该系列模块输出电压[-210V，-95V]可调，最大驱动电流50mA，效率≥84%，输出纹波＜60mVpp（at 20MHz）。DCDC输出的负高压经过π型滤波后，由三组无源分压电阻网络产生探测器所需的三组负高压直流偏置，如图3
图3 负高电压产生模块及滤波设计
1.2程控低噪声直流偏压电路设计
硅漂移探测器的直流偏置电压主要是J-FET的Drain、Source以及Bulk。由于J-FET是探测器进行荷电-电压转换的节点，其偏置电压的噪声水平对输出信号的信噪比有重要影响[4]。
为了匹配探测器最佳工作状态，电路设计为直流偏压可在线调节结构，且探测器J-FET偏置电压需要具备噪声低，稳定性高等特点。如图所示，FPGA解析上位机命令代码，控制模数转换器DAC输出指定偏压值，并经过低噪声放大，最终加载到输出J-FET的Drain、Source以及Bulk。模数转换器选用AD5361，该芯片16通道独立，输出模拟信号范围双极性[-10V，+10V]（14位），精度能达到1.22mV，能非常方便的进行电压值在线调节，有源低通滤波运放选用Texas Instruments的LM258精准系列，该芯片双运放集成，双电源供电，0.3V/us转换速率，40nV/Hz噪声密度，满足设计需求，如图4。
图4 低噪声低驱动电压模块化设计
1.3复位脉冲Reset
探测器复位本质上是由集成在内部输出节点上的复位二极管状态所决定。Reset为低电平时，PN结二极管反偏不导通，信号实现正常输出，有效积分时间越长，信号量越大，输出电压逐渐降低，而JFET的P型栅与N型沟道的PN结耗尽区宽度随着电压逐渐降低，有效沟道宽度逐渐增加，输出电流逐渐增加，因而有效输出电压逐渐增加。Reset为高电平时，PN结二极管正偏导通，收集到探测芯片输出节点的信号电子被Reset抽走，放大器栅极为高电位，与Reset高位差一个PN结导通电压。而JFET的P型栅与N型沟道的PN结耗尽区宽度此刻最宽，有效沟道宽度最窄，输出电流最小，因而有效输出电压最低。
触发方式分为外触发和自触发，外触发复位频率可由FPGA控制；复位频率由触发电平阈值决定。因此，外触发Reset由驱动器ADUM4120设计产生，ADUM4120是一款隔离式驱动器，输出脉冲摆幅＞5V，且电流驱动能力＞500mA，相位可由FPGA控制。自触发方式关键点在于触发电平的设置，本文设计触发电平为4V，通过整形产生TTL电平格式的复位信号。
2温度控制模块设计
探测器由负温度系数NTC热敏电阻进行实时温度采集，热敏电阻封装在陶瓷基座下表面的腔体中。利用温敏电阻反馈的电压取样值与设定温度的参考电压值作比较，通过温度控制电路控制流过内置半导体制冷器TEC电流的大小和方向，实现TEC制冷和制热，自动调节探测器的工作温度[5]。
本文温控电路设计，采用MAX1978集成温控芯片。MAX1978主要优点在于内部集成了一个PID补偿网络，能够将温度控制精确到0.001℃，并且集成度高、体积小，精度高。图5为基于MAX1978的温度控制电路，5V高精度电源供电，R151/R152/R154/C195/C196/C197组成了外部模拟PID补偿网络，通过调整补偿网络电阻电容参数值，从而获得最佳的调节效果。
图5 PID温度参考值设定及PID温度控制模块
评估温控系统的性能，首先将探测器目标温度设定在-30℃，计算出参考端FB+对应电压值，然后对FB-端电压进行实时采样，并在FPGA内部形成电压-温度线性映射表。在匹配PID补偿网络下，大约1S时间探测器真空腔体内部温度趋于稳定，最终温度波动范围实际测量可达到±0.01℃。因此，设计温控电路可实现快速精确的温度控制，主要影响控温精度因素是温敏电阻（Thermistor）阻值-温度非线性关系，取样电阻的偏差以及参考源的精度。
3结果与分析
选用自主研发的SDD探测器进行测试分析，探测器各引脚驱动信号值如下表1：
表1 探测器驱动信号
采用自触发模式，前置信号电路形成自触发复位脉冲信号Reset，反馈脉冲信号Feedback，没有X射线条件下，获得探测器的暗电流积累模拟输出波形；在目标制冷温度-30℃有X射线条件下，获得探测器的模拟输出波形，如图，。对比两组模拟输出波形可得：信号周期明显缩短，表明探测器成功识并别捕获到X射线的光子。
图6 探测器X射线光子
测试条件，制冷-30℃条件下，用SDD探测X射线激发铁靶材后由于能级跃迁产生的不同能量的光子，经过信号处理及波形重构算法，获得模拟输出波形，如图7。
图7 SDD探测X射线激发铁耙材的模拟输出波形
3.结论
本文基于SDD探测器设计的高压驱动模块、程控低噪声直流偏压模块以及复位脉冲能够驱动探测器正常工作，并获得常温状态下的暗电流积累波形；温度控制模块通过调节半导体制冷器能够使探测器真空腔体内的温度快速稳定的收敛到设定值，满足探测器在-30℃的工作需求。并在-30℃条件下，采集到探测器对X射线以及X射线激发铁耙材能级跃迁产生的响应输出。
参考文献：
[1] Lechner P,Fiorini C,Hartmann R,et al.Silicon drift detector for high count rate X-ray spectroscopy at room temperature[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,2001,458(1-2):281-287.DOI 10.1016/s0168-9002(00)00872-x.
[2] Castoldi A,Fiorini C,Guazzoni C,et al. Semiconductor Drift Detector:Application and New Devices[J].X-Ray Spectrometry,1999,28:312.
[3] 刘瑶光，殷华湘等. 一种硅漂移探测器的优化设计与特性研究[J].传感技术学报，2020,33（1）：7-11.
[4] 程前，邓华秋. 半导体激光器驱动电路及温控系统设计[J].电子器件，2019,42（5）：1185-1189.
[5] 李扬，刘海涛. 一种低噪声非制冷红外探测器驱动电路设计[J].前沿技术，2019,31（12）：4-8.
