硅光电倍增管偏置补偿电源电路的设计分析

硅光电倍增管是一种先进的固态光子探测技术,继承了传统光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)的高性能特征,并以其独特的架构集成了大量工作在盖革模式下的SPAD,具有显著优势。硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)的工作击穿电压会随着温度变化而出现漂移现象,影响内部增益的稳定性,并对图像重建精度和能量分辨率等关键性能指标产生不利影响。基于此,研发了一种能够实时适应环境温度变化的动态补偿电路,实现对SiPM的偏置电压精密调控,有效抑制因温度导致的增益漂移效应,使SiPM器件在不同温度条件下均能保持偏置电压稳定。

基于柔性馈电螺旋天线和硅光电倍增管的GIS局部放电联合传感技术

由于现场干扰和系统噪声的影响,通过常规电学方法检测气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)内的局部放电(partial discharge,PD)容易造成漏检与误检的情况。为提高局部放电检测的准确率,并进一步探究GIS中不同缺陷的放电特性差异,该文提出基于粒子群优化算法的四臂螺旋天线优化流程,设计适配的柔性功分馈电网络,并与荧光光纤加载的硅光电倍增管结合,形成基于特高频(ultra high frequency,UHF)天线和硅光电倍增管结合的局部放电光–电联合传感技术。在此基础上,通过联合传感器对GIS典型缺陷放电信号进行侦测并作统计分析。结果表明,柔性功分网络加载的四臂螺旋天线在0.5~2.0GHz范围内增益均高于5.0dBi,具有高增益与小型化特性;联合传感器的光信号与特高频信号均与放电量保持线性关系;光电联合传感对于电晕放电、沿面放电和气隙放电具有不同的感知效率,不同缺陷类型的局部放电间隔时间也具有不同的特征。使用光–电联合检测技术能够为GIS中的局部放电检测提供新的、可靠的解决方案。

硅光电倍增管偏置补偿电源电路设计

硅光电倍增管(SiPM)器件具有极强的温度依赖性,其温度变化最终会引起增益漂移,所以为了在温度波动的情况下保持增益相对稳定,该文研发设计了一款光电倍增管的偏置补偿电源电路。该设计通过NTC热敏电阻、STM32L1系列微控制器和精密运放等实现可自动调整电源电路,微控制器通过计算出检测值与真实电压的关系,利用ADC检测值进行反馈调节的方式,最终实现SiPM偏置电压的精确调节。测试结果表明,该系统能补偿温度变化引起的输出电压漂移,该系统提高了探测器偏置电压的稳定性,从线性拟合结果来看,实际和理论偏置电压的线性相关系数为0.999 16,稳压器输出电压纹波电压小于1%。

用于核医学成像的硅光电倍增管光电探测器的研究进展

硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,Si PM)是近年来逐渐兴起的一种用于核医学的光电探测器件,其具有尺寸小、工作电压低、对磁场不敏感等优点,具有替代传统光电倍增管的巨大潜力。本文首先介绍Si PM探测器的相关原理,然后重点阐述Si PM制备的相关工艺,讨论了各种不同工艺的特点及性能。其次,本文列举了针对不同用途所开发的Si PM前端读出专用集成电路,以及相应的电子学性能。最后介绍了有关Si PM探测器应用在PET、PET/MR中的最新进展,并对Si PM探测器的未来发展趋势进行了展望。

硅光电倍增管(SiPM)适配电路设计

硅光电倍增管(Si PM)是一种新型的光电探测器件,具有增益高、灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特点。研究并设计了硅光电倍增管(Si PM)的适配电路,包括电源电路及跨阻放大电路。应用仿真软件对设计的电路进行仿真,并对电路的结构参数进行了优化。最后,制作了适配电路。测试结果表明,该适配电路对频率100 k Hz的光信号有较好的输出响应,输出幅值达到伏级,满足设计要求。

基于波移光纤及硅光电倍增管的钚气溶胶测量系统

钚气溶胶测量是进行钚材料相关实验研究的基础。为了确保辐射安全,常需将钚材料密封于密闭容器内以实现对钚气溶胶的包容,商用钚气溶胶监测设备由于难以放入含钚密闭容器而不适用于该应用场景下钚气溶胶浓度的监测。使用ZnS(Ag)闪烁体作为辐射灵敏材料放置于含钚密闭容器内,通过波移光纤将闪烁体信号引出密闭容器,并通过硅光电倍增管实现对闪烁体信号的采集,使用该技术路线建立的钚气溶胶测量系统能够用于密闭容器内钚气溶胶的测量。该测量系统可根据具体需求实现对探测器尺寸、形状的定制,具有功耗低,结构相对简单等优点,实现了密闭容器内钚气溶胶的远程就地测量,具备n/γ混合辐射场下α粒子甄别测量能力。

基于硅光电倍增管探测器的小动物正电子发射断层成像装置的研究进展

正电子发射断层扫描仪（PET）是目前最先进的核医学成像设备之一，已被广泛应用于医疗诊断、药物开发和基础研究中。它利用正电子核素标记的放射性药物对生物体内的生理或生化过程进行示踪，通过断层成像的方式可无创获得生物体内的功能信息。小动物PET是为小型动物实验专门设计的一种无创伤的分子影像技术，是连接实验科学和临床科学的桥梁，在医药学中具有独特的价值。

LHAASO-WFCTA硅光电倍增管增益温度漂移精确补偿方法

大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)的广角切伦科夫望远镜阵列(Wide Field of View Cherenkov Telescope Array,WFCTA)采用新型的固态半导体探测器硅光电倍增管(silicon photomultiplier tube,SiPM)作为光敏探测器.由于SiPM的增益对温度较为敏感,为使SiPM增益在变温环境下保持稳定,本文研究出了SiPM增益温度漂移的精确补偿方法.该方法通过粗调和细调两个数字电位器的方式实现对低压差线性稳压器(low dropout regulator,LDO)输出偏压的调节,并根据刻度出的模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)监测值与真实偏压的关系,利用ADC的监测值进行反馈调节的方法实现偏压的精确调节,最终实现SiPM增益的精确补偿.通过使用以该方法实现的电路后,在相似温度变化范围内,SiPM的增益波动由补偿前的71.8%降低至0.8%.结果显示该方法能够实现对因温度引起的SiPM增益漂移的很好的补偿.

基于硅光电倍增管对塑料闪烁光纤衰减长度及光产额的研究

作为外靶实验终端(ETF)飞行时间探测的关键探测器,起始时间探测器需满足承受高计数率、高时间分辨和位置分辨等需求。塑料闪烁光纤(PSF)作为起始时间探测器改进方案的一种考虑,其衰减长度、光产额等性能参数将直接影响探测器的实际性能。本工作基于硅光电倍增管(SiPM)和PSF搭建相应的测试平台,系统研究了SiPM SensL MicroFC-SMA-30035和PSF Kuraray SCSF-78J的实际性能。结果表明:所选型号的SiPM具有优秀的单光子分辨能力,在所选工作电压范围内具有高增益及良好的增益线性,且具有较好的线性响应;光子在光纤中的衰减由两种成分组成,芯层光的有效衰减长度为547.4 cm,包层光的有效衰减长度为15.5 cm,光纤有效光产额约为552光子/mm,实际光产额约为968光子/mm。测试结果表明,采用该PSF结合SiPM读出的方式满足新型起始时间探测器的要求。

基于硅光电倍增管的PET前端读出ASIC设计

针对SPM探测器的特点,采用TSMC 0.18μm CMOS工艺,设计了基于SPM的PET前端读出ASIC芯片,包括RGC前置放大器、积分器、整形器、采样保持电路等能量测量电路,以及鉴别器、单稳态电路等时间测量电路.Hspice仿真结果表明,该电路能够完成对SPM探测器输出信号的读出和处理功能,满足PET系统设计要求.

采用硅光电倍增管和塑闪阵列的便携式快中子成像系统的可行性研究

介绍了一种基于硅光电倍增管和塑料闪烁体阵列的小型快中子成像系统。对比X射线成像,快中子成像对低原子序数构成的物质更加灵敏,在工业领域有重要应用。从模拟和实验两方面探讨方案的可行性。利用GEANT4和Python搭建了一套模拟平台,实现从中子到电信号的全物理过程模拟,根据结果进行了图像重建。通过模拟,讨论了能量阈值、闪烁体尺寸对系统探测效率的影响;论述了影响系统成像效果的几个关键因素(中子源焦点大小、源与样品间距、样品的材质和厚度等)。试制了一个小尺寸的成像探测器,并配合氘-氘中子管,对聚乙烯材质的样品进行了成像实验。结果显示:此单元成像效果基本与模拟效果一致,成像图的实际像素尺寸可以达到3 mm×3 mm。以上模拟和实验结果显示基于硅光电倍增管快中子成像系统的可行,为进一步的研究提供了依据。

基于硅光电倍增管的小型辐射测量探头的研制

简述了硅光电倍增管的性能和核辐射探测器的设计方案,重点介绍了辐射测量探头的研制,并在此基础上对基于硅光电倍增管的核辐射探测器的部分性能进行了测试和分析。该研究对核辐射探测器的小型化设计具有一定的参考作用。

硅光电倍增管低温性能应用与研究

硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier)是二十世纪末发明的用于光探测领域的光电探测器件,由工作在盖革模式的雪崩二极管阵列组成。近年来,SiPM以其出色的单光子计数能力被广泛应用于高能物理领域。SiPM具有温度敏感性,低温可有效压制其暗计数,且相比于传统的光电倍增管(Photomultiplier, PMT),SiPM可以由低压供电并在低温环境运行。本文从SiPM工作原理出发,介绍了SiPM在大型实验中的低温应用,并自主搭建降温系统,研究了SiPM温度特性,改变环境温度,实时测量记录SiPM的击穿电压和暗计数率。实验表明,当温度下降时,击穿电压和暗计数率也随之下降。

基于硅光电倍增管和传统光电倍增管两种机型PET/CT临床成像条件下性能研究

目的研究新一代硅光电倍增管(SiPM)正电子发射断层扫描与X射线计算机断层成像设备(PET/CT)与传统光电倍增管(PMT)PET/CT空间分辨力及图像质量,探讨不同的PET光电转换器(PMT与SiPM)和Q.Clear算法对PET空间分辨力、定量精度和图像质量的影响。方法分别使用GE Discovery Elite型PET/CT(PMT PET/CT)和GE Discovery Meaningful Insights(MI)型PET/CT(SiPM PET/CT)对椭圆分辨力模体和NEMA NU2⁃2018图像质量模体成像。使用OSEM+PSF+TOF(VPFX⁃S)算法对所有模体原始数据进行图像重建,MI采集的模体数据额外使用Q.Clear算法重建,β取值范围150~550,间隔100。计算分辨力模体中5条线源在3个层面的径向、切向和轴向半高宽(FWHM)并求平均值。计算图像质量模体中小球的恢复系数(RC)、对比度百分比(CRC)、对比噪声比(CNR)、背景变异百分比(PBV)、背景变异系数(BCV)和不同图像层面肺插件残余误差(RE)。结果MI(VPFX⁃S)与Elite相比,在径向、切向和轴向FWHM分别降低4.25%~13.58%、7.00%~13.22%和6.02%~36.14%,小球RCmax无明显差异。MI(VPFX⁃S)提高小球CRC(10.17%~38.89%)与CNR(38.31%~94.95%),降低PBV(26.20%~33.82%)与BCV(31.29%~35.97%)。MI(Q.Clear)与MI(VPFX⁃S)相比,在径向、切向和轴向FWHM分别降低6.49%~45.02%、7.80%~35.60%和13.31%~36.80%,提高小球CNR(38.31%~94.95%),并降低PBV(26.20%~33.82%)与BCV(6.64%~10.31%),RC无明显差异。MI(Q.Clear)得到的CNR、RE和径向、切向、轴向FWHM均随β增大而增大,RC、CRC、PBV和BCV均随β增大而减小。结论在使用VPFX⁃S重建条件下,与PMT PET/CT相比,新一代SiPM PET/CT在空间分辨力、热灶对比度与探测能力和背景噪声方面均有所提高。相较于OSEM,Q.Clear算法改善了空间分辨力、定量精度与图像质量,但与β的选择有关。β值影响Q.Clear算法带来的收益,对小病灶的最大定量值影响最为明显,这点对提高临床诊断能力尤为重要。

全数字PET关键器件硅光电倍增器研究进展

近年来,硅光电倍增器(SiPM)凭借其出色的性能表现,已经成为正电子发射断层成像(PET)中的首选光电转换器件。SiPM具有单光子分辨能力和低于100 ps的时间分辨率,使得精确测量光子到达时间成为可能,催生了飞行时间PET、光子计数计算机断层扫描、正电子素寿命显像等新兴应用领域,这些应用又对SiPM的性能提出了更高的挑战。因此,如何将SiPM性能推进至其物理极限已成为新一代SiPM的研究的关键方向。在传统的SiPM架构中,信号经过多次处理和模数转换,带来噪声增加和时间性能恶化的问题,从而限制了SiPM的性能潜力。随着半导体制造工艺的快速发展,SiPM可在标准CMOS工艺节点上制造,标志着可以将数字逻辑集成在SiPM器件内,这是SiPM领域的一次重大突破,使我们能在单一SiPM内实现更精确的时间、能量、位置信息获取,为推进SiPM达到性能极限提供了一条可能的途径。本文综述SiPM的发展历史、工作原理和性能参数,分析传统SiPM的局限性,梳理数字SiPM研究的关键问题,介绍当前几种数字化SiPM架构,最后对数字SiPM的关键技术进行总结和展望。

硅光电倍增管在辐射探测领域中的应用进展

光子探测技术在高能物理、天体物理、医学成像等学科领域中扮演着重要的角色。特别是在辐射探测应用中,实现单光子高水平的灵敏探测一直是近几十年以来光电探测器发展的最终目的。硅光电倍增管(SiPM)技术作为理想固态光子探测器研究领域前所未有的尝试,凭借其出色的性能(增益高、偏置电压低、时间响应快速、对磁场不敏感等),吸引着越来越多研究者的关注。围绕SiPM的结构原理,回顾、分类、总结了SiPM在结构、性能及应用等方面近年来取得的研究进展。

硅光电倍增器件(SiPM)的自动增益校正

硅光电倍增器件(SiPM)是近年来逐渐兴起的一种用于PET(Positron Emission Tomography)的光电探测器件。与传统的光电倍增管(PMT)相比,它有着尺寸小、工作电压低、对磁场不敏感等优点,但其缺点是增益对环境温度敏感。在PET探测器的研发中,为了改善温度变化引起的增益漂移,设计了一个SiPM的增益校正系统。该系统通过测量环境温度对SiPM的偏置电压实时调节,从而保证其增益的相对稳定。最后对该系统对温度变化引起的SiPM增益漂移的抑制能力做了定量评估。采用增益校正系统后,在相似的温度变化范围内,SiPM的最大增益漂移由校正前的79.67%减小到11.03%。该结果显示此系统对温度变化引起的SiPM增益漂移具有良好的抑制能力。该系统能够补偿因温度变化引起的SiPM增益漂移,从而提高基于SiPM阵列探测器模块的PET系统的稳定性。

硅光电倍增探测器温度特性分析与实验

SiPM(Silicon Photo-multiplier,硅光电倍增探测器)是近年来逐渐兴起的一种用于光探测领域的光电探测器件。与传统的PMT(Photo-multiplier tube,光电倍增管)相比,它有着尺寸小、工作电压低、几乎不受磁场影响等优点,但其缺点是对环境温度变化较敏感。为了掌握SiPM性能指标随环境温度的变化规律,搭建了SiPM温度特性实验系统,通过改变环境温度来实时测量记录SiPM的雪崩临界电压和增益,从而定量得出SiPM的温度特性,并通过理论计算对实验数据进行分析。结果表明,当环境温度降低时,SiPM的雪崩临界电压随之线性下降,增益随之线性增大。

硅光电倍增器在剂量测量中的应用现状与前景

本文介绍了最近发展的新型硅光电倍增器(SiPM)在剂量测量中的应用现状和前景,分析了其暗计数率高(室温下0.1~10 MHz/mm^2)、对温度敏感、动态范围有限(通常只有2~3个量级)等问题。基于体积小、工作电压低、对磁场不敏感、增益高等特点,硅光电倍增器很适合代替传统的光电倍增管用于便携式剂量仪表。目前,利用脉冲幅度甄别、温度漂移实时修正的方法,可以有效地降低暗计数率高、温度敏感性的影响;但是,即便采用了符合测量、组合探测器等方法,测量范围仍然是限制SiPM在剂量测量应用的主要问题。

一种便携式硅光电倍增器模块及其在射线探测仪中的应用

为了减小便携式射线探测仪的体积,提高仪器在苛刻环境下的使用寿命,研制了一种便携式的硅光电倍增器(SiPM,Silicon photomultiplier)模块,对其参数性能进行测试分析,并考察了其作为便携式乙丙种射线探测仪探头的可行性.将SiPM探测器、高压电路、射频信号放大电路、光收集接口集成在一个比手掌还小的模块中,将SiPM放大后的信号直接用BNC或SMA接口输出,以便进行放射事件计数或波形分析等操作.将SiPM模块代替便携式乙丙种射线探测仪的原配探头,配合碘化钠闪烁体,对60Co放射源进行了测量.测量结果表明,模块对60 Co放射源放射的射线响应明显,放射强度测量结果与用原配探测头测得的结果基本一致,说明将SiPM模块应用于便携式射线探测仪是可行的.