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.

硅光电倍增器的变温伏安特性及水汽凝结对伏安特性的影响

为了研究硅光电倍增器(SiPM)在低温下能否正常工作,选取了两种典型的SiPM,通过液氮制冷方式,对SiPM在不同温度下的反向伏安特性进行了研究。结果显示,不同SiPM的过偏压范围(V_B^V_b)随温度的变化差别很大,并且微量水蒸气凝结仅对未封装的SiPM伏安特性的V_b^V_B段有明显影响。分析实验结果得出,SiPM正常工作电压的范围在很大程度上受到衬底材料中缺陷和陷阱浓度的影响。在低温下工作的SiPM,要求其衬底材料中缺陷和陷阱的浓度更低。在进行SiPM的低温应用和测量时,应密切监视偏压加在V_b^V_B区间时,器件的电流是否有变化,而不能只观察击穿之前SiPM的漏电情况。

PET应用中的硅光电倍增器研究

本文介绍了硅光电倍增器(SiPM)研制所取得的最新进展及PET应用中SiPM的研究现状。新器件实验室(NDL)制造出光敏面积为2.2mm×2.2mm的SiPM器件,并将SiPM与2mm×2mm×10mm的LYSO晶体耦合,实验结果显示,器件探测FDG 511keV光子的能量分辨率达12.83%,符合时间分辨率达564ps。

大动态范围外延电阻淬灭型硅光电倍增器

外延电阻淬灭型硅光电倍增器(EQR SiPM)的特点是利用硅衬底外延层来制作器件淬灭电阻。为了进一步提高大动态范围EQR SiPM的光子探测效率,并且解决填充因子较低和增益较小等问题,在前期研究工作的基础上研制出微单元尺寸分别为15μm和7μm的EQR SiPM,有源区面积均是1 mm×1 mm。通过改变EQR SiPM的微单元尺寸优化填充因子,有效提高了探测效率与增益;其微单元密度分别是4400个/mm 2和23200个/mm 2,依然保持着较大的动态范围。室温条件下(20℃),工作在5 V过偏压的EQR SiPM至少可分辨13个光电子;15μm和7μm EQR SiPM的增益分别为5.1×105和1.1×105,在400 nm波长下的峰值光探测效率分别达到40%和34%。

高密度外延电阻淬灭硅光电倍增器研究

针对表面淬灭电阻技术引起死区面积较大,以及高光子探测效率与大动态范围不能同时满足的矛盾,应用外延电阻淬灭技术,采用与雪崩光电二极管微单元相连的衬底外延层硅材料制作了淬灭电阻.研制成功的外延电阻淬灭硅光电倍增器的有源区面积为1×1mm^2,微单元尺寸为7μm,微单元密度高达21 488个/mm^2,测试结果表明:漏电流为10量级,反向击穿电压为24.5V,过偏压为2.5V时,增益达1.4×10~5,室温下暗计数率约为600kHz/mm^2,串话率低于10%,说明该器件具有良好的光子计数特性.该高密度硅光电倍增器测量的动态范围是1.8×10~4个/mm,光子探测效率为16%(@λ_(peak)=480nm),恢复时间为8.5ns,单光子分辨能力较高,并且在液氮温度环境能够探测光子,这对于拓展硅光电倍增器在极低温度条件下的应用,比如暗物质测量实验方面具有潜力.

硅光电倍增器剂量仪剂量线性测量及修正

针对γ射线剂量增大时,硅光电倍增器(Si PM)剂量仪线性变差这一问题,利用实验数据拟合出Si PM剂量仪死时间,通过对计数率修正从而改善其用于γ射线剂量测量的剂量线性。实验结果表明,经过计数率修正的Si PM剂量仪不仅对其剂量上限处剂量线性得到较大改善,同时对测量不同能量γ射线源的剂量线性也得到较大改善,相对误差均由20%多减小到1%左右,可以更准确地测量辐射场中γ射线剂量。

外延电阻淬灭型硅光电倍增器的最新研究进展

北京师范大学新器件实验室(NDL)一直致力于研制结构紧凑、工艺相对简单的外延电阻淬灭型硅光电倍增器(silicon photomultiplier with epitaxial quenching resistor,EQR SiPM)。近期为了满足硅光电倍增器(silicon photomultiplier,SiPM)在核医学成像方面的需要,NDL通过优化器件设计和制作工艺,成功研制出微单元尺寸为15μm、有效面积为9 mm~2的EQR SiPM。相较以往同类型器件,实现了器件暗计数率(dark count rate,DCR)的进一步降低同时保持了较高的光子探测效率(photon detection efficiency,PDE),在环境温度为20℃、过偏压为7 V时,DCR的典型值为226 kHz/mm~2、峰值PDE为46%。另外,为了进一步提升EQR SiPM的动态范围,NDL还研制出微单元尺寸为6μm、有效面积为9 mm~2、微单元数目为244720的EQR SiPM,在环境温度为20℃、过偏压为7 V时,DCR的典型值为240 kHz/mm~2、峰值PDE为28%,其较大的动态范围特别适合高能宇宙射线的测量、强子量能器等应用。

利用多像素光子计数器的光学串话效应提高光子探测效率

通过分析多像素光子计数器(MPPC)的工作原理和其光学串话(OC)效应的特点,提出在使用MPPC输出雪崩信号的幅度或电荷量作为光子计数的参量时,利用MPPC的OC效应能提高MPPC的光子探测效率的观点,并从理论上分析了OC效应对光子探测效率的影响。理论分析结果显示,在这两种光子计数模式下,利用OC效应能明显提高MPPC的光子探测效率。利用本文模型计算得出当MPPC的雪崩单元数M为1 600个,忽略OC效应时的光子探测效率等于30%,光学串话概率等于50%,以及单脉冲入射光子数均值为10时,包含OC效应影响的等效光子探测效率可提高50%,达45%左右。该结果对MPPC在天体物理、粒子物理、荧光光谱探测等弱光探测场合的应用有一定指导意义。

强光下多像素光子计数器超动态范围的实验证明与机理分析

现有理论认为多像素光子计数器(MPPC)的动态范围由其雪崩的单元总数决定,如果一个MPPC的单元数为1 000,那么它同时能够探测到的光电子数最多为1 000个.只有激发光脉冲的宽度大于MPPC输出的雪崩脉冲的宽度时,MPPC的一个单元才可以发生多次雪崩,从而使能够探测到的光子数增加.文中利用皮秒短脉冲激光实验分析MPPC的动态范围特性.结果表明,即使入射光脉冲的宽度远小于MPPC输出的雪崩脉冲的宽度,在入射光强度较大时,MPPC输出信号的幅度也可以数倍于其单元总数等效的幅度.在MPPC正常工作时,MPPC的非高电场区(即所谓的死区)也有一定的增益,约为250,高场区的增益在105以上;MPPC的非高电场区应工作在雪崩光电二极管的线性模式.

基于SiPM单光子探测器的荧光光谱仪研究

为了解决激光诱导荧光检测系统存在的光学结构复杂、体积大、成本高以及灵敏度不足等主要问题,研制了一种高灵敏、小型化的荧光光谱仪。该光谱仪以349 nm半导体激光器作为激发光源,采用正交型光路,将4×4窄带滤光片阵列与具有单光子灵敏度的硅光电倍增器(SiPM)阵列耦合,可实现光谱信息的多通道探测,具备结构紧凑、成本较低以及稳定性好等优点。以荧光素钠为测试样品,对光谱仪性能进行了评估。实验结果表明,光谱仪的检测限优于5×10^(−11)mol·L^(−1),在5×10^(−11)mol·L^(−1)到1×10^(−9)mol·L^(−1)的溶液浓度范围内,被测溶液浓度与检测所得荧光强度满足良好的线性关系,线性相关系数为0.99839。此外,光谱仪还具备良好的重复性,荧光峰值强度的相对标准偏差小于10%。因此,该光谱仪兼具灵敏度高、线性度好、重复性与可靠性强等优点,可以满足现场实时检测的需求。

SiPM电流模式前端信号读出电路技术分析

阐述硅光电倍增器(SiPM)阵列信号的前端读出电路存在许多设计难点,包括噪声抑制、功耗高以及灵敏度低的问题。探讨各种不同的前端读出电路的工作原理,提出几种读出电路的设计思路,分析电路结构和性能参数。

一种应用于GIS内部局部放电检测的新型光学传感系统

设计了一种适用于GIS内部局部放电检测的新型SiPM传感系统,具有驱动电压低、体积小、光子转化率高等明显优势。通过局部放电光-电联合检测试验验证了新型SiPM传感系统与光电倍增管(PMT)及高频线圈(HFCT)对局部放电检测结果的一致性,也证明了局部放电相位分析法对SiPM检测结果分析的有效性。在此基础上对SiPM现场安装方式进行了研究和试验,结果表明SiPM传感系统在现场应用中也能取得优异的检测效果,能够为光测法的现场应用提供有效的技术支持。

基于LED纳秒级脉冲的SiPM阵列监测电路

环形正负电子对撞机(CEPC)电磁量能器(ECAL)原型机的探测单元采用硅光电倍增管(SiPM)作为光电转换器件.由于SiPM具有温度依赖性强和响应速度快的特点,需监测电路产生与SiPM响应速度相匹配的脉冲光激发SiPM,对其增益和动态范围进行监测.本文根据模拟仿真结果,设计了基于双NMOS的驱动电路和相应的控制电路,该电路驱动发光二极管(LED)发射纳秒级窄脉冲光,且强度可调.利用光电倍增管(PM T)测得单路LED发光时域特性,脉冲时间宽度约为10 ns.在CEPC ECAL电子学联测中,SiPM监测电路正常工作,批量测得ECAL原型机中SiPM的增益指标,满足原型机的自检需求.

采用SiPM探测三硝基甲苯的时间分辨拉曼光谱

硅光电倍增器(SiPM)是近年来迅速发展起来的新型固态弱光探测器,有望取代传统的光电倍增器(PMT)用于拉曼检测中。为了解决拉曼检测中的荧光干扰以及Si PM的高暗计数率的缺陷,建立了基于SiPM为光探测器的时间分辨拉曼光谱测量系统。以三硝基甲苯(TNT)为样品,重点研究了其拉曼峰的峰本比(PBR)随选通时间的变化规律。结果表明:随着选通时间增大,拉曼峰的PBR呈现先增大后减小的趋势,最后变化缓慢。当选通时间为400 ps时,该方法所测得拉曼峰的PBR要优于商业拉曼谱仪和参考文献[12]采用的门控方法的结果,并且此时系统所记录的Si PM暗计数水平与PMT相当。该方法在很大程度上实现了对样品荧光和Si PM高暗计数率的抑制,显著提高了拉曼谱的PBR。

多像素光子计数器的信噪比特性

以多像素光子计数器(MPPC)的光电特性和实验结果为基础,通过对传统的工作在线性模式下的雪崩光电二极管的信噪比公式进行修正,得到了适用于MPPC的信噪比表达式。对在随机光子探测模式下的信噪比表达式进行了数值计算和实验验证。数值模拟结果显示在随机光子照射下,最小可探测光子通量的量级为103 count/s,最小可探测功率量级为10-15 W。对短脉冲光子探测模式下的光子计数信噪比表达式进行了数值分析,结果显示,利用调节合适的光电子数等效阈值进行光子计数的方法能够大大提高探测器的信噪比,该方法相比于传统的光子探测器有明显而独特的优势,在短脉冲弱光探测的场合,诸如脉冲激光测距、高能粒子物理等方面有较大的应用前景。

小型智能程控SiPM电源设计与验证

硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier,SiPM)作为一种新型光电转换器件,具有增益高(106量级)、功耗低(工作电流在μA量级)、体积小(mm量级)、工作电压低(小于100 V)等优点,相对于传统光电倍增管不受磁场影响。但SiPM存在增益受温度影响大的缺点,温度每上升10℃增益约下降5×105,对于能谱测量和辐射成像应用会产生较大影响。为此,研发了一款小型带电压补偿功能的SiPM专用高压电源模块,并使用能谱测试系统对SiPM的增益特性进行测试。通过不同温度条件下241Amγ能谱中全能峰峰位的对比,验证了电压补偿对于稳定SiPM增益的效果,从5℃到40℃最大增益漂移由补偿前的87.3%下降到了2.76%。这种增益漂移校正有助于拓宽SiPM的应用范围。