陳忠祥+武曉東+吳云良+王策+裴智果

摘要： 為了實現(xiàn)硅光電倍增管（silicon photomultiplier，SIPM）對超出光子計數(shù)極限的微弱脈沖光信號的測量，建立了基于SIPM積分工作模式的脈沖光檢測系統(tǒng)。測試了SIPM在同一光信號照射下，偏置電壓與增益以及信噪比之間的關系，并測試了同一增益條件下，SIPM對不同光信號的響應特性。結果表明：SIPM在積分工作模式下，其增益可以達到104以上，并隨著偏置電壓的增加而指數(shù)增長；其信噪比也隨著電壓的增加而增加，在光強比較微弱的情況下，SIPM對光強是線性響應的。所設計的系統(tǒng)可以在一定程度上替代光電倍增管進行微弱脈沖光信號的測量。

關鍵詞： 硅光電倍增管（SIPM）； 多像素光子計數(shù)器（MPPC）； 微弱光檢測

中圖分類號： TN 29； TH 741文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.002

引言近年來出現(xiàn)了一種稱為硅光電倍增管的器件，其實質是由工作在蓋革模式的雪崩二極管（avalanche photo diode，APD）陣列組成，濱松公司的這種產(chǎn)品被稱為多像素光子計數(shù)器（multipixel photon counter，MPPC），SENSL公司的這種產(chǎn)品稱為硅光電倍增（silicon photomultiplier，SIPM）。它工作在蓋革模式下時，增益可達到106，接近光電倍增管（photomultiplier tube，PMT）的增益水平，探測能力稍低于PMT，最低可以測量幾百飛瓦量級的超微弱光信號。并且SIPM偏置電壓小于100 V，具有硅基的全固態(tài)結構，集成度高、抗干擾能力強的特點，可以克服PMT操作電壓高、量子效率低、不能在強磁場中工作的缺點，價格僅為PMT的1/10，因此在超微弱光信號探測領域具有很大的潛力。國際上關于SIPM的報道主要集中在核物理、正電子發(fā)射斷層掃描成像（PET）等領域。2003年俄羅斯莫斯科工程與物理研究所Buzhan等[1]報道了SIPM在閃爍光纖檢測器、塑料閃爍體波長頻移、切倫科夫成像計數(shù)器等方面的應用，2006年日本濱松光子Yamamoto等[2]詳細介紹了其商業(yè)化產(chǎn)品SIPM（MPPC）的增益、量子效率、噪聲等特性，關于SIPM其他方面的應用美國加利福利亞大學Roncali等[3]作了詳細的總結。在國內Xi等開展了SIPM在PET成像領域的研究[4]，趙帥等[56]進行了SIPM在激光主動探測方面的研究，聶瑞杰等[7]開展了SIPM在水下激光三維成像技術的研究。在這些研究報道中，光信號都非常微弱，SIPM工作于光子計數(shù)模式，而對光信號稍強、光子脈沖信號疊加、計數(shù)模式失效的情況鮮見報道。本文設計了一套基于SIPM的脈沖光信號測量裝置，旨在研究SIPM對微弱脈沖光信號進行探測過程中光強超出光子計數(shù)極限的情況，實現(xiàn)以SIPM代替昂貴的PMT進行微弱光信號的測量的目標。1SIPM工作原理SIPM中的每個APD單元都是工作在蓋革模式下的，其偏置電壓大于擊穿電壓，這種模式下，增益達105～106，一個光子就會導致雪崩，從而電壓快速下降，在放電完成重新充電達到原來的電壓之前，該單元是無法再探測到光子的。因此目前大多數(shù)的研究工作都是基于光子計數(shù)模式。光學儀器第36卷

第6期陳忠祥，等：SIPM在脈沖光檢測系統(tǒng)中的應用研究

由于光子計數(shù)工作模式下，需要先對光子脈沖進行整形，如果多光子脈沖相互重疊，無法進行有效的脈沖整形，從而無法進行光子計數(shù)，SIPM對不同強度光信號的響應如圖1所示。當光強比較微弱時，每個光子脈沖相互獨立（見圖1（a）），可以實現(xiàn)光子計數(shù)；當光強增加，多個光子脈沖相互疊加并且出現(xiàn)重疊（見圖1（b）），這樣是無法進行計數(shù)的，需要采用積分測量模式。本文所介紹的系統(tǒng)適用于積分模式。

2基于SIPM的大動態(tài)范圍熒光檢測系統(tǒng)設計系統(tǒng)由SIPM及其高壓偏置模塊HV BIAS、驅動模塊、數(shù)據(jù)采集模塊[8]、計算機等組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。脈沖光信號經(jīng)過SIPM轉化為電流信號，進入阻抗變換放大器（TIA）轉化為電壓信號，其輸出信號為快速光子脈沖信號，受AD的采樣率限制，先將其進行抗混疊濾波，之后信號由采集卡模塊將模擬信號數(shù)字化之后送入PC中進行數(shù)據(jù)處理，從而得到光信號的大小。由于有抗混疊濾波器的存在，顯然本系統(tǒng)測量的信號為光子脈沖平均信號，本質上是系統(tǒng)帶寬限制下的多光子脈沖疊加的平均信號，反映了小于系統(tǒng)帶寬頻率變化的光信號，且濾除了光子脈沖以及光強更高頻率的變化細節(jié)。在測試脈沖光信號時，只需要保證系統(tǒng)帶寬大于脈沖信號的帶寬，就可以保證信號被準確地測量。圖3SIPM檢測系統(tǒng)框圖

Fig.3SIPM test system3實驗裝置及系統(tǒng)測試由于沒有系統(tǒng)測試所需的標定光強的光源，實驗采用10 kHz，占空比為4%的脈沖波形驅動LED，再通過改變可調衰減器的衰減系數(shù)來達到調整信號強度的目的。為了標定光信號的強度，將光束分為兩束，采用PMT測試其中一路光的強度。系統(tǒng)框圖如圖3所示，LED光源發(fā)出的光經(jīng)過可調衰減器之后，被透鏡準直，然后被分束鏡分為兩束光，分別被接收透鏡會聚到SIPM和PMT光敏面上，輸出信號被采集卡采集，并送入計算機處理。SIPM器件采用日本濱松公司的MPPC S10362025，其增益可以達到2.75×105，偏置電壓為73.53 V，SIPM的關鍵驅動電路圖如圖4（a）所示，經(jīng)過機械封裝，實物如圖4（b）所示。濾波器帶寬限制為1 MHz，采集卡采用TI公司的ADS5560，采樣率為25 MS/s，分辨率為16 bit，F(xiàn)PGA采用Xilinx XC3S1600E，具有200萬邏輯門。按照設計方案搭建的測試系統(tǒng)如圖4（c）所示，測試所得的PMT及SIPM的信號輸出如圖4（d）所示。

實驗使用的主要元件及技術指標如表1所示。

4實驗結果及討論

4.1系統(tǒng)增益特性研究SIPM的輸出為其光信號與其光子探測效率以及增益的乘積，在光強不變的情況下，SIPM的輸出與增益之間只相差一個常數(shù)（光強和光子探測效率的乘積）。因此，可以在同一光強信號下，用SIPM的輸出名稱及型號主要指標廠商SIPM：S10362025光敏面大小1 mm×1 mm暗計數(shù)8.05×104 s-1

增益2.75×105日本濱松PMT：H1072020陽極靈敏度1.5×105 A/W暗電流10 nA日本濱松LED：L10762帶寬70 MHzI=20 mA，P=1 mW日本濱松可調衰減器：GCO07相對密度0～3300°連續(xù)可調大恒光電采集卡：ADS5560采樣率25 MS/s分辨率16 bit德州儀器FPGA：XC3S1600E200萬邏輯門賽靈思與偏置電壓的關系來表征其增益與偏置電壓的關系。使用所設計系統(tǒng)，保證光強不變，調整SIPM的偏置電壓，測得其輸出值，如圖5所示，SIPM輸出隨著偏置電壓增大而類似指數(shù)趨勢增加。 為了較為準確地擬合出兩者的關系，使參數(shù)不過大，將曲線右移至73 V，即以（x-73）為參數(shù)，用指數(shù)y=aexp（bx）對測量值進行擬合（其中a，b為擬合參數(shù)），得到擬合曲線為y=27.315 5exp（0.965 6（x-73））（1）由圖5可以看出，測量值與擬合曲線幾乎完全吻合，擬合參數(shù)R2達到了0.994 7，顯然，SIPM的總增益和偏置電壓的關系可以用指數(shù)函數(shù)來近似描述。此結果與日本濱松公司的Yamamoto等[2]給出的SIPM輸出與偏置電壓呈線性關系并不矛盾，Yamamoto等給出的輸出和偏置電壓呈線性關系是指單光子脈沖的增益，而本系統(tǒng)測量的是多光子脈沖疊加之后的平均值。Yamamoto等同時也給出了光子串擾率（crosstalk rate）隨著偏置電壓的升高而迅速增加，另外從日本濱松公司的數(shù)據(jù)手冊上還可以看到余脈沖率（after pulse rate）以及光子探測率（photo detection efficiency）也會隨著偏置電壓的升高而增加。在本系統(tǒng)中，假設單個光子的脈沖增益如Yamamoto等所描述的那樣線性增加，那么再加上串擾率，余脈沖率，光子探測率都會隨著偏置電壓的增加而增加。所以隨著偏置電壓的增加，同樣的光強信號被本文設計的SIPM系統(tǒng)探測時，輸出信號就會隨著電壓增加而呈指數(shù)增長。測試結果表明，增益隨著電壓的增加而指數(shù)增長，正說明了這一現(xiàn)象。按照上述同樣的方法，關閉光源，調整偏置電壓，測試系統(tǒng)的噪聲均方根值RMS，結果如圖6所示。實線所示（其縱坐標為右邊的縱坐標），噪聲均方根值最低為445 μV，隨著偏置電壓增加，系統(tǒng)噪聲增加，在超過73 V以后，迅速增加。將圖5中SIPM輸出的信號值與噪聲均方根值相除得到系統(tǒng)信噪比如圖6所示，信噪比隨著偏置電壓的增加而增加，當達到73.53 V時，信噪比達到最大值，說明73.53 V之后，噪聲具有比信號增益更高階的增長。這與表1中所示的SIPM的技術指標中推薦的偏置電壓73.53 V相一致，即該推薦偏置電壓下，SIPM的信噪比最大。

4.2系統(tǒng)光強響應分析適當調整SIPM的偏置電壓，使其不會出現(xiàn)飽和。保持SIPM的偏置電壓為72.72 V不變，調整PMT的增益為4×104，改變光強，測得光強（PMT輸出）和SIPM輸出的關系如圖7所示，對其進行線性擬合得到y(tǒng)=1.237 2x+2.253 9（2）擬合精度R2=0.999 7，表明SIPM的輸出隨光信號的增加而線性增加。SIPM的輸出為PMT輸出信號強度的1.237 2倍，考慮到SIPM對光沒有完全收集，以及兩者的量子效率不同和光譜響應曲線的差別，不易精確計算增益，但是兩者的輸出信號的大小相差不大，說明在偏置電壓72.72 V下，SIPM的增益和PMT的增益為同一量級，達到104。

由于SIPM是工作在蓋革模式下的，當某個單元接收到一個光子后，立刻發(fā)生雪崩并在很短的時間（大概幾納秒）內淬滅，然后電壓需要有更長一點的時間（幾十到幾百納秒）恢復到蓋革模式的狀態(tài)。因此，隨著光強的增大，單位時間內入射的光子數(shù)變多，一個單元接受到光子發(fā)生淬滅而電壓沒有恢復到蓋革模式之前，再被光子打到的概率增大，此時該單元對光子沒有光子脈沖響應，這必然會導致輸出信號與輸入的光子數(shù)不成線性關系。事實上，其探測到的光子數(shù)和入射的光子數(shù)的關系為Ndetect=Npix（1-e-Nphoton/Npix）（3）式中，Ndetect為探測到的光子數(shù)，Nphoton為入射的光子乘以光探測效率，Npix為SIPM中的APD單元數(shù)。e-x泰勒展開式為e-x=1-x1！+x22！-x33！+…，-∞

參考文獻：

[1]BUZHAN P，DOLGOSHEIN B，F(xiàn)ILATOV L，et al.Silicon photomultiplier and its possible applications[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2003，504（1）：4852.

4.1系統(tǒng)增益特性研究SIPM的輸出為其光信號與其光子探測效率以及增益的乘積，在光強不變的情況下，SIPM的輸出與增益之間只相差一個常數(shù)（光強和光子探測效率的乘積）。因此，可以在同一光強信號下，用SIPM的輸出名稱及型號主要指標廠商SIPM：S10362025光敏面大小1 mm×1 mm暗計數(shù)8.05×104 s-1

增益2.75×105日本濱松PMT：H1072020陽極靈敏度1.5×105 A/W暗電流10 nA日本濱松LED：L10762帶寬70 MHzI=20 mA，P=1 mW日本濱松可調衰減器：GCO07相對密度0～3300°連續(xù)可調大恒光電采集卡：ADS5560采樣率25 MS/s分辨率16 bit德州儀器FPGA：XC3S1600E200萬邏輯門賽靈思與偏置電壓的關系來表征其增益與偏置電壓的關系。使用所設計系統(tǒng)，保證光強不變，調整SIPM的偏置電壓，測得其輸出值，如圖5所示，SIPM輸出隨著偏置電壓增大而類似指數(shù)趨勢增加。 為了較為準確地擬合出兩者的關系，使參數(shù)不過大，將曲線右移至73 V，即以（x-73）為參數(shù)，用指數(shù)y=aexp（bx）對測量值進行擬合（其中a，b為擬合參數(shù)），得到擬合曲線為y=27.315 5exp（0.965 6（x-73））（1）由圖5可以看出，測量值與擬合曲線幾乎完全吻合，擬合參數(shù)R2達到了0.994 7，顯然，SIPM的總增益和偏置電壓的關系可以用指數(shù)函數(shù)來近似描述。此結果與日本濱松公司的Yamamoto等[2]給出的SIPM輸出與偏置電壓呈線性關系并不矛盾，Yamamoto等給出的輸出和偏置電壓呈線性關系是指單光子脈沖的增益，而本系統(tǒng)測量的是多光子脈沖疊加之后的平均值。Yamamoto等同時也給出了光子串擾率（crosstalk rate）隨著偏置電壓的升高而迅速增加，另外從日本濱松公司的數(shù)據(jù)手冊上還可以看到余脈沖率（after pulse rate）以及光子探測率（photo detection efficiency）也會隨著偏置電壓的升高而增加。在本系統(tǒng)中，假設單個光子的脈沖增益如Yamamoto等所描述的那樣線性增加，那么再加上串擾率，余脈沖率，光子探測率都會隨著偏置電壓的增加而增加。所以隨著偏置電壓的增加，同樣的光強信號被本文設計的SIPM系統(tǒng)探測時，輸出信號就會隨著電壓增加而呈指數(shù)增長。測試結果表明，增益隨著電壓的增加而指數(shù)增長，正說明了這一現(xiàn)象。按照上述同樣的方法，關閉光源，調整偏置電壓，測試系統(tǒng)的噪聲均方根值RMS，結果如圖6所示。實線所示（其縱坐標為右邊的縱坐標），噪聲均方根值最低為445 μV，隨著偏置電壓增加，系統(tǒng)噪聲增加，在超過73 V以后，迅速增加。將圖5中SIPM輸出的信號值與噪聲均方根值相除得到系統(tǒng)信噪比如圖6所示，信噪比隨著偏置電壓的增加而增加，當達到73.53 V時，信噪比達到最大值，說明73.53 V之后，噪聲具有比信號增益更高階的增長。這與表1中所示的SIPM的技術指標中推薦的偏置電壓73.53 V相一致，即該推薦偏置電壓下，SIPM的信噪比最大。

4.2系統(tǒng)光強響應分析適當調整SIPM的偏置電壓，使其不會出現(xiàn)飽和。保持SIPM的偏置電壓為72.72 V不變，調整PMT的增益為4×104，改變光強，測得光強（PMT輸出）和SIPM輸出的關系如圖7所示，對其進行線性擬合得到y(tǒng)=1.237 2x+2.253 9（2）擬合精度R2=0.999 7，表明SIPM的輸出隨光信號的增加而線性增加。SIPM的輸出為PMT輸出信號強度的1.237 2倍，考慮到SIPM對光沒有完全收集，以及兩者的量子效率不同和光譜響應曲線的差別，不易精確計算增益，但是兩者的輸出信號的大小相差不大，說明在偏置電壓72.72 V下，SIPM的增益和PMT的增益為同一量級，達到104。

由于SIPM是工作在蓋革模式下的，當某個單元接收到一個光子后，立刻發(fā)生雪崩并在很短的時間（大概幾納秒）內淬滅，然后電壓需要有更長一點的時間（幾十到幾百納秒）恢復到蓋革模式的狀態(tài)。因此，隨著光強的增大，單位時間內入射的光子數(shù)變多，一個單元接受到光子發(fā)生淬滅而電壓沒有恢復到蓋革模式之前，再被光子打到的概率增大，此時該單元對光子沒有光子脈沖響應，這必然會導致輸出信號與輸入的光子數(shù)不成線性關系。事實上，其探測到的光子數(shù)和入射的光子數(shù)的關系為Ndetect=Npix（1-e-Nphoton/Npix）（3）式中，Ndetect為探測到的光子數(shù)，Nphoton為入射的光子乘以光探測效率，Npix為SIPM中的APD單元數(shù)。e-x泰勒展開式為e-x=1-x1！+x22！-x33！+…，-∞

參考文獻：

[1]BUZHAN P，DOLGOSHEIN B，F(xiàn)ILATOV L，et al.Silicon photomultiplier and its possible applications[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2003，504（1）：4852.

4.1系統(tǒng)增益特性研究SIPM的輸出為其光信號與其光子探測效率以及增益的乘積，在光強不變的情況下，SIPM的輸出與增益之間只相差一個常數(shù)（光強和光子探測效率的乘積）。因此，可以在同一光強信號下，用SIPM的輸出名稱及型號主要指標廠商SIPM：S10362025光敏面大小1 mm×1 mm暗計數(shù)8.05×104 s-1

增益2.75×105日本濱松PMT：H1072020陽極靈敏度1.5×105 A/W暗電流10 nA日本濱松LED：L10762帶寬70 MHzI=20 mA，P=1 mW日本濱松可調衰減器：GCO07相對密度0～3300°連續(xù)可調大恒光電采集卡：ADS5560采樣率25 MS/s分辨率16 bit德州儀器FPGA：XC3S1600E200萬邏輯門賽靈思與偏置電壓的關系來表征其增益與偏置電壓的關系。使用所設計系統(tǒng)，保證光強不變，調整SIPM的偏置電壓，測得其輸出值，如圖5所示，SIPM輸出隨著偏置電壓增大而類似指數(shù)趨勢增加。 為了較為準確地擬合出兩者的關系，使參數(shù)不過大，將曲線右移至73 V，即以（x-73）為參數(shù)，用指數(shù)y=aexp（bx）對測量值進行擬合（其中a，b為擬合參數(shù)），得到擬合曲線為y=27.315 5exp（0.965 6（x-73））（1）由圖5可以看出，測量值與擬合曲線幾乎完全吻合，擬合參數(shù)R2達到了0.994 7，顯然，SIPM的總增益和偏置電壓的關系可以用指數(shù)函數(shù)來近似描述。此結果與日本濱松公司的Yamamoto等[2]給出的SIPM輸出與偏置電壓呈線性關系并不矛盾，Yamamoto等給出的輸出和偏置電壓呈線性關系是指單光子脈沖的增益，而本系統(tǒng)測量的是多光子脈沖疊加之后的平均值。Yamamoto等同時也給出了光子串擾率（crosstalk rate）隨著偏置電壓的升高而迅速增加，另外從日本濱松公司的數(shù)據(jù)手冊上還可以看到余脈沖率（after pulse rate）以及光子探測率（photo detection efficiency）也會隨著偏置電壓的升高而增加。在本系統(tǒng)中，假設單個光子的脈沖增益如Yamamoto等所描述的那樣線性增加，那么再加上串擾率，余脈沖率，光子探測率都會隨著偏置電壓的增加而增加。所以隨著偏置電壓的增加，同樣的光強信號被本文設計的SIPM系統(tǒng)探測時，輸出信號就會隨著電壓增加而呈指數(shù)增長。測試結果表明，增益隨著電壓的增加而指數(shù)增長，正說明了這一現(xiàn)象。按照上述同樣的方法，關閉光源，調整偏置電壓，測試系統(tǒng)的噪聲均方根值RMS，結果如圖6所示。實線所示（其縱坐標為右邊的縱坐標），噪聲均方根值最低為445 μV，隨著偏置電壓增加，系統(tǒng)噪聲增加，在超過73 V以后，迅速增加。將圖5中SIPM輸出的信號值與噪聲均方根值相除得到系統(tǒng)信噪比如圖6所示，信噪比隨著偏置電壓的增加而增加，當達到73.53 V時，信噪比達到最大值，說明73.53 V之后，噪聲具有比信號增益更高階的增長。這與表1中所示的SIPM的技術指標中推薦的偏置電壓73.53 V相一致，即該推薦偏置電壓下，SIPM的信噪比最大。

4.2系統(tǒng)光強響應分析適當調整SIPM的偏置電壓，使其不會出現(xiàn)飽和。保持SIPM的偏置電壓為72.72 V不變，調整PMT的增益為4×104，改變光強，測得光強（PMT輸出）和SIPM輸出的關系如圖7所示，對其進行線性擬合得到y(tǒng)=1.237 2x+2.253 9（2）擬合精度R2=0.999 7，表明SIPM的輸出隨光信號的增加而線性增加。SIPM的輸出為PMT輸出信號強度的1.237 2倍，考慮到SIPM對光沒有完全收集，以及兩者的量子效率不同和光譜響應曲線的差別，不易精確計算增益，但是兩者的輸出信號的大小相差不大，說明在偏置電壓72.72 V下，SIPM的增益和PMT的增益為同一量級，達到104。

由于SIPM是工作在蓋革模式下的，當某個單元接收到一個光子后，立刻發(fā)生雪崩并在很短的時間（大概幾納秒）內淬滅，然后電壓需要有更長一點的時間（幾十到幾百納秒）恢復到蓋革模式的狀態(tài)。因此，隨著光強的增大，單位時間內入射的光子數(shù)變多，一個單元接受到光子發(fā)生淬滅而電壓沒有恢復到蓋革模式之前，再被光子打到的概率增大，此時該單元對光子沒有光子脈沖響應，這必然會導致輸出信號與輸入的光子數(shù)不成線性關系。事實上，其探測到的光子數(shù)和入射的光子數(shù)的關系為Ndetect=Npix（1-e-Nphoton/Npix）（3）式中，Ndetect為探測到的光子數(shù)，Nphoton為入射的光子乘以光探測效率，Npix為SIPM中的APD單元數(shù)。e-x泰勒展開式為e-x=1-x1！+x22！-x33！+…，-∞

參考文獻：

[1]BUZHAN P，DOLGOSHEIN B，F(xiàn)ILATOV L，et al.Silicon photomultiplier and its possible applications[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2003，504（1）：4852.