新结构硅光电倍增器及其工作模式研究

Silicon photomultiplier (SiPM) has atrracted much attentions in recent years due to its high gain, high photon detection efficiency,high resolution for single photon detection, fast response, small size, low bias voltage, low cost, insensitive to manetific field.It has potential to replace traditional photomultiplier (PMT) in various applications of low level light detection. However, SiPM is still under development; it has generally shortcomes such as low dynamic range, serious optical cross talk and after pulses,high dark count rate and small area etc.. In order to solve or alleviate these problems, this proposal proposes a new SiPM structure and operation mode, to make it closer to or even exceed the current performance of some mature PMT, so that the SiPM may find more important and more wide applications in high energy physics, astronomy, nuclear imaging and biomedical fields.

硅光电倍增器（SiPM）是近年来受到广泛关注的一种新型半导体探测器，具有增益高、探测效率高、单光子分辨本领强 、响应速度快、体积小、工作电压低、成本低、不易损坏、不受磁场干扰等优点,在许多弱光探测的应用中具有替代传统真空电子器件光电倍增管(PMT)的潜力。不过SiPM还不是很成熟，存在动态范围较小、光学串话和后脉冲较严重、暗计数率较高、面积较小等问题。为了解决或缓解这些问题，本项目提出研究一种新的SiPM结构及工作模式，以使其性能更加接近甚至超过现有某些成熟的PMT，在高能物理、天文观测、核医学成像以及生物医学等领域有更重要和更广泛的应用。

硅光电倍增器（SiPM）是近年来受到广泛关注的一种新型半导体探测器，具有增益高、探测效率高、单光子分辨本领强、响应速度快、体积小、工作电压低、成本低、不易损坏、不受磁场干扰等优点，在许多弱光探测的应用中具有替代传统光电倍增管(PMT)的潜力。不过SiPM还不是很成熟，存在暗计数率较高、动态范围较小和面积较小等问题。为了缓解这些问题，本项目提出并成功研制出了一种双元SiPM器件结构，它由二个独立、呈“叉指”交错设置的外延电阻淬灭型SiPM子单元单片集成而得，通过所述两个子SiPM符合测量的工作模式来甄别真实信号，剔除暗脉冲等噪声，能够大幅度提高SiPM的信噪比。. 本项目所研制的双元SiPM总面积为3mm×3mm，微单元步距约为10微米，填充因子35%。研究结果显示，符合暗计数率随符合时间窗口的减小而减小。当符合时间窗口选为20ns时，符合暗计数率从3.52MHz (SiPM子单元的暗计数率) 降低至505kHz；当符合时间窗口选取为2ns时, 符合暗计数率进一步降低至59.5 kHz，即为每个SiPM子单元暗计数率的1.69%。实验结果验证了我们的想法，并且和理论计算结果相符。研究结果还显示，采用双元SiPM符合测量后信噪比大幅度提高，可以获得很好的符合泊松分布的单光子分辨谱。暗计数率的降低有利于制作更大面积的SiPM，采用我们独特的外延电阻淬灭的基本SiPM器件结构，有利于兼顾大动态范围与高探测效率。SiPM子单元单片集成、封装在同一个管壳内，结构紧凑，方便探测器实际使用。采用某知名品牌数字示波器自带的测量函数和功能，能够大幅度简化符合测量技术，实现两个信号的快速、简便和准确地符合测量。. 如果SiPM的时间分辨率越高，符合测量的时间窗口就可以设定得越窄，双元SiPM符合测量剔除暗脉冲等噪声的效果就越好，因此本项目对外延电阻淬灭型SiPM的时间分辨率等特性开展了深入研究。此外在双元SiPM器件结构基础上，本项目还研究了基于外延电阻淬灭结构的四边形电荷分配位置灵敏SiPM，并对其位置分辨率、位置误差等特性进行了研究。