光学仪器  2014, Vol. Issue (6): 476-480   PDF    
SIPM在脉冲光检测系统中的应用研究
陈忠祥, 武晓东, 吴云良, 王策, 裴智果     
中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
摘要:为了实现硅光电倍增管(silicon photomultiplier,SIPM)对超出光子计数极限的微弱脉冲光信号的测量,建立了基于SIPM积分工作模式的脉冲光检测系统。测试了SIPM在同一光信号照射下,偏置电压与增益以及信噪比之间的关系,并测试了同一增益条件下,SIPM对不同光信号的响应特性。结果表明:SIPM在积分工作模式下,其增益可以达到104以上,并随着偏置电压的增加而指数增长;其信噪比也随着电压的增加而增加,在光强比较微弱的情况下,SIPM对光强是线性响应的。所设计的系统可以在一定程度上替代光电倍增管进行微弱脉冲光信号的测量。
关键词硅光电倍增管(SIPM)     多像素光子计数器(MPPC)     微弱光检测    
Study on silicon photomultiplier (SIPM) in optical pulse measurement system
CHEN Zhongxiang, WU Xiaodong, WU Yunliang, WANG Ce, PEI Zhiguo    
Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Science, Suzhou 215163, China
Abstract: In order to utilize silicon photomultiplier (SIPM) to measure the weak optical pulses exceeding photo counting limit, a SIPM-based-on optical pulse measurement system was established. Firstly, we test the relationships between the gain and the SIPM bias voltage, as well as the signal to noise ratio and SIPM bias voltage, under the condition of the same light. Then, under the same bias voltage, the optical intensity response characteristic of SIPM was investigated. The results show that, when the SIPM works in the integration mode, its gain is larger than 104, and increases in exponential growth with the SIPM bias voltage. The SIPM has a linear response of the weak optical pulses. In a word, this SIPM-based-on optical signal measurement system can be used to measure weak optical pulses instead of photomultiplier tube's.
Key words: silicon photomultiplier(SIPM)     multi-pixel photon counter(MPPC)     weak optical measurement    
引 言

近年来出现了一种称为硅光电倍增管的器件,其实质是由工作在盖革模式的雪崩二极管(avalanche photo diode,APD)阵列组成,滨松公司的这种产品被称为多像素光子计数器(multi-pixel photon counter,MPPC),SENSL公司的这种产品称为硅光电倍增(silicon photomultiplier,SIPM)。它工作在盖革模式下时,增益可达到106,接近光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)的增益水平,探测能力稍低于PMT,最低可以测量几百飞瓦量级的超微弱光信号。并且SIPM偏置电压小于100 V,具有硅基的全固态结构,集成度高、抗干扰能力强的特点,可以克服PMT操作电压高、量子效率低、不能在强磁场中工作的缺点,价格仅为PMT的1/10,因此在超微弱光信号探测领域具有很大的潜力。

国际上关于SIPM的报道主要集中在核物理、正电子发射断层扫描成像(PET)等领域。2003年俄罗斯莫斯科工程与物理研究所Buzhan等[1]报道了SIPM在闪烁光纤检测器、塑料闪烁体波长频移、切伦科夫成像计数器等方面的应用,2006年日本滨松光子Yamamoto等[2]详细介绍了其商业化产品SIPM(MPPC)的增益、量子效率、噪声等特性,关于SIPM其他方面的应用美国加利福利亚大学Roncali等[3]作了详细的总结。在国内Xi等开展了SIPM在PET成像领域的研究[4],赵帅等[5, 6]进行了SIPM在激光主动探测方面的研究,聂瑞杰等[7]开展了SIPM在水下激光三维成像技术的研究。在这些研究报道中,光信号都非常微弱,SIPM工作于光子计数模式,而对光信号稍强、光子脉冲信号叠加、计数模式失效的情况鲜见报道。本文设计了一套基于SIPM的脉冲光信号测量装置,旨在研究SIPM对微弱脉冲光信号进行探测过程中光强超出光子计数极限的情况,实现以SIPM代替昂贵的PMT进行微弱光信号的测量的目标。

1 SIPM工作原理

SIPM中的每个APD单元都是工作在盖革模式下的,其偏置电压大于击穿电压,这种模式下,增益达105~106,一个光子就会导致雪崩,从而电压快速下降,在放电完成重新充电达到原来的电压之前,该单元是无法再探测到光子的。因此目前大多数的研究工作都是基于光子计数模式。

由于光子计数工作模式下,需要先对光子脉冲进行整形,如果多光子脉冲相互重叠,无法进行有效的脉冲整形,从而无法进行光子计数,SIPM对不同强度光信号的响应如图 1所示。当光强比较微弱时,每个光子脉冲相互独立(见图 1(a)),可以实现光子计数;当光强增加,多个光子脉冲相互叠加并且出现重叠(见图 1(b)),这样是无法进行计数的,需要采用积分测量模式。本文所介绍的系统适用于积分模式。

图 1 SIPM对不同光强的响应 Fig. 1 SIPM′s response of different optical intensities
2 基于SIPM的大动态范围荧光检测系统设计

系统由SIPM及其高压偏置模块HV BIAS、驱动模块、数据采集模块[8]、计算机等组成,系统框图如图 2所示。脉冲光信号经过SIPM转化为电流信号,进入阻抗变换放大器(TIA)转化为电压信号,其输出信号为快速光子脉冲信号,受AD的采样率限制,先将其进行抗混叠滤波,之后信号由采集卡模块将模拟信号数字化之后送入PC中进行数据处理,从而得到光信号的大小。

图 2 SIPM光检测系统框图 Fig. 2 SIPM optical measurement system

由于有抗混叠滤波器的存在,显然本系统测量的信号为光子脉冲平均信号,本质上是系统带宽限制下的多光子脉冲叠加的平均信号,反映了小于系统带宽频率变化的光信号,且滤除了光子脉冲以及光强更高频率的变化细节。在测试脉冲光信号时,只需要保证系统带宽大于脉冲信号的带宽,就可以保证信号被准确地测量。 3 实验装置及系统测试

由于没有系统测试所需的标定光强的光源,实验采用10 kHz,占空比为4%的脉冲波形驱动LED,再通过改变可调衰减器的衰减系数来达到调整信号强度的目的。为了标定光信号的强度,将光束分为两束,采用PMT测试其中一路光的强度。系统框图如图 3所示,LED光源发出的光经过可调衰减器之后,被透镜准直,然后被分束镜分为两束光,分别被接收透镜会聚到SIPM和PMT光敏面上,输出信号被采集卡采集,并送入计算机处理。

图 3 SIPM检测系统框图 Fig. 3 SIPM test system

SIPM器件采用日本滨松公司的MPPC S10362-025,其增益可以达到2.75×105,偏置电压为73.53 V,SIPM的关键驱动电路图如图 4(a)所示,经过机械封装,实物如图 4(b)所示。滤波器带宽限制为1 MHz,采集卡采用TI公司的ADS5560,采样率为25 MS/s,分辨率为16 bit,FPGA采用Xilinx XC3S1600E,具有200万逻辑门。按照设计方案搭建的测试系统如图 4(c)所示,测试所得的PMT及SIPM的信号输出如图 4(d)所示。

图 4 实验测试图 Fig. 4 Experimental test picture

实验使用的主要元件及技术指标如表 1所示。

表 1 SIPM实验主要元件表 Tab. 1 Chief components of SIPM experiment
4 实验结果及讨论 4.1 系统增益特性研究

SIPM的输出为其光信号与其光子探测效率以及增益的乘积,在光强不变的情况下,SIPM的输出与 增益之间只相差一个常数(光强和光子探测效率的乘积)。因此,可以在同一光强信号下,用SIPM的输出与偏置电压的关系来表征其增益与偏置电压的关系。 使用所设计系统,保证光强不变,调整SIPM的偏置电压,测得其输出值,如图 5所示,SIPM输出随着偏置电压增大而类似指数趋势增加。 为了较为准确地拟合出两者的关系,使参数不过大,将曲线右移至73 V,即以(x-73)为参数,用指数y=aexp(bx)对测量值进行拟合(其中a,b为拟合参数),得到拟合曲线为

图 5 SIPM 输出和偏置电压的关系 Fig. 5 Relationship between the SIPM′s response and the bias voltage

图 5可以看出,测量值与拟合曲线几乎完全吻合,拟合参数R2达到了0.994 7,显然,SIPM的总增益和偏置电压的关系可以用指数函数来近似描述。此结果与 日本滨松公司的Yamamoto等[2]给出的SIPM输出与偏置电压呈线性关系并不矛盾,Yamamoto等给出的输出和偏置电压呈线性关系是指单光子脉冲的增益,而本系统测量的是多光子脉冲叠加之后的平均值。Yamamoto等同时也给出了光子串扰率(crosstalk rate)随着偏置电压的升高而迅速增加,另外从日本滨松公司的数据手册上还可以看到余脉冲率(after pulse rate)以及光子探测率(photo detection efficiency)也会随着偏置电压的升高而增加。在本系统中,假设单个光子的脉冲增益如Yamamoto等所描述的那样线性增加,那么再加上串扰率,余脉冲率,光子探测率都会随着偏置电压的增加而增加。所以随着偏置电压的增加,同样的光强信号被本文设计的SIPM系统探测时,输出信号就会随着电压增加而呈指数增长。测试结果表明,增益随着电压的增加而指数增长,正说明了这一现象。

按照上述同样的方法,关闭光源,调整偏置电压,测试系统的噪声均方根值RMS,结果如图 6所示。实线所示(其纵坐标为右边的纵坐标),噪声均方根值最低为445 μV,随着偏置电压增加,系统噪声增加,在超过73 V以后,迅速增加。将图 5中SIPM输出的信号值与噪声均方根值相除得到系统信噪比如图 6所示,信噪比随着偏置电压的增加而增加,当达到73.53 V时,信噪比达到最大值,说明73.53 V之后,噪声具有比信号增益更高阶的增长。这与表 1中所示的SIPM的技术指标中推荐的偏置电压73.53 V相一致,即该推荐偏置电压下,SIPM的信噪比最大。

图 6 SIPM 噪声及信噪比与偏置电压的关系 Fig. 6 Relationship between the SIPM noise and the bias voltage
4.2 系统光强响应分析

适当调整SIPM的偏置电压,使其不会出现饱和。保持SIPM的偏置电压为72.72 V不变,调整PMT的增益为4×104,改变光强,测得光强(PMT输出)和SIPM输出的关系如图 7所示,对其进行线性拟合得到

图 7 SIPM 对不同光强的响应特性 Fig. 7 SIPM′s response to different optical intensities

拟合精度R2=0.999 7,表明SIPM的输出随光信号的增加而线性增加。SIPM的输出为PMT输出信号强度的1.237 2倍,考虑到SIPM对光没有完全收集,以及两者的量子效率不同和光谱响应曲线的差别,不易精确计算增益,但是两者的输出信号的大小相差不大,说明在偏置电压72.72 V下,SIPM的增益和PMT的增益为同一量级,达到104

由于SIPM是工作在盖革模式下的,当某个单元接收到一个光子后,立刻发生雪崩并在很短的时间(大概几纳秒)内淬灭,然后电压需要有更长一点的时间(几十到几百纳秒)恢复到盖革模式的状态。因此,随着光强的增大,单位时间内入射的光子数变多,一个单元接受到光子发生淬灭而电压没有恢复到盖革模式之前,再被光子打到的概率增大,此时该单元对光子没有光子脉冲响应,这必然会导致输出信号与输入的光子数不成线性关系。事实上,其探测到的光子数和入射的光子数的关系为

式中,Ndetect为探测到的光子数,Nphoton为入射的光子乘以光探测效率,Npix为SIPM中的APD单元数。

e-x泰勒展开式为

一阶近似的误差小于x2/2。即当x2/2<3%时,即x<0.24时,可以忽略二阶以上的各项,取一阶近似,即当Nphoton/Npix<0.24时,式(3)取一阶近似简化为

式(5)表明,光强比较小时,SIPM的输出与光强呈线性关系。

实验过程中,增益较大,在光强较小时,就达到了电路输出的最大幅值,因此呈线性关系,同时也说明,SIPM在小于特定的光强范围内,可以实现线性的光强测定。

5 结 论

本文将SIPM以积分工作模式应用于脉冲光测量系统中,研究了该模式下SIPM的工作特性。结果表明:SIPM在积分工作模式下,其增益随着偏置电压的增加而指数增长;其噪声均方根值最小为445 μV,在偏置电压大于73 V时,噪声随着偏置电压的增加快速增长;其信噪比也随着电压的增加而增加,在73.53 V时达到实验光强条件下的信噪比最大值;其增益可以达到104以上。实验结果还表明:虽然SIPM对光信号的响应呈负指数增长,但是,在光强比较微弱的情况下,可以取一阶近似,其光强响应特性可以认为是线性的。

总之,本文所设计的基于SIPM的实验系统,其增益可以达到104以上,噪声最低可以达到445 μV,在小于特定的光强时,其输出是线性响应的,因此其可以一定程度上替代PMT进行微弱光信号的测量。

参考文献
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