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硅光電倍增管(MPPC/SiPM)在脈沖信號下的非線性解析

來源:濱松光子學(xué)商貿(mào)(中國)有限公司 更新時間:2024-08-01 09:17:34 閱讀量:420
導(dǎo)讀:解析

硅光電倍增管(MPPC/SiPM)工作在蓋革模式下,輸出只有兩種狀態(tài):有光子擊中并觸發(fā)雪崩則導(dǎo)通,無光子擊中(也無暗噪聲等)觸發(fā)雪崩則不導(dǎo)通。理想情況下,一個光子進入一個像素,產(chǎn)生一個等效光子信號,兩個光子進入兩個像素產(chǎn)生兩個等效光子信號,以此類推。實際情況下,兩個光子同時進入同一個像素并觸發(fā)雪崩,此時這兩個光子也只產(chǎn)生一個等效光子信號,導(dǎo)致了飽和。輸出波形如圖:
這種飽和不同于PMT的飽和,PMT的飽和是因為空間電荷效應(yīng)導(dǎo)致電子不能繼續(xù)被加速,一旦PMT飽和,我們無法得知擊中光陰極的光子數(shù)。而MPPC的飽和可以用簡單的數(shù)學(xué)模型來描述,這樣就可以從MPPC的輸出去反推擊中MPPC的光子數(shù)。
基于同時入射情況,如光源為窄脈沖光,同時入射光子的動態(tài)范圍由像素數(shù)(正相關(guān))和MPPC的光子探測效率(負相關(guān))決定。

在上面的公式中涉及到如下:

① N_ fired指的是MPPC實際發(fā)生雪崩的像素數(shù)量,輸出信號幅度和N_fired成正比;
② N_total指的是MPPC的總的像素數(shù)量,如S13360-3050CS的像素數(shù)量3600個;
③ N_photon指的是入射到MPPC表面的光子數(shù);
④ PDE指的是光子探測效率,但一般不會去降低PDE來提高MPPC的動態(tài)范圍。

實際套用這個公式時,就需要理解它的使用場合,這里補充些它的假設(shè)和推導(dǎo)過程:我們假設(shè)光源為窄脈沖光,那么光子將同時到達MPPC的表面。再次假設(shè)光源距離MPPC較遠,那么光子將均勻地打在MPPC的任何一個像素上。以上假設(shè)后,類似于往N個盒子里隨機放m個小球,結(jié)果有N個盒子里有小球的數(shù)學(xué)模型是一樣的。對于任意一個小球隨機放入N個盒子中,落入每個盒子內(nèi)的概率為p=1/N,對于m個小球放入N個盒子,則是典型的二項式分布,1個盒子內(nèi)有k小球的概率是:


那么這樣的盒子總共就有Np(k;m, p)個,而有小球的盒子(k>0)的個數(shù)則是:


對應(yīng)到MPPC的情況,就是:


對于濱松S13360-3050CS這款MPPC產(chǎn)品,N_total為3600,光源波長450  nm,PDE為40%。帶入公式,看MPPC實際發(fā)生雪崩的像素數(shù)與入射光子數(shù)的關(guān)系:
以下是非線性度隨入射光子數(shù)的關(guān)系:

當(dāng)入射光子數(shù)達到2000時,非線性度有10%。因此在測試較大的脈沖光強時,需考慮對輸出信號進行修正。
此外,選擇更小尺寸的像素,相同面積下的像素數(shù)量更多,非線性效應(yīng)將減弱,如對于S13360-3025CS,通過重復(fù)相同的計算和繪圖,我們發(fā)現(xiàn)10%的非線性點在大約12000光子。

然而,并不是像素越小越好,小像素尺寸會犧牲一定的PDE和增益性能。

總結(jié)


MPPC的非線性可以通過簡單的數(shù)學(xué)模型進行修正,選擇更小像素的MPPC,可以有效降低MPPC的非線性程度。然而,并不是像素越小越好,小像素尺寸會犧牲一定的PDE和增益性能,實際選型過程中,需權(quán)衡其他性能。
編輯:又又&

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