Кремниевый фотоумножитель

В качестве фотоприемника для сцинтилляционных детекторов будут использоваться кремниевые фотоэлектронные умножители.

Рис.5. Конструкция(а), осциллограмма сигналов(б), фотография фоточувствительной поверхности кремниевого фотоумножителя(в).

Кремниевый фотоэлектронный умножитель (SiPM) – это фотоприемник на основе упорядоченного набора p-n переходов (ячеек, пикселей), выполненных на общей подложке[3][4]. Характерный размер ячейки – 30 мкм, число ячеек – порядка 1000 ячеек/мм². Ко всем ячейкам с помощью алюминиевой шины приложено общее напряжение питания, несколько превышающее напряжение пробоя p-n перехода (типичное напряжение питания для SiPM составляет 20-60В). Это позволяет обеспечить работу в гейгеровском режиме. Гейгеровский разряд возникает, если при взаимодействии фотона с веществом ячейки образовался носитель заряда. Разряд прекращается, когда напряжение падает ниже пробойного значения. Спад напряжения обусловлен наличием токоограничивающего резистора у каждой ячейки, который также служит как разделитель между ячейками. Сигнал, снимаемый с одного пикселя, определяется зарядом, образованном в его объеме[]:

Q_{пикселя}=C_{пикселя}*(U_{смещения}-U_пробоя)

Обычно емкость пикселя C_{пикселя} ~ 100 пФ, а разность напряжений составляет всего несколько вольт. Таким образом, заряд, созданный в объеме одного пикселя за один разряд, составляет порядка 10^-12 Кл. Токовые сигналы всех пикселей суммируются на общей нагрузке, поэтому отклик детектора на слабые световые вспышки пропорционален их интенсивности. Суммарный заряд на выходе кремниевого фотоумножителя равен сумме зарядов ото всех сработавших пикселей.

Основная характеристика фотоприемника - эффективность регистрации фотонов, определяется как вероятность регистрации падающего фотона на фотоприемную область SiPM:

ε= <N_{пикселей}>/<N_{фотонов}>

<N_{пикселей}> – среднее число сработавших пикселей, <N_{фотонов}> - среднее число падающих фотонов.

Эффективность регистрации состоит из трех независимых частей:

ε= ε₀*ε_геом*ε_гейгер

Квантовая эффективность ε₀ – вероятность того, что падающий фотон вызовет образование пары носителей заряда, который достигнет области умножения. Квантовая эффективность SiPM может достигать 40%[5]. Пример зависимости квантовой эффективности от длины волны света представлена рисунке 6.

Рис.6. График зависимости квантовой эффективности регистрации от длины волны фотона.

Геометрическая эффективность ε_геом, равная отношению чувствительной к полной площади пикселя, определяет вероятность того, что электрон-дырчатая пара образуется в чувствительной области детектора.

Гейгеровская эффективность ε_гейгер – вероятность того, что образовавшаяся в чувствительной области электрон-дырчатая пара вызовет развитие гейгеровского разряда.

Достоинствами кремниевого фотоумножителя являются:

- нечувствительность к магнитным полям;

- высокий коэффициент усиления: от 10⁵ до 10⁶;

- невысокое напряжение питания: ниже 100В;

- высокое временное разрешение;

- компактные размеры;

- низкая стоимость.

Недостатки SiPM:

- малая чувствительная площадь;

- ограниченный динамический диапазон;

- высокие шумы.

Дописать про SiPM и пластиковые сцинтилляторы

Глава 2. Тестирование прототипа сцинтилляционного детектора антисовпадательной защиты для эксперимента «СИГНАЛ»

2.1

Для проведения работ со сцинтилляционным детектором было принято решение создать собственную установку в радиационной лаборатории кафедры №7, представляющую собой «черный ящик», предназначенный для изоляции детектора от внешней засветки, и систему электроники. Совместно с автором в сборке установки принимали участие сотрудники и студенты кафедры №7. Результат работы представлен на рисунке ХХ.

Рис.ХХ. Черный ящик

2.2

Следующим шагом было создание прототипа антисовпадательной защиты и проверка работоспособности сцинтилляционного детектора, состоящего из пластикового сцинтиллятора Saint-Gobain BC-408, кремниевого фотоумножителя SensL MicroFC 30035-X13 размерами 3х3 мм², и системы электроники.

Рис ХХ. Пластиковый сцинтиллятор

Тестирование сцинтилляторов включало в себя два этапа.

На первом этапе использовалась одна обмотанная белой бумагой сцинтилляционная пластина, к торцу которой на оптической смазке крепились два кремниевых фотоумножителя. Были получены типичные осциллограммы сигналов от атмосферных мюонов, пример которой представлен на рисунке ХХ

Рис ХХ. Сигнал от единичного события (мюон)SiPM с двух каналов.

Рисхх

Рис ХХ. Суммарный сигнал от единичного события (мюон) с двух SiPM

РисХХ

С уверенностью можно сказать, что в двух каналах осциллографа наблюдается сигнал от одного и того же события (мюона), так как время события и форма сигналов схожи. Амплитуда сигнала составила порядка 40 мВ, длительность порядка 200 нс. Несколько различающаяся длительность сигналов и небольшая задержка обусловлены отличием электронных компонентов, используемых в плате для съема сигнала с SiPM.

На втором этапе использовались две пластины сцинтиллятора, к которым подключалось по одному кремниевому фотоумножителю. Сигналы регистрировались с каждого SiPM. Пример осциллограмма представлена на рисунке ХХ.

Рис ХХ. Сигнал 2 пластины 2 SiPM.

В дальнейшем в эксперименте «СИГНАЛ» предполагается, что сигнал с кремниевых фотоумножителей будет поступать на вход компаратора, который вырабатывает запрещающий сигнал стандартной формы. Этот сигнал будет поступать на плату электроники регистрации спектров гамма-излучения ксенонового гамма-детектора на основе ПЛИС. При наличии запрещающего сигнала событие, регистрируемое гамма-детектора, не будет записываться в спектр. На мой взгляд предложение перегружено ><

В ходе работ была собрана электронная схема на основе компаратора AD8651 для работы с сигналами от сцинтилляционного детектора. Электрическая схема подключения представлена на рисунке ХХ.

Рис ХХ Схема …..

AD8561 может работать как от двуполярного, так и от однополярного напряжения питания. В работе использовалась схема однополярного напряжения питания +5 В. Для настройки порога срабатывания используется пин 3 –IN, на который подается пороговое напряжение. Регулировка порога осуществляется с помощью переменного резистора. В эксперименте был установлен порог 60 мВ.

Схема была протестирована с применением генератора. Пример электрического сигнала генератора прямоугольной формы, подававшегося на вход компаратора представлен на рисунке.

Сигнал на выходе схемы представлен на рисунке.

Амплитуда сигнала генератора составлял Х мВ, длительность нс. На выходе компаратора мВ и нс.

Заключение.

В ходе выполнения научной работы была собрана установка для работы со сцинтилляционным детектором и кремниевыми фотоумножителями в условиях изоляции от источников внешнего света.

Для прототипа антисовпадательной защиты эксперимента «СИГНАЛ» были исследованы сцинтилляционные детекторы на основе поливинилтолуоловых пластин. Получены сигналы от атмосферных мюонов.

Для выработки запрещающего сигнала была собрана электрическая схема на основе компаратора AD 8651 и проведено ее испытание с применением генератора электрических сигналов.

В дальнейшем планируется подготовить электронику для работы со схемой антисовпадений и счетчиком атмосферных мюонов.

Список литературы

[1] Проект ИНТЕРГЕЛИОЗОНД. Труды рабочего совещания Таруса, 11-13 мая 2011г. Под ред. В. Д. Кузнецова. Москва 2012

[2] Жигарев А. А., Шамаева Г. Т. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы: Учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — 463 с., ил.

[3] С. Клемин, Ю.Кузнецов, Л.Филатов, П.Бужан, Б.Долгошеин, А.Ильин, Е.Попова. Кремниевый фотоумножитель. Новые возможности. Журнал ЭЛЕКТРОНИКА НТБ от 07. 2007г.

[4] Дипломная работа Шустова А. Е. «Оптимизация параметров охранного сцинтилляционного счётчика для ксенонового гамма-детектора «СИГНАЛ», МИФИ 2011г.

[5] Электронный ресурс производителя кремниевых фотоумножителей Hamamatsu. http://www.hamamatsu.su/

Дата добавления: 2015-07-08