多像素光子計(jì)數(shù)器（MPPC）的性能測(cè)試

馬付平 張廣鑫 張高龍 王濤峰

（北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京 100191）

MPPC是由濱松光學(xué)株式會(huì)社開發(fā)的，它最初是在俄羅斯發(fā)展的一種Si-PM（硅光電倍增管）產(chǎn)品.MPPC是一個(gè)基于Si雪崩二極管的光子計(jì)數(shù)裝置，目前已被歐洲核子研究中心（CMS）采用.濱松用 MPPC的商標(biāo)命名了這個(gè)產(chǎn)品[1].MPPC是一種新興的光子計(jì)數(shù)器，全稱“Multi-Pixel Photon Counter”，其中Pixel指一個(gè)工作在雪崩狀態(tài)下的二極管探測(cè)器（APD）[2].MPPC的主要優(yōu)勢(shì)是在較低工作電壓下有較高增益倍數(shù)，可以探測(cè)強(qiáng)度很弱的γ射線[3].該器件的特色是采用了蓋革模式雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)[4]來實(shí)現(xiàn)超低量級(jí)光探測(cè)[5，6].該裝置很容易與外部電路聯(lián)接實(shí)現(xiàn)簡單運(yùn)轉(zhuǎn)，封裝尺寸僅為5mm.該光子計(jì)數(shù)器有效面積為1mm×1mm，有3種工作像素模式100，400及1600pix.每個(gè)像素包含一個(gè)猝熄電路，同時(shí)發(fā)生的光子事件被高精度計(jì)數(shù).該器件的典型增益值為25萬至幾百萬，具體數(shù)值依賴于像素?cái)?shù)量.且對(duì)紫外及藍(lán)光探測(cè)效率更高，靈敏中心波長為400nm.與傳統(tǒng)光電倍增管不同[6]，該器件可在低于90V的電場下運(yùn)轉(zhuǎn)且對(duì)磁場不敏感.濱松光子計(jì)數(shù)器提供該器件的緊湊模塊包含多像素光子計(jì)數(shù)器件（1600pix，400pix）、電流—電壓轉(zhuǎn)換電路、高電壓功率供應(yīng)電路、高速比較電路、計(jì)數(shù)電路及微處理器.光子探測(cè)閾值可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，模塊與計(jì)算機(jī)間通過USB技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信.該型計(jì)數(shù)器是許多領(lǐng)域的理想產(chǎn)品，如：正電子斷層掃描術(shù)、高能物理、DNA排序、熒光測(cè)量、核醫(yī)學(xué)、藥物檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷裝置、環(huán)境分析系統(tǒng)等.

目前在核物理實(shí)驗(yàn)研究方面，有時(shí)需要用到上百路的塑料閃爍探測(cè)器，這就要求在探測(cè)器設(shè)置方面需要小型化，而且性能上要能達(dá)到光電倍增管讀出的塑料閃爍探測(cè)器性能.本文主要從MPPC的基本性質(zhì)著手，進(jìn)行簡單測(cè)試，以便了解和掌握其優(yōu)異的性能，為實(shí)驗(yàn)室開展MPPC讀出閃爍測(cè)器的研究提供重要參考數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室已有的型號(hào)為S10362-33的MPPC，配合使用5cm×5cm和10cm×10cm塑料閃爍體，分別研究了MPPC對(duì)閃爍體時(shí)間分辨、位置分辨等性能.

1.1 MPPC工作電路

MPPC工作電路如圖1所示[6]，但實(shí)際操作中電容電阻的選擇需要視情況而定.我們所用的MPPC型號(hào)為S10362-33，反向擊穿電壓為75V左右.

1.2 測(cè)試電路

如圖2所示，本次實(shí)驗(yàn)采用了分別在5cm×5cm和10cm×10cm塑料閃爍體的四周對(duì)稱放置4個(gè)MPPC的方法來測(cè)定塑料閃爍探測(cè)器的時(shí)間分辨和位置分辨.

圖1 MPPC的工作電路

圖2 實(shí)驗(yàn)連接圖

為了更好地測(cè)試MPPC的時(shí)間性能，每次測(cè)試用相對(duì)的兩個(gè)MPPC進(jìn)行測(cè)量.如圖3所示，為搭建的實(shí)驗(yàn)測(cè)試電子學(xué)線路圖.用90Sr-90Yβ放射源去照射塑料閃爍體，其中相對(duì)的兩個(gè)MPPC收集光子信號(hào)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將兩個(gè)MPPC的電信號(hào)分別經(jīng)過恒比定時(shí)插件584進(jìn)行定時(shí)操作[7].其中將第一路信號(hào)經(jīng)過定時(shí)后的Timing信號(hào)進(jìn)行延遲，并與第二路的BK信號(hào)符合，將符合后的信號(hào)作為start信號(hào)，而第二路的Timing信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)延遲后作為stop信號(hào)，把兩路信號(hào)輸入到時(shí)幅變換器TAC里面，將時(shí)間間隔Δt轉(zhuǎn)成脈沖信號(hào)，將此信號(hào)送入多道脈沖幅度分析器（Multi Channel Analyzer（MCA）），在計(jì)算機(jī)上得到時(shí)間譜，即測(cè)量到時(shí)間譜.

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路圖

1.3 坪曲線測(cè)量

從說明書中可知，型號(hào)為S10362-33的MPPC的工作電壓為75V左右，但是在實(shí)驗(yàn)中觀察到，不同的MPPC工作電壓有一些不同，所以，根據(jù)實(shí)際情況需要測(cè)出實(shí)驗(yàn)所用的各個(gè)MPPC的工作電壓，即坪曲線.圖4為以5cm×5cm的塑料閃爍體上的一個(gè)MPPC為例，得出的坪曲線，選取該MPPC所加電壓為77V.同理，可以得到每一個(gè)MPPC合適的工作電壓.

圖4 MPPC坪曲線測(cè)試圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析

2.1 時(shí)間分辨測(cè)量

圖5 塑閃上選取的點(diǎn)

在上述實(shí)驗(yàn)方案的指導(dǎo)下，綜合考慮到放射源的散射和塑料閃爍體的特性，先在加限束孔和沒加限束孔的情況下，配合使用5cm×5cm塑料閃爍體，測(cè)試了MPPC的時(shí)間分辨.在5cm×5cm塑料閃爍體上選取了9個(gè)點(diǎn)，如圖5所示.表1是在有、無限束孔情況下，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).對(duì)時(shí)間分辨通常采用時(shí)間譜中測(cè)得時(shí)間峰值一半處的寬度來進(jìn)行表示，即 Full Width of Half Maximum（FWHM）.之后，按照?qǐng)D5的方式打了9個(gè)直徑是1mm的孔，讓放射源經(jīng)過限束孔去輻照塑料閃爍體，然后再次重復(fù)上述步驟，測(cè)得的結(jié)果如表1所示.

表1 5cm×5cm塑料閃爍體在有、無限束孔時(shí)測(cè)試的時(shí)間分辨

對(duì)比表1中的兩個(gè)結(jié)果，會(huì)觀察到，加了限束孔以后，MPPC的時(shí)間分辨有了明顯的提高.主要是因?yàn)榉派湓丛谳椪账荛W的時(shí)候，放射源孔有一定的尺寸，會(huì)造成一定的散射，對(duì)結(jié)果造成影響.加上限束孔后，限制了束斑大小，可以有效減小誤差.所以，加上限束孔對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行非常必要.因此對(duì)10cm×10cm的塑閃加了限束孔進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 10cm×10cm塑料閃爍體在有限束孔時(shí)的測(cè)試結(jié)果

對(duì)比表1和表2在加了限束孔下的測(cè)試結(jié)果可知，5cm×5cm的塑閃要比10cm×10cm的塑閃的時(shí)間分辨能力好得多.主要原因是塑閃越大，光子在塑閃的傳播過程中散射越大，光損失也就越大，從而到達(dá)MPPC的光子的時(shí)間漲落就非常大，所以時(shí)間分辨就越差.

2.2 位置分辨

對(duì)位置分辨，主要是看相鄰兩個(gè)孔得到的時(shí)間分辨峰是否能夠清楚地分開.因此對(duì)5cm×5cm塑料閃爍體在不同位置測(cè)得的時(shí)間分辨譜進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示.可以看出，其中能彼此分開的峰是位置1、位置2、位置3、位置6、位置7、位置8和位置9處測(cè)得的峰.所以，根據(jù)圖5中相鄰兩孔之間的距離是2.5cm，可以得出結(jié)論，在5cm×5cm的塑料閃爍體情況下，利用MPPC能分開的最小距離是2.5cm.

圖6 5cm×5cm的塑料閃爍體位置分辨

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)中利用塑料閃爍體與MPPC組成的閃爍探測(cè)器進(jìn)行了測(cè)量，按照測(cè)試的結(jié)果可知，為了提高塑閃的時(shí)間分辨率，在實(shí)驗(yàn)中要加限束孔.隨著塑料閃爍體尺寸的增加，光子在其中走過的路徑上強(qiáng)度損失嚴(yán)重，信號(hào)的歧離漲落會(huì)很大，造成時(shí)間分辨率會(huì)變差.探測(cè)器的位置分辨大約為2.5cm.根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，可知MPPC能夠勝任組成塑料閃爍探測(cè)器，再加上它的信價(jià)比和尺寸，用它組成的閃爍探測(cè)器在實(shí)驗(yàn)中具有很大的優(yōu)勢(shì).

[1]趙帥，郭勁，劉洪波，等.多像素光子計(jì)數(shù)器在單光子中的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程，2011，19（5）：972-976.

[2]雪崩光電二極管工作特性及等效電路模型 [OL].http：／／www.nexoncn.com／read／b1a569312b315f19d4a6ad8a.html.

[3]Yamamoto K，Yamamura K，Sato K，et al.Development of Multi-Pixel Photon Counter（MPPC）[C]／／Nuclear Science Symposium Conference Record，NJ：IEEE Press，2007：1511-1515.

[4]Taguchi M.Development of Multi-Pixel Photon Counters and readout electronics [D].Kyoto：Kyoto University，2007.

[5]趙凱華.量子物理 [M].北京：高等教育出版社，2001.

[6]吳治華.原子核物理實(shí)驗(yàn)方法 [M].北京：原子能出版社，1997.

[7]王芝英.核電子技術(shù)原理[M].北京：原子能出版社，1989.