Fotomultiplikator av kisel
Kiselfotomultiplikatorer , ofta kallade " SiPM " i litteraturen, är solid-state singelfoton - känsliga enheter baserade på Single-photon lavindiod ( SPAD) implementerad på vanligt kiselsubstrat. Dimensionen på varje enskild SPAD kan variera från 10 till 100 mikrometer, och deras densitet kan vara upp till 10 000 per kvadratmillimeter. Varje SPAD i SiPM fungerar i Geiger-läge och är kopplad till de andra av ett härdningsmotstånd av metall eller polykisel . Även om enheten fungerar i digitalt/växlingsläge är de flesta av SiPM en analog enhet eftersom alla mikroceller läses parallellt, vilket gör det möjligt att generera signaler inom ett dynamiskt område från en enskild foton till 1000 fotoner för en enhet med bara en kvadrat -millimeteryta. Mer avancerade avläsningsscheman används för lidar -applikationerna. Matningsspänningen ( Vb ) beror på den använda APD-tekniken och varierar typiskt mellan 20 V och 100 V, och är således från 15 till 75 gånger lägre än den spänning som krävs för ett traditionellt fotomultiplikatorrörs ( PMT) drift.
Typiska specifikationer för en SiPM:
- Fotodetektionseffektivitet (PDE) varierar från 20 till 50 %, beroende på enhet och våglängd, vilket liknar en traditionell PMT
- Förstärkningen ( G ) liknar också en PMT och är cirka 10 6
- G vs. Vb - beroende är linjärt och följer inte en kraftlag som i fallet med PMT
- Timing jitter är optimerad för att ha en fotonankomsttidsupplösning på cirka 100-300 ps
- Signalavklingningstiden är omvänt proportionell mot kvadratroten av antalet fotoelektroner inom en excitationshändelse
- Signalparametrarna är praktiskt taget oberoende av externa magnetfält, till skillnad från vakuum-PMT
- Sannolikhet för efterpuls (3-30%), definierad som sannolikheten för falska andrapulser efter ankomst av en enskild foton
- Mörkertalstäthet är frekvensen av pulser i frånvaro av belysning (10 5 -10 6 pulser/s/mm 2 )
- Små dimensioner och lägre spänningar tillåter extremt kompakt, lätt och robust mekanisk design
SiPM för medicinsk avbildning är attraktiva kandidater för att ersätta den konventionella PMT i PET- och SPECT- avbildning, eftersom de ger hög förstärkning med låg spänning och snabb respons, de är mycket kompakta och kompatibla med magnetiska resonansinställningar. Ändå finns det fortfarande flera utmaningar, till exempel kräver SiPM optimering för större matriser, signalförstärkning och digitalisering.
Jämförelse med fotomultiplikatorer för vakuumrör
Fördelar
Jämfört med konventionella PMT:er är fotoelektronförstärkningen vanligtvis mer deterministisk, vilket resulterar i låg eller till och med försumbar överskottsbrusfaktor . Som ett resultat kan SNR (Signal/Noise Ratio) för ett fast antal detekterade fotoner vara högre än en PMT. Omvänt kräver den stokastiska förstärkningen av en PMT vanligtvis fler detekterade fotoner för att erhålla samma SNR.
Massproduktion av kiselelektronik av flera leverantörer gör att SiPM kan tillverkas mycket billigt i förhållande till vakuumrör.
Förspänningarna är 10-100 gånger lägre, vilket förenklar elektroniken.
I rött till nära-infrarött möjliggör kisel mycket högre kvanteffektivitet än tillgängliga PMT-fotokatodmaterial.
Dynamiskt omfång kan vara storleksordningar större än en PMT om ett stort antal SPAD:er är arrangerade tillsammans, vilket möjliggör snabbare avbildningshastigheter eller högre SNR utan mättnad.
Nackdelar
Mörkström är vanligtvis mycket högre vid en given temperatur än en PMT. Således kan en SiPM kräva subambient kylning medan en PMT som används i samma applikation inte behöver, vilket resulterar i ökad komplexitet och kostnad. På samma sätt kan det vara svårt att få stora aktiva områden på grund av högre mörkertal per område än PMT.
Impulssvaret hos en SiPM har en komplex, multiexponentiell form . I förhållande till en PMT kan erhållande av en symmetrisk pulsform eller enhetlig frekvensrespons kräva mer komplex analog filtrering eller pulsformningselektronik.
Jämförelse med lavinfotodioder
Konventionella lavinfotodioder (APD) producerar också en förstärkt analog ström som svar på ljusabsorption. Men i en APD är den totala förstärkningen mycket lägre och överskottsbrusfaktorn mycket högre. Omvänt kvanteffektiviteten vara högre och mörkt brus lägre.