eng
Выпуск #1/2013
К.О’Нилл, Н.Павлов, К.Джексон, С.Долинский
Новый кремниевый фотоумножитель с быстродействующим выходом компании SensL
Новый кремниевый фотоумножитель с быстродействующим выходом компании SensL
Просмотры: 4671
В статье представлен новый кремниевый фотоумножитель (SiФЭУ), конструкция которого дополнена добавочным быстродействующим выходом. Этот сигнальный выход обладает сверхбыстрым фотоэлектронным откликом (~2 нс FWHM). Такой детектор легко интегрируется в уже существующие приборы, благодаря возможности использования в качестве традиционного SiФЭУ, (тогда сигнал снимается со стандартного анодного выхода), и в новых устройствах, где требуется дополнительный быстродействующий сигнальный выход. Как результат – время нарастания сигнала при использовании сцинтиллятора LYSO (ортосиликат лютеция и иттрия) вместе с SiФЭУ, обладающим быстродействующим выходом, составляет 2 нс (сравните с типовым значением в 20–40 нс для сигнала, снимаемого с анодного выхода SiФЭУ). Это позволяет улучшить производительность SiФЭУ серии MicroFM в отношении разрешающего времени схемы совпадений (Coincidence Resolved Time – CRT) кремниевых фотоумножителей с 300 до 250 пс. Более того, в сравнении со значением, получаемым при использовании сигнала с анодного выхода SiФЭУ, использование быстродействующего выхода позволяет расширить диапазон основных пороговых значений без значительного ухудшения CRT. Проиллюстрирована высокая эффективность обнаружения фотонов (Photon Detection Efficiency – PDE).
Теги: photon detection efficiency radiation recevers silicon spms кремниевые фэу приемники излучения эффективность обнаружения фотонов
Введение
Кремниевые фотоумножители (SiФЭУ) – фотоприемники, наиболее предпочтительные для решения прикладных задач, предъявляющих повышенные требования к временным параметрам детекторов (позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) [1], обнаружение радиоактивных и взрывчатых веществ, лазерное зондирование с помощью ЛИДАР-технологий). Этому способствуют (в сравнении с традиционными фотоэлектронными умножителями (ФЭУ)) низкая стоимость SiФЭУ и постоянное улучшение их параметров. Однако имеется одна трудность в отношении SiФЭУ – необходимость улучшения временных характеристик. В то время как эффективность обнаружения фотонов является ключевым параметром в усовершенствовании временных параметров SiФЭУ, другой важный фактор − время нарастания сигналов с отдельных микроячеек и возможность отметить время прихода самого первого фотоэлектрона в сцинтилляционной вспышке [2]. Действенный способ улучшения временных параметров фотоприемников – возможность сделать передний фронт сигнала как можно более крутым. В этой статье обратим внимание на то, что благодаря использованию предлагаемого метода можно значительно улучшить временные характеристики кремниевых фотоумножителей в широком диапазоне пороговых значений временных отметок.
Структура нового SiФЭУ
Традиционная структура SiФЭУ состоит из параллельных массивов лавинных фотодиодов, каждый из которых последовательно соединен с гасящим резистором (рис.1а). В такой структуре подача напряжения смещения и считывание сигнала осуществляются на одном и том же электроде – аноде. Ввод дополнительного электрода в каждую пару лавинный фотодиод – гасящий резистор создает сигнальную линию специального назначения, по которой передаются более резкие временные импульсы, чем традиционный разряд, возникающий в SiФЭУ, который по своей природе ограничен большой выходной емкостью каждого лавинного фотодиода [3].
Измерения
Все измерения проводились при использовании SiФЭУ серии MicroFM с активной областью 3×3 мм2 с размером микроячейки 35 мкм. Каждый SiФЭУ состоит из параллельно соединенных 4774 микроячеек.
Форма сигнала
На рис.2 показана форма сигнала быстродействующего выхода SiФЭУ по сравнению с сигналом со стандартного анодного выхода. Отклик на короткие лазерные импульсы (лазерный излучатель Photek LPG-405 [4]), представленный на рис.2a, показывает, что быстродействующий выход способен выдавать импульсы с очень коротким временем нарастания (<1 нс) и очень малой шириной (2 нс). Преимущества данной формы сигнала для использования во времяпролетной ПЭТ показаны на рис.2б: представлены сигналы, полученные с быстродействующего выхода и со стандартного выхода SiФЭУ при работе со сцинтилляционным кристаллом LYSO размером 3×3×15 мм3. Сигнал, полученный с быстродействующего выхода, имеет намного более резкий фронт импульса (10%–90%, время нарастания 1,5 нс), чем сигнал со стандартного выхода (10%–90%, время нарастания 46 нс).
Разрешающее время схемы совпадений
Разрешающее время схемы совпадений (Coincidence Resolved Time – CRT) было измерено по излучению линии 511 кэВ источника 22Na и сцинтилляционного кристалла LYSO размером 3×3×15 мм3. Измерения проводились с помощью 12-битного аналого-цифрового преобразователя с частотой преобразования 3,2 GS/s [5]. Для получения временных отметок использовали триггеры переднего фронта. Фильтрация энергии осуществлялась для всего набора данных, полученных возле фотонного пика по линии 511 кэВ в диапазоне от 461 кэВ до 561 кэВ.
Временные параметры сигнала с быстродействующего выхода представлены на рис.3. На рис.3a показано, как кривая CRT достигает значения в 226 пс (FWHM) при оптимальном значении напряжения смещения, превышающем напряжение пробоя на 4,5 В. Для сравнения CRT быстродействующего выхода и стандартного выхода SiФЭУ (рис.3б) они представлены в виде функциональных зависимостей от порогового напряжения, превышающего на 2 В напряжение пробоя. Стоит отметить, что быстродействующий выход показывает незначительную зависимость от порогового значения в сравнении со стандартным выходом, повышаясь от 300 пс (при пороговом значении в 5 мВ) почти до 500 пс (при пороговом значении в 100 мВ). В таком же диапазоне пороговых значений CRT кремниевого фотоумножителя серии MicroSM увеличивается с 350 пикосекунд до 1,35 нс.
На рис.3в показана зависимость CRT быстродействующего выхода от порогового значения, (выраженного в числе фотоэлектронов) для трех различных значений перенапряжения: 2; 4,5 и 6 В (соответственно абсолютные значения напряжения составляют 29,5; 31 и 33,5 В). Таким образом, оптимальным значением перенапряжения для CRT при использовании быстродействующего выхода стала величина 4,5 В. Это может быть связано с повышенной эффективностью обнаружения фотона (PDE), возникающей в случае, когда более высокие помехи преобладают над изменчивостью сигнала, что приводит к ухудшению CRT.
На рис.3г показана зависимость CRT от порогового значения (выраженного в числе фотоэлектронов) при различных комнатных температурах. Подчеркнем, что не существует интерпретируемой статистики изменений CRT в диапазоне температур от 15 до 30˚C.
Энергетическое разрешение
Энергетическое разрешение может быть определено как с помощью стандартного, так и быстродействующего выхода (рис.4). Для SiФЭУ c активной областью 3×3 мм с размером микроячейки 35 мкм и при перенапряжении в 2 В среднее значение энергетического разрешения по линии 511 кэВ, (использован источник 22Na и сцинтиллятор LYSO размером 3×3×15 мм), составляет 13% для стандартного выхода и 14% для быстродействующего выхода.
Единичный фотоэлектронный отклик и сканограмма порогового значения
Импульсы быстродействующего выхода SiФЭУ достаточно коротки для того, чтобы выделить темновые импульсы на уровне шума. Для этого надо использовать сцинтилляционный спектр (рис.5а). Отклонения амплитуды от средней величины сигнала в темновой (не сцинтилляционной) части отклика были использованы для получения результатов CRT, представленных выше на рис.3. Используя эту информацию, можно стандартизировать пороговые значения напряжения по отношению к фотоэлектронам, как показано на рис.3в и рис.3г.
Сканограмма амплитуды порогового значения (рис.5б) показывает уменьшение перекрестных помех между микроячейками при использовании быстродействующего выхода (по сравнению со стандартным выходом). Возможно, это проявляется благодаря способности кратковременного сигнала резко различать явления перекрестных помех, возникающих в пределах длительности импульса (~2 нс) таким образом, что может возникнуть наложение импульсов. Следовательно, перекрестные помехи при использовании быстродействующего выхода снижены до 8,5% от стандартного уровня перекрестных помех в 20%.
Высокочастотная характеристика
Выходная емкость и сопротивление быстродействующего выхода SiФЭУ измерены с помощью векторного анализатора цепей (рис.6a и 6б). Выходная емкость и сопротивление быстродействующего выхода остаются неизменными в широкой полосе частот, но из-за резонансов, возникающих по причине паразитных емкостей и индуктивностей, начинают изменяться после 3 МГц. Представленная Spice-модель (рис.6в) точно отражает высокочастотную характеристику быстродействующего выхода SiФЭУ в широком диапазоне частот −до 700 МГц.
Таким образом, предложенный компанией SensL быстродействующий выход в кремниевых фотоумножителях серии MicroFM позволил улучшить временные характеристики SiФЭУ в пределах широкого диапазона пороговых значений. Кроме того, быстродействующй выход имеет низкую выходную емкость, что делает его совместимым с процессом обработки высокочастотных сигналов. Это первая демонстрация того, что способность обнаруживать первый сцинтилляционный фотон с помощью быстродействующего выхода SiФЭУ может привести к значительному улучшению CRT. Дальнейшее повышение эффективности обнаружения фотонов в сочетании с оптимизацией структуры SiФЭУ с быстродействующим выходом должно позволить кремниевым фотоумножителям достичь максимально возможных параметров.
Литература
Ронкэли.Э., Черри С. Применение кремниевых фотоумножителей в позитронно-эмиссионной томографии.− Ежегодник технологий биомедицинских систем, 2011, № 39, с.1358–1377.
Пост Р. и Шифф Л. Статистическое ограничение разрешающего времени сцинтилляционных счетчиков. – Физический вестник, 1950, т. 80, с. 1113.
Патент WO2011117309, Кремниевый фотоумножитель и метод считывания данных. Н. Павлов.
www.photek.com
Д. Бретон и др. Высокоразрешающая фотонная синхронизация МКП ФЭУ: сравнение серийного дискриминатора с постоянным порогом (ДПП) и дискретизаторов аналоговых сигналов на основе специализированных ИС TARGET и Wavecatcher. – Издание Стэндфордского центра линейного ускорителя SLAC-PUB-14048.
Кремниевые фотоумножители (SiФЭУ) – фотоприемники, наиболее предпочтительные для решения прикладных задач, предъявляющих повышенные требования к временным параметрам детекторов (позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) [1], обнаружение радиоактивных и взрывчатых веществ, лазерное зондирование с помощью ЛИДАР-технологий). Этому способствуют (в сравнении с традиционными фотоэлектронными умножителями (ФЭУ)) низкая стоимость SiФЭУ и постоянное улучшение их параметров. Однако имеется одна трудность в отношении SiФЭУ – необходимость улучшения временных характеристик. В то время как эффективность обнаружения фотонов является ключевым параметром в усовершенствовании временных параметров SiФЭУ, другой важный фактор − время нарастания сигналов с отдельных микроячеек и возможность отметить время прихода самого первого фотоэлектрона в сцинтилляционной вспышке [2]. Действенный способ улучшения временных параметров фотоприемников – возможность сделать передний фронт сигнала как можно более крутым. В этой статье обратим внимание на то, что благодаря использованию предлагаемого метода можно значительно улучшить временные характеристики кремниевых фотоумножителей в широком диапазоне пороговых значений временных отметок.
Структура нового SiФЭУ
Традиционная структура SiФЭУ состоит из параллельных массивов лавинных фотодиодов, каждый из которых последовательно соединен с гасящим резистором (рис.1а). В такой структуре подача напряжения смещения и считывание сигнала осуществляются на одном и том же электроде – аноде. Ввод дополнительного электрода в каждую пару лавинный фотодиод – гасящий резистор создает сигнальную линию специального назначения, по которой передаются более резкие временные импульсы, чем традиционный разряд, возникающий в SiФЭУ, который по своей природе ограничен большой выходной емкостью каждого лавинного фотодиода [3].
Измерения
Все измерения проводились при использовании SiФЭУ серии MicroFM с активной областью 3×3 мм2 с размером микроячейки 35 мкм. Каждый SiФЭУ состоит из параллельно соединенных 4774 микроячеек.
Форма сигнала
На рис.2 показана форма сигнала быстродействующего выхода SiФЭУ по сравнению с сигналом со стандартного анодного выхода. Отклик на короткие лазерные импульсы (лазерный излучатель Photek LPG-405 [4]), представленный на рис.2a, показывает, что быстродействующий выход способен выдавать импульсы с очень коротким временем нарастания (<1 нс) и очень малой шириной (2 нс). Преимущества данной формы сигнала для использования во времяпролетной ПЭТ показаны на рис.2б: представлены сигналы, полученные с быстродействующего выхода и со стандартного выхода SiФЭУ при работе со сцинтилляционным кристаллом LYSO размером 3×3×15 мм3. Сигнал, полученный с быстродействующего выхода, имеет намного более резкий фронт импульса (10%–90%, время нарастания 1,5 нс), чем сигнал со стандартного выхода (10%–90%, время нарастания 46 нс).
Разрешающее время схемы совпадений
Разрешающее время схемы совпадений (Coincidence Resolved Time – CRT) было измерено по излучению линии 511 кэВ источника 22Na и сцинтилляционного кристалла LYSO размером 3×3×15 мм3. Измерения проводились с помощью 12-битного аналого-цифрового преобразователя с частотой преобразования 3,2 GS/s [5]. Для получения временных отметок использовали триггеры переднего фронта. Фильтрация энергии осуществлялась для всего набора данных, полученных возле фотонного пика по линии 511 кэВ в диапазоне от 461 кэВ до 561 кэВ.
Временные параметры сигнала с быстродействующего выхода представлены на рис.3. На рис.3a показано, как кривая CRT достигает значения в 226 пс (FWHM) при оптимальном значении напряжения смещения, превышающем напряжение пробоя на 4,5 В. Для сравнения CRT быстродействующего выхода и стандартного выхода SiФЭУ (рис.3б) они представлены в виде функциональных зависимостей от порогового напряжения, превышающего на 2 В напряжение пробоя. Стоит отметить, что быстродействующий выход показывает незначительную зависимость от порогового значения в сравнении со стандартным выходом, повышаясь от 300 пс (при пороговом значении в 5 мВ) почти до 500 пс (при пороговом значении в 100 мВ). В таком же диапазоне пороговых значений CRT кремниевого фотоумножителя серии MicroSM увеличивается с 350 пикосекунд до 1,35 нс.
На рис.3в показана зависимость CRT быстродействующего выхода от порогового значения, (выраженного в числе фотоэлектронов) для трех различных значений перенапряжения: 2; 4,5 и 6 В (соответственно абсолютные значения напряжения составляют 29,5; 31 и 33,5 В). Таким образом, оптимальным значением перенапряжения для CRT при использовании быстродействующего выхода стала величина 4,5 В. Это может быть связано с повышенной эффективностью обнаружения фотона (PDE), возникающей в случае, когда более высокие помехи преобладают над изменчивостью сигнала, что приводит к ухудшению CRT.
На рис.3г показана зависимость CRT от порогового значения (выраженного в числе фотоэлектронов) при различных комнатных температурах. Подчеркнем, что не существует интерпретируемой статистики изменений CRT в диапазоне температур от 15 до 30˚C.
Энергетическое разрешение
Энергетическое разрешение может быть определено как с помощью стандартного, так и быстродействующего выхода (рис.4). Для SiФЭУ c активной областью 3×3 мм с размером микроячейки 35 мкм и при перенапряжении в 2 В среднее значение энергетического разрешения по линии 511 кэВ, (использован источник 22Na и сцинтиллятор LYSO размером 3×3×15 мм), составляет 13% для стандартного выхода и 14% для быстродействующего выхода.
Единичный фотоэлектронный отклик и сканограмма порогового значения
Импульсы быстродействующего выхода SiФЭУ достаточно коротки для того, чтобы выделить темновые импульсы на уровне шума. Для этого надо использовать сцинтилляционный спектр (рис.5а). Отклонения амплитуды от средней величины сигнала в темновой (не сцинтилляционной) части отклика были использованы для получения результатов CRT, представленных выше на рис.3. Используя эту информацию, можно стандартизировать пороговые значения напряжения по отношению к фотоэлектронам, как показано на рис.3в и рис.3г.
Сканограмма амплитуды порогового значения (рис.5б) показывает уменьшение перекрестных помех между микроячейками при использовании быстродействующего выхода (по сравнению со стандартным выходом). Возможно, это проявляется благодаря способности кратковременного сигнала резко различать явления перекрестных помех, возникающих в пределах длительности импульса (~2 нс) таким образом, что может возникнуть наложение импульсов. Следовательно, перекрестные помехи при использовании быстродействующего выхода снижены до 8,5% от стандартного уровня перекрестных помех в 20%.
Высокочастотная характеристика
Выходная емкость и сопротивление быстродействующего выхода SiФЭУ измерены с помощью векторного анализатора цепей (рис.6a и 6б). Выходная емкость и сопротивление быстродействующего выхода остаются неизменными в широкой полосе частот, но из-за резонансов, возникающих по причине паразитных емкостей и индуктивностей, начинают изменяться после 3 МГц. Представленная Spice-модель (рис.6в) точно отражает высокочастотную характеристику быстродействующего выхода SiФЭУ в широком диапазоне частот −до 700 МГц.
Таким образом, предложенный компанией SensL быстродействующий выход в кремниевых фотоумножителях серии MicroFM позволил улучшить временные характеристики SiФЭУ в пределах широкого диапазона пороговых значений. Кроме того, быстродействующй выход имеет низкую выходную емкость, что делает его совместимым с процессом обработки высокочастотных сигналов. Это первая демонстрация того, что способность обнаруживать первый сцинтилляционный фотон с помощью быстродействующего выхода SiФЭУ может привести к значительному улучшению CRT. Дальнейшее повышение эффективности обнаружения фотонов в сочетании с оптимизацией структуры SiФЭУ с быстродействующим выходом должно позволить кремниевым фотоумножителям достичь максимально возможных параметров.
Литература
Ронкэли.Э., Черри С. Применение кремниевых фотоумножителей в позитронно-эмиссионной томографии.− Ежегодник технологий биомедицинских систем, 2011, № 39, с.1358–1377.
Пост Р. и Шифф Л. Статистическое ограничение разрешающего времени сцинтилляционных счетчиков. – Физический вестник, 1950, т. 80, с. 1113.
Патент WO2011117309, Кремниевый фотоумножитель и метод считывания данных. Н. Павлов.
www.photek.com
Д. Бретон и др. Высокоразрешающая фотонная синхронизация МКП ФЭУ: сравнение серийного дискриминатора с постоянным порогом (ДПП) и дискретизаторов аналоговых сигналов на основе специализированных ИС TARGET и Wavecatcher. – Издание Стэндфордского центра линейного ускорителя SLAC-PUB-14048.
Отзывы читателей
