提高SiPM时间分辨能力方法研究——基于两种SiPM性能对比测试

本文通过实验分析从脉冲宽度和能量分辨率两个维度，对比Sensl的FC10035和FC10020的性能，为基于硅光电倍增管(SiPM)的闪烁体探测器提供设计参考，实验表明FC10020的脉冲宽度仅为200 nS，适合对于时间性能要求较高的应用场景，FC10035的能量分辨能力较好，适用于对能量分辨要求较高的应用场景；为提高响应的动态范围，降低Pileup的概率，设计了pole-zero (零极相消)电路，通过实验验证了零极相消电路对于缩短脉冲宽度的有效性。

硅光电倍增管(SiPM)作为一种新型的弱光感应的光电转换器件，由于其体积小、增益高、响应快、成本低的特点而备受关注。SiPM 由工作在盖革模式下的APD(G-APD)微元阵列组成[1] [2]。可见光光子入射SiPM 而某个或某些微元感知，由于雪崩效应，这些微元迅速导通，并在电场的加速下形成电流。

由于雪崩效应的放大作用，SiPM 的增益通常能达到与光电倍增管(PMT)相当的105~106，但其体积仅为PMT 的1/10，且工作电压通常只有30~100 V，相对于PMT 而言，配置电路简单，安全可靠。

目前SiPM 被广泛应用于核医学、高能物理、精密分析等领域。市面上，SiPM 主要厂家多为国外企业，如Excelitas、Sensl (被ONSEMI 收购)、Advansid、滨松等，其中在国内应用范围最广的是Sensl 公司的FC 系列。

本文选取Sensl 公司的FC10020 和FC10035 两个型号的SiPM， 对比其基本性能， 为闪烁体探测器设计提供参考。为提高光子响应的动态范围，降低叠加(PileUp)概率，设计了零极相消电路，并测试了该电路对探测器能量分辨性能的影响。

2. 系统搭建 2.1. 系统设计 目前在医疗应用中， 闪烁晶体通常选择YSO 或LYSO。

本文使用YSO 闪烁体耦合SiPM 作为光电转换部件。

YSO 晶体的基本性能如表1 所示[3]。由表中可以看出其发射波长是420 nm，因此选择的两种SiPM的中心响应波长应与其匹配。所选用的两种SiPM 基本特性如表2 所示。

Table 1. The features of YSO 表1. YSO 晶体基本特性 光输出(光子数量/MeV) 发射波长(nm) 密度(g/cm3) 有效原子系数 衰减时间(nS) 熔点(℃) 折射率 潮解性 背景辐射 24,000 420 4.54 34 60 2000 1.8 不潮解 无