Photonics Feature Статии

Силициевите фотоумножители отварят нови възможности
Силициева фотоумножителна тръба (по-долу Si-PMT) е микропикселен лавинен фотодиод, работещ в режим на Гайгер и предназначен за преброяване на фотони. Всеки пиксел Si-PMT създава импулсен изходен сигнал при откриване на единичен фотон. Общият изход на силициевия фотоумножител е сумата от изходите от всеки пиксел. Силициевите фотоумножители имат високата детективност, необходима за преброяване на фотони и се използват в различни приложения, които изискват откриване на много слаби светлинни сигнали на нивото на единични фотони.

photonics

Светлината, възприемана от човешкото око, обикновено се състои от поток от светлинни частици (фотони), които създават определена яркост. С намаляване на яркостта на светлинния поток фотоните започват да се отделят един от друг. Методът за броене на фотони измерва потоци при слаба светлина, като брои броя на фотоните. Фотоумножителни тръби и лавинови фотодиоди Лавинните фотодиоди са най-често срещаните детектори за броене на фотони.

Лавинните фотодиоди са високоскоростни фотодиоди, които усилват вътрешния фототок, когато се прилага обратно напрежение. Ако обратното напрежение, приложено към лавинния фотодиод, надвишава напрежението на пробив, вътрешното електрическо поле става толкова силно, че може да се получи висок коефициент на усилване на фотодиода (10e5-10e6). Този режим на работа на лавинния фотодиод се нарича „режим на Гайгер“. Генерираните носители на заряд създават нови двойки електрон-дупка, които се ускоряват от високо вътрешно електрическо поле.

падащите фотони
Новосъздадените носители също се ускоряват в приложеното поле, за да създадат още повече носители и този процес се повтаря отново и отново (умножение на лавина) - усилването става пропорционално на приложеното напрежение. Когато фотодиодът работи в режим на Гайгер, възниква много голям импулс, причинен от инжектирането в лавинния слой на носителя на заряда, създаден от фотон, падащ върху активната повърхност на фотодиода. Откриването на този импулс позволява откриването на единични фотони. Всеки пиксел се състои от лавинен фотодиод, работещ в режим на Гайгер, към който последователно е свързан закаляващ резистор (допълнително съпротивление). Силициева фотоумножителна тръба е съставена от много от тези пиксели. Общият изход от всеки пиксел е изходът на силициевия фотоумножител.

Силициевите фотоумножители осигуряват отлична детективност за броене на фотони. Чрез свързване Si-PMT към усилвателя можете да видите ясни сигнали на екрана на осцилоскопа в зависимост от броя на фотоните. Фактът, че отделните пикове са добре дефинирани и се различават един от друг, предполага, че има минимални вариации между усилванията на отделните пиксели, които съставят силициевата фотоумножителна тръба.

Характеристики на силициевите фотоумножители

Режим на Гайгер

Режимът на Гайгер е техника, при която лавинен фотодиод работи при обратно напрежение, по-голямо от напрежението на пробив. В режима на работа на Гайгер във фотодиода се създава силно електрическо поле, което създава разряд при слаб светлинен поток, падащ върху повърхността на фотодиода. Това явление е известно като „изхвърлянето на Гейгер“. В този момент електронното усилване достига 10e5-10e6 и изходният ток е постоянен, независимо от броя на падащите фотони. При нормална работа на лавинния фотодиод (обратното напрежение е по-ниско от напрежението на пробив), усилването е десетки до стотици единици. Когато работи в режим Geiger (обратното напрежение надвишава напрежението на пробив), усилването достига 10e5-10e6. Свързването на демпфиращ резистор (допълнително съпротивление) към фотодиода позволява да се получи изходен сигнал с постоянно ниво при откриване на фотон.

Принципът на действие на силициев PMT

статии
Силициевата фотоумножителна тръба се състои от множество лавинови фотодиодни пиксели, свързани паралелно и работещи в режим на Гайгер. Когато фотонът удари активната област на фотодиода, изходният сигнал от всеки пиксел е постоянен и не зависи от броя на падащите фотони. Това означава, че всеки пиксел на фотодиода предоставя информация за това колко фотони са ударили повърхността на фотодиода. Към всеки пиксел е прикрепен демпфиращ резистор (пренапрежение), който позволява на изходния ток да тече през него. Тъй като всички пиксели на фотодиода са свързани към един отчитащ канал, изходните импулси от пикселите се сумират, създавайки голям импулс. Чрез измерване на височината или електрическия заряд на този импулс можете да определите броя на фотоните, открити от силициевия PMT.

Qout = C x (Vr - Vbr) x Nf,

където C е капацитетът на един пиксел, Vr е обратното напрежение, Vbr е напрежението на пробив, N е броят на фотодиодните пиксели, които откриват фотони.

Коефициентът на усилване може да се определи от изходния заряд на силициевия PMT, който открива фотони. Усилването се променя в зависимост от обратното напрежение, приложено към Si-фотоумножител. Интензивността на импулсния светлинен сигнал се намалява значително от оптичен атенюатор и се излъчва върху повърхността на силициевия PMT. Изходен сигнал с Si-PMT обработени от компютър, за да се получи честотното разпределение на изходния заряд.