多像素光子計數器（MPPC）的性能測試

馬付平 張廣鑫 張高龍 王濤峰

（北京航空航天大學物理科學與核能工程學院，北京 100191）

MPPC是由濱松光學株式會社開發的，它最初是在俄羅斯發展的一種Si-PM（硅光電倍增管）產品.MPPC是一個基于Si雪崩二極管的光子計數裝置，目前已被歐洲核子研究中心（CMS）采用.濱松用 MPPC的商標命名了這個產品[1].MPPC是一種新興的光子計數器，全稱“Multi-Pixel Photon Counter”，其中Pixel指一個工作在雪崩狀態下的二極管探測器（APD）[2].MPPC的主要優勢是在較低工作電壓下有較高增益倍數，可以探測強度很弱的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構[4]來實現超低量級光探測[5，6].該裝置很容易與外部電路聯接實現簡單運轉，封裝尺寸僅為5mm.該光子計數器有效面積為1mm×1mm，有3種工作像素模式100，400及1600pix.每個像素包含一個猝熄電路，同時發生的光子事件被高精度計數.該器件的典型增益值為25萬至幾百萬，具體數值依賴于像素數量.且對紫外及藍光探測效率更高，靈敏中心波長為400nm.與傳統光電倍增管不同[6]，該器件可在低于90V的電場下運轉且對磁場不敏感.濱松光子計數器提供該器件的緊湊模塊包含多像素光子計數器件（1600pix，400pix）、電流—電壓轉換電路、高電壓功率供應電路、高速比較電路、計數電路及微處理器.光子探測閾值可通過計算機進行調節，模塊與計算機間通過USB技術實現通信.該型計數器是許多領域的理想產品，如：正電子斷層掃描術、高能物理、DNA排序、熒光測量、核醫學、藥物檢測、醫學診斷裝置、環境分析系統等.

目前在核物理實驗研究方面，有時需要用到上百路的塑料閃爍探測器，這就要求在探測器設置方面需要小型化，而且性能上要能達到光電倍增管讀出的塑料閃爍探測器性能.本文主要從MPPC的基本性質著手，進行簡單測試，以便了解和掌握其優異的性能，為實驗室開展MPPC讀出閃爍測器的研究提供重要參考數據.

1 實驗測量

本文針對實驗室已有的型號為S10362-33的MPPC，配合使用5cm×5cm和10cm×10cm塑料閃爍體，分別研究了MPPC對閃爍體時間分辨、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型號為S10362-33，反向擊穿電壓為75V左右.

1.2 測試電路

如圖2所示，本次實驗采用了分別在5cm×5cm和10cm×10cm塑料閃爍體的四周對稱放置4個MPPC的方法來測定塑料閃爍探測器的時間分辨和位置分辨.

圖1 MPPC的工作電路

圖2 實驗連接圖

為了更好地測試MPPC的時間性能，每次測試用相對的兩個MPPC進行測量.如圖3所示，為搭建的實驗測試電子學線路圖.用90Sr-90Yβ放射源去照射塑料閃爍體，其中相對的兩個MPPC收集光子信號，經過光電轉換，將兩個MPPC的電信號分別經過恒比定時插件584進行定時操作[7].其中將第一路信號經過定時后的Timing信號進行延遲，并與第二路的BK信號符合，將符合后的信號作為start信號，而第二路的Timing信號經過適當延遲后作為stop信號，把兩路信號輸入到時幅變換器TAC里面，將時間間隔Δt轉成脈沖信號，將此信號送入多道脈沖幅度分析器（Multi Channel Analyzer（MCA）），在計算機上得到時間譜，即測量到時間譜.

圖3 實驗測試電路圖

1.3 坪曲線測量

從說明書中可知，型號為S10362-33的MPPC的工作電壓為75V左右，但是在實驗中觀察到，不同的MPPC工作電壓有一些不同，所以，根據實際情況需要測出實驗所用的各個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MPPC合適的工作電壓.

圖4 MPPC坪曲線測試圖

2 實驗數據處理和分析

2.1 時間分辨測量

圖5 塑閃上選取的點

在上述實驗方案的指導下，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，測試了MPPC的時間分辨.在5cm×5cm塑料閃爍體上選取了9個點，如圖5所示.表1是在有、無限束孔情況下，測得的實驗數據.對時間分辨通常采用時間譜中測得時間峰值一半處的寬度來進行表示，即 Full Width of Half Maximum（FWHM）.之后，按照圖5的方式打了9個直徑是1mm的孔，讓放射源經過限束孔去輻照塑料閃爍體，然后再次重復上述步驟，測得的結果如表1所示.

表1 5cm×5cm塑料閃爍體在有、無限束孔時測試的時間分辨

對比表1中的兩個結果，會觀察到，加了限束孔以后，MPPC的時間分辨有了明顯的提高.主要是因為放射源在輻照塑閃的時候，放射源孔有一定的尺寸，會造成一定的散射，對結果造成影響.加上限束孔后，限制了束斑大小，可以有效減小誤差.所以，加上限束孔對后續實驗的進行非常必要.因此對10cm×10cm的塑閃加了限束孔進行了測試，數據如表2所示.

表2 10cm×10cm塑料閃爍體在有限束孔時的測試結果

對比表1和表2在加了限束孔下的測試結果可知，5cm×5cm的塑閃要比10cm×10cm的塑閃的時間分辨能力好得多.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MPPC的光子的時間漲落就非常大，所以時間分辨就越差.

2.2 位置分辨

對位置分辨，主要是看相鄰兩個孔得到的時間分辨峰是否能夠清楚地分開.因此對5cm×5cm塑料閃爍體在不同位置測得的時間分辨譜進行對比，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處測得的峰.所以，根據圖5中相鄰兩孔之間的距離是2.5cm，可以得出結論，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 結語

實驗中利用塑料閃爍體與MPPC組成的閃爍探測器進行了測量，按照測試的結果可知，為了提高塑閃的時間分辨率，在實驗中要加限束孔.隨著塑料閃爍體尺寸的增加，光子在其中走過的路徑上強度損失嚴重，信號的歧離漲落會很大，造成時間分辨率會變差.探測器的位置分辨大約為2.5cm.根據這些測量結果，可知MPPC能夠勝任組成塑料閃爍探測器，再加上它的信價比和尺寸，用它組成的閃爍探測器在實驗中具有很大的優勢.

[1]趙帥，郭勁，劉洪波，等.多像素光子計數器在單光子中的應用[J].光學精密工程，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.原子核物理實驗方法 [M].北京：原子能出版社，1997.

[7]王芝英.核電子技術原理[M].北京：原子能出版社，1989.