基于硅光電倍增管對塑料閃爍光纖衰減長度及光產(chǎn)額的研究

程澤輝，余玉洪，李公平，孫志宇，唐述文，方 芳，陳俊嶺，楊海波，孫 宇,3，王世陶，章學(xué)恒，孫亞洲，閆 鐸，何志軒，張永杰,3，劉相滿,4

(1.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2. 中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；3.中國科學(xué)院大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100049；4.河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001)

在過去30年間，放射性束得到了廣泛使用，這不僅使得人們對于非穩(wěn)定核性質(zhì)的認(rèn)知得到極大的擴展[1]，而且推動了對非穩(wěn)定核的其他研究。通過對核反應(yīng)最終產(chǎn)物的完全動力學(xué)測量，利用不變質(zhì)量譜進(jìn)行核反應(yīng)前狀態(tài)的重構(gòu)，是研究非穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)、反應(yīng)和衰變最為有效的途徑之一[2-3]。為此，中國科學(xué)院近代物理研究所建立了外靶實驗終端(ETF)[4-5]探測器系統(tǒng)，用于開展非穩(wěn)定核的研究。其中包括利用飛行時間(TOF)技術(shù)進(jìn)行中子探測的中子墻陣列探測器、進(jìn)行帶電粒子探測的TOF墻陣列探測器、用于位置測量的多絲漂移室(MWDC)及提供不同種類的束流與次級靶發(fā)生核反應(yīng)事件起始時間信息的起始時間探測器等。作為ETF TOF分辨的關(guān)鍵探測器，起始時間探測器的性能將直接影響粒子鑒別結(jié)果，這對起始時間探測器的性能提出了特定的要求，原有的起始時間探測器采用快速時間響應(yīng)的塑料閃爍體結(jié)合光電倍增管(PMT)讀出的方案，該方案雖具有較高的時間分辨，但功能較為單一，不符合ETF未來工作情況的需求。一些實驗結(jié)果表明[6-7]，塑料閃爍光纖(PSF)產(chǎn)生的光子具有小的俘獲角特性，用其制作的探測器相較塑料閃爍體探測器而言具有與之相當(dāng)?shù)臅r間分辨，且PSF作為探測器介質(zhì)組成陣列，可實現(xiàn)粒子的位置分辨，用于次級靶后粒子徑跡的重構(gòu)，同時滿足承受高計數(shù)率等要求，是起始時間探測器改進(jìn)方案的一種理想選擇。

選用PSF作為起始時間探測器的介質(zhì)材料時，該類型探測器的時間分辨受很多因素的影響[8-10]，在這些因素中，PSF的光產(chǎn)額和衰減長度對時間分辨具有重要貢獻(xiàn)。研究PSF的光產(chǎn)額等性能指標(biāo)對于探測介質(zhì)的選型具有重要的參考意義。研究PSF的光產(chǎn)額和衰減長度，常規(guī)方案采用PMT作為讀出器件，需精確獲得PMT光陰極表面發(fā)射的電子數(shù)。而PMT對于單光子事件的脈沖電荷分布的分辨能力較差[11-12]，這將導(dǎo)致PMT測得的單個光電子能譜峰值的不確定性增加，從而增加了PSF測試結(jié)果的不確定性。

隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體及光電探測技術(shù)的發(fā)展，硅光電倍增管(SiPM)作為一種新型的光電探測器件，正日臻成熟，目前已用于高顆粒度閃爍體量能器等實驗裝置[13-15]。SiPM由數(shù)百乃至上千個工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管(APD)微元組成，每個APD包含猝滅電路，作為SiPM的1個像素，所有微元的響應(yīng)信號共同構(gòu)成SiPM的最終輸出信號。當(dāng)入射光子入射在SiPM有效靈敏面積內(nèi)時，微元通過內(nèi)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電子-空穴對，并在蓋革模式下進(jìn)行倍增形成電信號，不同的光子入射到不同微元時，其產(chǎn)生的電信號幅度與光子數(shù)呈正比。對于特定波長的入射光子，其光電探測效率為定值。這樣，就可對入射光子的數(shù)量進(jìn)行精確的計數(shù)[16]。與傳統(tǒng)PMT相比，SiPM具有高增益與出色的單光子分辨能力，且封裝緊湊，同時具有工作在磁場中的能力，這些特性使得SiPM成為研究PSF性能的極佳選擇。本工作基于SiPM對PSF展開性能研究，包括對SiPM的性能測試和PSF光產(chǎn)額及衰減長度的確定。

1 PSF和SiPM選型

本文使用的PSF型號為日本Kuraray公司的SCSF-78J，該PSF主要由兩部分組成：核心部分(芯層)和表面涂層部分(包層)。PSF光子傳播示意圖如圖1所示，其芯層材料為聚苯乙烯(PS)，折射率為1.59，密度為1.05 g/cm3；包層材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其折射率為1.49，密度為1.19 g/cm3，發(fā)射光子的波長峰值為450 nm[17]。

圖1 PSF光子傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of photon propagation in PSF

在本工作中，選擇的SiPM型號為SensL的MicroFC-SMA-30035，其表面靈敏區(qū)域面積為3 mm×3 mm，共4 774個微元，當(dāng)工作電壓高于其擊穿規(guī)定電壓2.5 V時的典型增益為3×106，光譜響應(yīng)范圍為300～800 nm[18]。

2 SiPM性能測試

2.1 I-V曲線測試

當(dāng)SiPM工作電壓超過反向擊穿電壓時，隨偏壓的增大，APD耗盡層中的電子-空穴對受到強電場的加速，從而獲得足夠高的動能，這些載流子與晶格碰撞電離產(chǎn)生新的電子-空穴對，新的電子-空穴對不斷引起新的碰撞電離，表現(xiàn)出的結(jié)果之一為SiPM的電流突然增大，因此，通過測量I-V曲線可得到SiPM擊穿電壓、工作區(qū)域等參數(shù)。

用于測量SiPMI-V曲線的實驗裝置如圖2所示。通過皮安計KEITHLEY 6485與SiPM電路串聯(lián)實現(xiàn)電流測量，SiPM施加的電壓則直接通過供電的直流電源讀出。在實驗過程中，對實驗裝置進(jìn)行避光處理以排除自然光對測試結(jié)果的干擾。

圖2 SiPM I-V曲線測試裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of SiPM I-V curve test

SiPMI-V曲線測試結(jié)果如圖3所示。當(dāng)SiPM工作電壓未達(dá)到擊穿電壓時，測量的總電流為表面漏電流，其值隨偏置電壓的增加而增加但并不顯著。當(dāng)SiPM工作電壓超過擊穿電壓時，總電流變?yōu)槁╇娏髋c擊穿電流之和，且總電流隨偏置電壓的增加快速增加，主要原因是擊穿電流隨SiPM增益和暗電流增大，這兩者均與偏置電壓呈正相關(guān)。根據(jù)測量的I-V曲線結(jié)果，可得到被測SiPM的擊穿電壓為24.5 V，工作電壓范圍為25～35 V。

圖3 SiPM I-V曲線測試結(jié)果Fig.3 Result of SiPM I-V curve test

2.2 SiPM單光子測試

SiPM單光子性能測試示意圖如圖4所示。脈沖發(fā)生器Tektronix AFG3252的驅(qū)動信號通過兩個通道輸出，一路用于驅(qū)動LED并控制其發(fā)光強度，另一路作為觸發(fā)信號。LED發(fā)出的藍(lán)光經(jīng)空氣耦合導(dǎo)入光纖再傳輸至被測SiPM靈敏區(qū)域表面，由于所測信號為微弱信號，SiPM引出的信號經(jīng)過兩級放大器連續(xù)放大，前級放大器為濱松C6438快放大器，放大倍數(shù)為10，后級放大器由中國科學(xué)院近代物理研究所核電子學(xué)課題組自主研制，經(jīng)校準(zhǔn)后得到其放大倍數(shù)為4.87，且具有信號極性倒向功能。觸發(fā)信號同SiPM兩級放大后的信號接入電荷數(shù)字轉(zhuǎn)換器(QDC)中，QDC選擇Philips 7166，其量程為512 pC，對應(yīng)4 096道。采用CAMAC數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)對電荷信息進(jìn)行獲取并分析，對整套裝置進(jìn)行避光處理。

SiPM增益G[19]為：

(1)

其中：ΔQ為QDC每道對應(yīng)的電荷量；n為SiPM單光電子電荷譜峰對應(yīng)的道數(shù)；M1為前級放大器的放大倍數(shù)；M2為后級放大器的放大倍數(shù)；e為電子電荷，e=1.6×10-19C。

圖4 SiPM單光子性能測試示意圖Fig.4 Schematic diagram for single photon test of SiPM

圖5 SiPM單光電子電荷譜Fig.5 Single photoelectron charge spectrum of SiPM

當(dāng)SiPM工作電壓設(shè)定為27 V時，實測的SiPM單光電子電荷譜如圖5所示。根據(jù)測試結(jié)果，在弱光條件下，SensL SiPM對不同的光電子峰具有極好的分辨能力，而不同的峰代表不同的光電子數(shù)。對每個光電子峰進(jìn)行高斯擬合，可得到SiPM不同光電子能譜的峰值與光電子數(shù)目呈正比，即SiPM對入射光子具有良好的線性響應(yīng)。對每相鄰兩個光電子峰的差值做平均，進(jìn)行增益計算，結(jié)果表明，SiPM在27 V時的絕對增益為1.2×106。

基于上述SiPM增益測試方式，對不同工作電壓下SiPM的增益進(jìn)行測量與分析。根據(jù)SiPMI-V曲線測試結(jié)果，選取合適的SiPM工作電壓范圍，SiPM增益-偏壓曲線如圖6所示。增益測試結(jié)果表明，SiPM可達(dá)到106量級的高增益，且在選定的SiPM工作電壓范圍內(nèi)，其增益與工作電壓具有良好的線性關(guān)系。

圖6 SiPM增益-偏壓曲線Fig.6 Curve of SiPM gain-bias voltage

2.3 SiPM線性測試

SiPM單光電子分辨性能的測試結(jié)果表明，在弱光條件下，SiPM對入射光子有良好的線性響應(yīng)。由于SiPM的像素點有限，SiPM對入射光子的線性響應(yīng)具有一定范圍。為精確得到PSF光產(chǎn)額等性能參數(shù)，需了解SiPM光子線性響應(yīng)范圍。圖7為SiPM光子線性測試示意圖，由于入射光子數(shù)不能直接確定，選取實驗室已測試的在大動態(tài)范圍內(nèi)始終對入射光子具有良好線性響應(yīng)的PMT作為SiPM線性范圍測試的刻度，該PMT由日本濱松公司生產(chǎn)，型號為R1828，典型增益為2.0×107。脈沖發(fā)生器的作用有兩方面：1) 調(diào)節(jié)LED的發(fā)光強度；2) 提供QDC的觸發(fā)信號。選用兩根相同長度的光纖將LED發(fā)射的光子耦合至SiPM和PMT表面，SiPM的輸出信號經(jīng)前置放大器放大且極性反向后，與PMT的輸出信號送入QDC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，前置放大器的放大倍數(shù)刻度為9.5倍，對裝置進(jìn)行避光處理。

圖7 SiPM線性測試示意圖Fig.7 Schematic diagram of SiPM linearity test

圖8 SiPM線性測試結(jié)果Fig.8 Result of linearity test for SiPM

圖8為SiPM線性測試結(jié)果。由于SiPM的增益與其工作電壓具有強依賴關(guān)系，導(dǎo)致不同工作電壓下SiPM的動態(tài)范圍會發(fā)生改變。根據(jù)實驗結(jié)果，在QDC的量程范圍內(nèi)及SiPM所選工作電壓條件下，SiPM相對PMT具有良好的線性，對入射光子具有良好的線性響應(yīng)。結(jié)合SiPM單光子分辨的測試結(jié)果，可反推得到不同SiPM工作電壓下其靈敏區(qū)域接收的光子數(shù)，進(jìn)而確定是否處于其線性范圍。

3 PSF性能測試

3.1 PSF衰減長度測試

由于PSF由芯層與包層構(gòu)成，選用更長的光纖可更為準(zhǔn)確地得到其衰減長度。本工作用于光衰減長度測量的PSF長度選為2 m，光纖端面直徑為1 mm，讀出器件選擇已測試的兩個性能基本相同的SiPM。將PSF的兩端拋光后，為避免PSF的端面與SiPM靈敏區(qū)域表面的剛性接觸，同時減少光子在交界面上由于全反射造成的光損失，選用光學(xué)耦合劑EJ-550將PSF兩個端面分別與SiPM靈敏表面進(jìn)行耦合。選用90Sr作為放射源，并通過準(zhǔn)直孔使之成為直徑1 mm的點源。為了減少PSF測試過程中由于形變等因素對實驗結(jié)果造成的影響，定制專用的模具對PSF進(jìn)行固定，且可保證在放射源的移動過程中與PSF的相對位置相同。為獲得放射源不同位置時PSF的光輸出與放射源距兩側(cè)SiPM的位置變化關(guān)系，放射源在模具中從右向左沿單一方向移動。

PSF測試讀出電子學(xué)示意圖如圖9所示。兩側(cè)SiPM輸出的信號依次送入C6438與前置放大器實現(xiàn)信號的二級放大與極性反向，兩級前置放大器的總放大倍數(shù)經(jīng)刻度為95倍。由前置放大器放大后的信號分為兩路，一路經(jīng)過恒比甄別器(CFD)轉(zhuǎn)換成NIM信號后送入符合插件，作為QDC的觸發(fā)信號，選用該方式可有效降低本底噪聲；另一路經(jīng)延時處理后送入QDC，由基于CAMAC總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取與分析。根據(jù)SiPM的性能測試結(jié)果，在PSF測試裝置中，選取SiPM的工作電壓為27 V。

PSF光輸出結(jié)果如圖10所示。其中，橫坐標(biāo)表示放射源與右側(cè)SiPM的相對距離。以右側(cè)SiPM測試結(jié)果為例，當(dāng)放射源的位置距SiPM較近和較遠(yuǎn)時，SiPM靈敏區(qū)域接收到的光電子峰值均在QDC量程范圍內(nèi)，這意味著此時SiPM接收的光子數(shù)在其線性響應(yīng)范圍內(nèi)。從圖10可看出，隨放射源與右側(cè)SiPM相對距離的增大，SiPM接收到的光子數(shù)急劇下降，這是因為此時PSF中傳播的光子由芯層和包層共同提供，由于包層的衰減長度較小，光子數(shù)衰減較快，從而導(dǎo)致總的光子數(shù)衰減幅度較大；當(dāng)兩者距離繼續(xù)增大時，SiPM接收到的光子數(shù)主要由PSF的芯層提供，芯層較大的衰減長度使得光子衰減變緩。兩端SiPM幾何平均值與PSF的光收集效率有關(guān)，在被測PSF中心的位置處收集的光子較少，相應(yīng)的時間分辨會較差，當(dāng)放射源擊中距兩側(cè)SiPM較短的距離時，時間分辨會有所提高。根據(jù)上述測量結(jié)果，對于改進(jìn)的起始時間探測器，為了保證其高時間分辨，PSF的長度不宜過長。

圖9 PSF測試讀出電子學(xué)示意圖Fig.9 Schematic diagram of readout electronics for PSF test

圖10 PSF光輸出結(jié)果Fig.10 Light output result of PSF

對于PSF，其產(chǎn)生光子是芯層光和包層光兩種成分的疊加，擬合公式[20-21]為：

Q=Q1exp(-x/λ1)+Q2exp(-x/λ2)

(2)

其中：Q為SiPM實測的電荷量，可通過SiPM所測光電子峰值道數(shù)與QDC每道對應(yīng)的電荷量的乘積獲得；Q1、Q2分別為芯層光和包層光對應(yīng)的電荷量；x為放射源到SiPM的距離；λ1和λ2分別為芯層光和包層光的衰減長度。對PSF的衰減長度進(jìn)行測量，得到光纖芯層的有效衰減長度為547.4 cm，包層的衰減長度較短，為15.5 cm。芯層的衰減長度與包層相差較大，這是由于芯層-包層界面沒有與外界直接接觸，從而保證了芯層光具有更長的衰減長度，而由于包層-空氣界面會存在一定的損傷，使得包層光衰減得更快；此外，光纖表面質(zhì)量不均勻也是導(dǎo)致該現(xiàn)象的一個可能原因[22]。

3.2 光產(chǎn)額

根據(jù)PSF衰減長度的測試結(jié)果，實驗中所測PSF的光產(chǎn)額Y采用如下公式計算：

Q0=Q1+Q2

(3)

(4)

(5)

其中：Q0為由衰減曲線外推至x=0時對應(yīng)的電荷量；M為SiPM信號的放大倍數(shù)，由于SiPM信號經(jīng)兩級放大器放大后分為兩路，故其實際放大倍數(shù)為47.5；N0為SiPM所探測到的光子數(shù)；η1為SiPM的光子探測效率，由于所選光纖產(chǎn)生的光子波長峰值為450 nm，SensL MicroFC-SMA-30035在工作電壓高于擊穿電壓2.5 V條件下，在該入射光子波長下對應(yīng)的光子探測效率約為0.28[18]；η2為實驗中放射源發(fā)射的β粒子在穿透PSF時的平均穿越距離，在這里僅做β粒子垂直穿過光纖考慮，可計算得該值為0.785 4 mm。由于粒子擊中光纖時，產(chǎn)生的光子沿光纖兩側(cè)傳播，因此實際的有效光產(chǎn)額近似為計算值的2倍。根據(jù)上述光產(chǎn)額計算公式，可得到被測閃爍光纖的有效光產(chǎn)額的平均值約為552光子/mm。

對于PSF，在SiPM與光纖產(chǎn)生光子的距離無限接近時，其接收到的光子主要由兩部分組成：1) 在芯層-包層界面發(fā)生全反射的光子；2) 在包層-空氣界面發(fā)生全反射的光子。根據(jù)光在光纖中發(fā)生全反射的概率進(jìn)行計算，可得到SiPM接收到的光子概率為0.57，進(jìn)而得到光纖的實際光產(chǎn)額約為968光子/mm。

4 結(jié)論

本文測試結(jié)果表明，SensL MicroFC-SMA-30035具有極佳的單光子分辨能力，在工作電壓為27 V時實測增益為1.2×106，其增益對工作電壓具有良好的線性，且對入射光子具有較好的線性響應(yīng)。基于SiPM對新型起始時間探測器的關(guān)鍵組PSF進(jìn)行了性能測試，得到Kuraray SCSF-78J光纖的衰減長度及光產(chǎn)額，SCSF-78J芯層有效衰減長度為547.4 cm，包層為15.5 cm，有效光產(chǎn)額約為552光子/mm，實際光產(chǎn)額約為968光子/mm。

采用SCSF-78J陣列作為新型起始時間探測器的探測介質(zhì)，SiPM SensL MicroFC-SMA-30035作為讀出器件時，其單元組件的時間分辨主要由光纖的時間分辨、SiPM及電子學(xué)的時間分辨構(gòu)成。根據(jù)測試結(jié)果，該光纖具有較高的光產(chǎn)額及衰減長度，可盡可能減少光子的損失，且實驗中所采用的電子學(xué)時間分辨好于50 ps，SiPM單光子時間分辨好于100 ps[23]，結(jié)合快速時間響應(yīng)的前置放大器可實現(xiàn)好的時間分辨與位置分辨。因此，該方案符合新型起始時間探測器的性能需求，具有一定的可行性。在后期研究中，可以此方案進(jìn)行起始時間探測器原理樣機的研制，以驗證其實際性能。