倍增探测器

随着科技的突飞猛进，我们逐渐揭开了光子的神秘面纱。由于光子的微弱特性，直接观测和探测它是一项巨大的挑战。因此，研发出能够探测单个光子的探测器成为了科学家们追求的重要目标。市面上已经有多种单光子探测器，比如光电倍增管、光子计数探头、MPPC和SPAD等。它们各有千秋，但要说到单光子探测的顶尖高手，那非光电倍增管莫属。那么，这些单光子探测器是如何工作的呢？接下来，让我们一一揭开它们的神秘面纱！01 光电倍增管光电倍增管的工作原理如下图所示：当单个光子到达阴极面的时候，由于光电效应会产生光电子，产生的光电子在聚焦电场的作用下进入倍增级实现连续的倍增，从而实现电信号的连续放大，最后通过阳极输出，这个过程就实现了单光子信号的探测。图1 端窗型光电倍增管结构02 光子计数探头除了光电倍增管裸管，也有光电倍增管模块能做到单光子探测，也被称之为光子计数探头。光子计数探头是在能够做单光子探测的光电倍增管的基础上增加了如下的信号处理电路，可以将单光子的输出信号转换为TTL 信号输出，通过对TTL信号进行计数，就可以得到光子数量，方便实际测试。图2 光子信号处理电路03 多像素光子计数器（MPPC）除了上面的真空电子管类型的光子计数探测器之外，目前半导体器件也能够进行光子计数，常见的就是多像素光子计数器，滨松也称之为MPPC，硅光电倍增管。其中，MPPC是一种由多个工作在盖革模式的APD组成的光子计数型器件，其中APD（雪崩光电二极管）是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能够对光电流进行雪崩放大。而当APD的反向偏压高于击穿电压时，内部电场就会变强，光电流则会获得105～106的增益，这种工作模式就叫APD的“盖革模式”。在盖革模式下，光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲，而通过对这个脉冲的检测，就可以检测到单光子，实现单光子探测！图3 MPPC输出示意图04 单光子雪崩光电二极管（SPAD）除了MPPC之外，半导体探测器中单光子雪崩光电二极管也能进行单光子探测，我们称之为SPAD。SPAD可以理解为它是由单个MPPC像素形成的探测器，它只有一个像素点，也就是只有一个能工作在盖革模式下的APD，所以它无法反映光强度的变化，只能是对光的有无做出反应。而MPPC由于是多个像素的阵列，我们可以根据输出信号的幅度来判断光信号的强度。但是SPAD也能做到单光子的探测。05 光电倍增管单光子探测优势通过以上介绍我们可以看到，目前单光子探测器主要分为真空电子管和半导体探测器两个类型，他们都能实现单光子的探测，那么光电倍增管的优势在哪呢？光敏面积光敏面积是单光子探测中比较关键的一点。相对来说，面积越大，能够探测到的光子数也就越多，同时前端的光路也会相对比较简单，不需要复杂的聚焦系统。由于光电倍增管是真空电子管，我们是可以通过控制阴极面积的大小来决定探测器的光敏区域。目前滨松最大的光电倍增管阴极面直径能做到20英寸，光子计数探头模块阴极面积最大的直径在25毫米，能够满足不同光斑大小的探测需求。但是对于MPPC来讲，由于面积大小与其性能有直接联系，比如，暗计数率同光敏面积成正比，面积的增加会导致暗计数率的增加。由于半导体的固有热噪声较大，暗计数会随着面积的增加进一步导致波形堆叠，难以对单光子信号进行分析。此外，面积越大，寄生电容越大，影响MPPC的响应速度。暗计数暗计数是指探测器在没有光子进入的时候，探测器本身的信号输出。其中光电倍增管是真空电子管器件，噪声的主要来源是阴极面的热电子发射，暗计数的值大概在百个级别，常见的光子计数探测器H10682-110，典型的暗计数在50 cps，最大值在100 cps。而MPPC和SPAD是半导体探测器，不仅光子可以产生载流子，热电子也会产生载流子，热电子生成的载流子也具有单光子水平的信号电平，并且暗计数的水平明显高于光电倍增管的暗计数，暗计数的值大概上千，常见的MPPC光子计数模块C13366-1350GD，典型的暗计数在2.5 kcps，最大值在7 kcps。弱光信噪比不管是真空电子管还是半导体探测器，他们都能实现单光子探测，但是由于噪声的存在，相同信号的输入，会导致不同的信噪比。相对来说，信噪比越大，说明其中的噪声比较小，能够有效地反映信号的情况。通过对比目前滨松常见的光子计数探头和半导体光子探测器型号在同样光强环境下的信噪比，可以看到，在弱光环境中，光电倍增管具有一个很好的信噪比。图4 不同类型探测器弱光信噪比对比（光子计数探头&MPPC&SPAD）通过以上对比我们可以看到，光电倍增管在单光子探测中，具有面积大、噪声小、信噪比高的特点，所以在弱光探测环境中，我们还是推荐使用光电倍增管！以上就是本期的讲解，如果还有其他问题，欢迎评论区留言或者直接联系相关工程师获取技术支持。相关阅读喏，你要的光电倍增管全解析在这里~想了解光电倍增管原理及应用，这一场报告就够了关于光电倍增管（PMT）模块的选型与使用光电倍增管：光照灵敏度&辐射灵敏度“差别”在哪？光电倍增管动态范围的定义不是？而是？光电倍增管（PMT）分压器设计原理

日前，中国政府采购网公布了中国科学院高能物理研究所光敏探测器成像阵列-硅光电倍增管采购项目中标结果。滨松成功中标，确定将为我国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）项目供应上万片特殊定制的MPPC（硅光电倍增管）产品，用于宇宙线的探测。 高海拔宇宙线观测站（LHAASO） LHAASO三大系统之一——广角契伦科夫望远镜阵列（WFCTA）滨松MPPC产品将在该系统中发挥关键作用 高海拔宇宙线观测站（LHAASO）由中国科学院高能物理研究所主持，为我国“十二五”期间的国家重大科技基础设施项目，也是对宇宙线起源之谜发起的一次猛烈的冲击。它位于海拔4410m的四川稻城海子山，面积达1.36平方公里，总投资12亿人民币。其建成后将跻身世界四大宇宙线研究基地之一，并带来三个世界之最：最高的高能伽马射线探测灵敏度；最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测；最宽广的宇宙线能量测量范围。 滨松中国十分荣幸能参与到LHAASO当中。通过淬炼新型光电器件MPPC技术，为我国又一伟大实验提供了可靠的光电技术支持。MPPC多被称为硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM/SSPM）是当下光探测器届的新晋明星，根据其工作原理，也被称为多像素光子计数器（Multi-Pixel Photon Counter），即MPPC。其由多个工作在盖革模式下的APD组成，虽然本质上是一个光半导体，但具有优良的光子计数能力，适用于监测在光子计数水平下极弱光的场合。滨松各MPPC阵列产品（非项目组用）

据《中国医药健康蓝皮书》数据，2014年我国体外诊断产品市场规模达到了306亿元，预计2019年将达到723亿元，年均复合增长率高至18.7%。市场如火如荼，充满机会，也充满挑战。体外诊断仪器如何达到更高的行业要求？如何应对更广泛的市场需求？ 3月7日至9日，诚邀您前来CACLP 2016滨松中国展台（西安曲江国际会议中心,B2馆 321/322）。从核心探测力，这最关键的第一步出发，了解仪器成为“实力派”的更好可能。 本次我们将展示的产品可覆盖生化分析、血液分析、分子诊断、免疫分析等多个方面。模块化产品将进行着重呈现，如光电倍增管模块、闪烁氙灯模块、光学模块，可为仪器开发提供更多的便捷。此外，新型探测器——MPPC（硅光电倍增管）的系列新品，也将于本次将首次出展。各种不同的探测器、光源各有特征，不论从尺寸、性能，还是应用、成本，都可灵活满足众多体外诊断应用需求，欢迎您届时前来现场观览详询。（B2馆 321/322）