光电倍增管探测器

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）

科学新发现、理解大自然的根本动力是好奇心，人们又通过对自然的仔细思考和实验推动了科学的发展。在追寻未知未涉的过程中，最简单的探测和记录装置就是我们人类自身的感觉器官，但是对于现代科学，这种“自然”的探测器要么灵敏度不够，要么适用范围不广。就拿我们人眼为例，要产生视觉影像至少得几十个光子，而一个光电倍增管可以很容易地探测到单光子；人眼观察的光谱也只是集中在可见光（400-800nm），而自然界的电磁波频谱从广播电波到微波、红外辐射、可见光、紫外光、X射线、伽马射线，足足跨越了23个量级。 我们的眼睛了解世界是有限的，而好奇心赋予了人类对未知未涉世界的渴望，也推动了光探测器技术的发展。滨松公司的研发一直是从与光的对话开始的，从最初的光电管、摄像管的研发生产开始，逐步发展到拥有光探测器及光源、半导体光电产品、图像分析与计测装置、激光以及相关技术等全系列光电产品的公司。在滨松公司发展过程中光电倍增管技术起到了不可磨灭的作用，也一次又一次地把滨松公司的探测器产品推向了世界的舞台。光电倍增管是一类用于极微弱光探测的真空电子管，第一只光电倍增管（PMT）于80多年前由美国国家辐射公司（Radio Corporation of America）发明，并于1936年首次成为商用产品。滨松公司从1955年开始了对光电倍增管技术的研发，经过了无数次的实验和磨练以后生产出了性能优于其他厂家的光电倍增管，并且在1959年侧窗型光电倍增管投放市场。经过50多年的发展，滨松公司已经成为了世界上技术最先进、产品种类最全、市场占有率最高的光电倍增管生产厂家。光电倍增管由光阴极、电子光学系统、倍增级、阳极、真空保护壳组成，其中光阴极是由逸出功较小的碱金属化合物镀膜形成，光阴极在一定能量的光子照射下发生外光电效应，将光子转化成电子，电子在电场约束下通过电子光学系统进入倍增级，电子通过电场加速后轰击倍增级表面的二次电子材料实现电子的倍增，电子信号经过多级倍增以后可以达到105-109倍的放大，最后放大后的信号被阳极收集输出。由于光电倍增管优秀的倍增特性，到目前为止光电倍增管仍然在很多极微弱光探测领域有着不可取代的地位。从结构上光电倍增管可以分为侧窗型光电倍增管和端窗型光电倍增管，不过这样很难充分体现光电倍增管的本身特性。下面我们就从功能和应用上对光电倍增管进行一下简单介绍。常规光电倍增管光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中,它能在低光量光度学和光谱学方面测量波长115-1700nm的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，进一步扩大了光电倍增管的应用范围，激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切相关，我们的日常生活和健康也离不开光电倍增管。目前光电倍增管被广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域，也和我们的日常生活息息相关。滨松光电倍增管大家族，从Macro到Micro 图中的20寸光电倍增管为世界最大的光电倍增管，并于2014年获“IEEE”里程碑认证超级神冈实验中的滨松20英寸光电倍增管（共11200个）高温光电倍增管常规的光电倍增管一般的使用温度是-30℃-50℃，如果常规的光电倍增管超过50℃工作，首先噪声会变的非常大；其次高温也会加速光电倍增管阴极和倍增级材料的性能退化，降低光电倍增管寿命。在我国一般的石油勘探都要达到3500m左右的地层，而在这个地层下温度高达175℃，常规的光电倍增管就无法满足要求了，为了这样的应用环境，我们开发了耐高温、耐振动的高温光电倍增管产品。 低温光电倍增管低温作用下光电倍增管的阴极面电阻会变的非常大，面电阻增大会阻碍阴极电流的流出，所以常规的光电倍增管在低温下工作时候，阴极线性电流会变的非常小，极大限制了光电倍增管的应用，尤其是在一些类似液氙、液氩环境中进行的直接暗物质探测的试验中。滨松公司通过低温碱源技术，以及在阴极面内部镶嵌金属辐条技术，大大的降低了低温下阴极面的面电阻，使光电倍增管低温下使用成为了可能。低本底辐射光电倍增管低辐射光电倍增管是随着宇宙射线探测、暗物质探测应用而生的，在我们自然界中存在着大量的天然放射性物质，铀系、钍系、钾等物质是自然辐射的主要来源，当然在我们常规的玻璃管壳中也存在较高的自然辐射本底，然而由于辐射与光阴极面反应截面很小，自然辐射对于我们常规的光探测几乎是没有影响的，但是对于闪烁测量，尤其是对本底要求很高的暗物质检测的试验中，这些本底辐射可能就是致命的，会对有效信号造成干扰，从而影响实验的效果。滨松公司一方面采用无钾玻璃作为光电倍增管管壳来降低本底，另一方面为了进一步降低本底，滨松公司采用金属作为光电倍增管外壳、用陶瓷作为基板，通过这样的措施可以将本底降到常规光电倍增管的１／１０以下。 位置检出型光电倍增管光电倍增管大多数情况下是作为点探测器使用的，然而像ＰＥＴ、伽马相机等既要判断入射光电强度，又要判断光斑位置的应用，我们可以采用在闪烁体技术以及计算机数据处理等方法，用常规光电倍增管实现应用；如果我们要达到更好的位置分辨效果，就需要位置检测型光电倍增管了。位置检测型光电倍增管一般采用通道式的打拿极结构，这样的结构可以有效地把电子倍增过程约束到一个很小的空间内，这样可以降低通道间的串扰，根据阳极结构的不同我们也把位置检测型的光电倍增管分为多阳极光电倍增管和位敏型的光电倍增管，多阳极光电倍增管采用多个独立的阳极作为输出，而位敏型的光电倍增管则采用十字金属板的阳极，通过Ｘ、Ｙ轴信号的大小来判断光的位置和强度。ＭＣＰ型光电倍增管时间响应特性和时间分辨能力是光电倍增管非常重要的参数，尤其是用在一些荧光寿命检测或者是快速时间响应的应用中，例如系统事业部生产的Ｑ－τ（荧光寿命分析仪），就利用了ＭＣＰ－ＰＭＴ的高时间分辨能力。ＭＣＰ（微通道板）是一种通道式的电子倍增系统，能够对带点粒子、X射线、极紫外等射线进行探测，同时作为电子倍增系统具有极高的时间分辨率，可以达到Ps级别，利用MCP作为倍增系统的光电倍增管，不仅可以探测光，同时也具有时间分辨率高的特点。 混合型光电倍增管混合型光电倍增管在我们销售过程中不太常见，不过由于其能量分辨率高、时间响应速度快等特点，在高能物理研究领域有着非常重要的地位。从结构上看混合型光电倍增管由前级的光电阴极、电子加速系统、半导体雪崩系统、输出系统构成。混合型光电倍增管阴极接收光子产生光电子，电子在高压加速系统中加速，高能量的电子轰击半导体，利用雪崩效应产生大的增益，最后电子由输出系统输出。μ-PMT是ＭＥＭＳ技术和真空电子管技术的完美结合，他利用ＭＥＭＳ技术在硅晶片上加工打拿极，利用真空电子管技术形成光阴极以及倍增级。虽然他仅仅手指大的体积，但是他可以实现１０６倍的增益。μ－ＰＭＴ为光电倍增管的发展开辟了一条新的道路，使我们看到光电倍增管微小化、集成化、柔软化成为了可能，也使我们看到了光电倍增管更广的发展和未来。滨松微光电倍增管（μ-PMT）为世界上最小的光电倍增管 在半导体探测器蓬勃发展的今天,有人说光电倍增管快过时了。不过我们看到的是滨松更高量子效率、更低噪声、更耐环境的光电倍增管技术研发，以及新型的μ－ＰＭＴ的技术研发。我们可以相信光电倍增管技术永无止境，而且必定还会在我们未来的生活和科学研究中发挥更大的作用