Novel photo-detectors and photo-detector
systems新型光电探测器和光电探测系统M. D米丹尼洛夫
Institute of Theoretical and Experimental Physics,
B.Cheremushkinskaya 25, 117218 Moscow, Russia理论与实验物理研究所,
B.Cheremushkinskaya 25，117218莫斯科，俄罗斯 articleinfo
文章信息：Available online 14 February 200在网上提供时间：2009年2月14日
摘要
abstract摘要摘要本文分析了光电探测器和光电探测系统的最新发展。重点介绍了is made on Silicon Photo-Multipliers (SiPM)—novel and very attractive photo-detectors.了硅光电倍增管（SiPM），它是一种新颖的、非常有吸引力的光探测器，本文对其Their main其主要特性进行了描述，对不同厂家生产的探测器的性能进行了比较。Different applications are discussed including calorimeters, muon detection, tracking, Cherenkov light 讨论了光电倍增管在各个方面的应用，包括热量计、μ介子检测、跟踪，切伦科夫光探测、飞行时间测量。
Keywords关键词：硅光电倍增管 SiPM硅光电倍增管u啊啊啊硅光电倍增管 APD光电雪崩二极管 Photo-diode光电二极管 Photo-detector光电探测器Calorimeter热量计
Scintillato闪烁基数器
1 从光电倍增管到硅光电倍增管
真空Vacuum Photo-Multipliers (PMTs) are the most popular photo-光电倍增管是最常用的光电detectors.探测器，They have high sensitivity, single photo-ele它具有很高得灵敏度，单个光电子分辨率，高计数率，大面积和高的时间分辨率。光电倍增管已经There is an enormous experience in PMT applications在不同的领域有了很多的应用。但是它也有一些缺点：对磁场敏感，尺寸大，低粒度，量子efficiency ( QE ), need of high voltage.效率低和需要高的电压，同时They are also quite价格也相当expensive.昂贵。这些缺点有些是可以避免的，Multi-anode多阳极光电倍增管可以提供更高的粒度，微通道阳极光电倍增管可以can work to some extent in magnetic fields.在一定强度的磁场内工作，最近又研制出了有高量子效率（50%）的光电倍增管。
However, only solid state detectors can provide a cardi但是，只有固态探测器才能解决这些solution of the problems.问题，它对磁场不敏感and compact.并且紧凑，They have very high QE and gra有很高的量子效率和粒度，Solid state固态photo-detectors can be much cheaper than PMTs.光电检测器
较光电倍增管也便宜得多。
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The simplest photo-detector is a PIN photo-diode.最简单的光检测器是PIN光电二极管，它没有amplification and therefore it is very stable.放大率，因此非常稳定。PIN光电二极管have a high ($80%) QE well matched to the CsI(Tl) emission有很高的量子效率（80%），能与频谱峰值为l位为 550纳米的碘化铯（铊）很好的匹配，spectrum which peak因此，它已经大量应用在热量计中，used in large quantity in many calorimeters including CLEO,daddada大量比如CLEO，BELLE, BaBar, and GLAST.BELLE，BaBar 和GLAST。但是，它很厚的敏感层（300微米）会引发巨大的核计数效应，带电粒子穿过crossing the sensitive layer produce a large number of electron–围绕为敏感层产生数量巨大的电子hole pairs and mimic a large energy
deposition in a scintillator.孔对，并且在闪烁器中模拟大量的能量沉积。Absence of amplification prevents the usage of PIN photo-diodes缺少、
缺少就飞附加费ja加菲凤飞飞放缺少放大妨碍了PIN光电二极管在低光收益的闪烁器中的使用。
这两个问题在雪崩光电二极管 (APD).（APD）中得到了 These two problems are solved in Avalanche Photo Diodes解决。In APD photo-electrons (pe)
are produced in a th在APD中，光电子（PE）产生于PN结雪崩中放大的很薄的
敏感层（6纳米($6m)）00m) sensitive layer amplified in avalanches at
ap–n junction.），About 120,000 APDs are used in the CMS calorimeter[2]约12万雪崩光电二极管应用于内部管理系统热量计，尽管钨酸铅晶体的产量很低
但是可以得到极佳的分辨率Because of avalanche amplification APDs。。。。。。。。。。。由于雪崩放大，雪崩二极管中有大量的过剩噪声因
子（ENF）have a large Excess Noise Factor (ENF) which grows with the随
着放大率而增加，放大率的电压和温度灵敏度也随着放大率的增大而增大，因此，放大率高于几百倍的APD是很难操控的。
在difficult to operate APDs at amplifications above a few
hundred.At a high over-voltage (。。。，。在很高的过压下，雪崩放大率V ) the avalanche amplification下选transforms into a Geiger discharge.In
this mode a photo-diode转在转很啊减肥法飞转换转化成为盖式放
电，在这种模式下光电二极管的响应不依赖于最初的光电子，然而，通过把光电二极管分解成大量的连接相同输出的独立像素，恢复响应和光电子的初始数目的比例关系是可能的。只要放射像素数与光电二极管内的总像素数相比是很小的，那么发射像素数和最初的光电子是成正比的。对于number of independent pixels connected to the same outputnumber of fired pixels is proportional to
the number of initial pe大信号，响应变得nonlinear and saturates at the total number of pixels in the非线性，并且二极管中的总像素数饱和。这种工
作于盖式模式下的多像素光电二极管在俄罗斯已经发展起来了。Now they are
produced现在， by many companies which use different names for their products：许多公司生产这种产品，他们用不同的名字：SiPM, MRS APD, MPPC, MAPD, etc. We will use a generic name SiPM, MRS APD, MPPC, MAPD等等。我们这里使用通用名称SiPM for all of them.SiPM 2.。
SiPM properties
2  SiPM的性能
We will discuss SiPM properties using as an example the 我们将用 MEPhI-Pulsar (MEPhI) SiPM作为例子来讨论SiPM的性能。这里
有 There is by far the largest experience 到目前为止在实际的实验中使用这种SiPMs获得的最大实践经验。过去3年里大约8000个SiPM在欧洲核子研究中心和费米国立加速器实验室进行了测试，并用于国际直线对撞机的CALICE强子热量计原型。
MEPhI SiPM是1156个大小为32*32平方微米的像素点组成的矩阵。硅光电倍增管的敏感区为1.1*1.1平方毫米，像素点有几兆欧单独的多晶硅淬火电阻，必要时可以断绝盖氏放电，硅光电倍增管反向偏压约50伏，比击穿电压高3伏。
2.1 增益和光子探测效率
硅光电倍增管的增益是由在一个像素内的电荷释放决定的。像素所放的电荷与一个像素的电容和过压的乘积成正比，公式为Q=ΔV×C。例如ΔV为3V，电容为50fF，则Q为150fC。所以一个光电子会产生大约 106个电子的信号。这与一个正常的光电倍增管类似。相对增益变化△G/G与ΔV的变化成正比。所以硅光电倍增管在很小的压差下工作就像Hamamatsu MPPCs一样，对于电压变化有比较大的增益灵敏度，需要更稳定的电压。温度下降2℃会导致MEPhI SiPM的击穿电压降低0.1V，并且增益会上升。因此希望温度变化要小。
光子检测效率（PDE）是量子效率（QE）, 几何效率(ε)，以及带电体发生盖式放电概率PG共同的产物,PDE=QE×ε×PG。波长是500纳米时，量子效率为80%。几何效率是硅光电倍增管敏感面积的一部
分, 它随着像素尺寸的减小而减小，因为像素之间分离边界的面积在增长。对于50微米的像素点，现代硅光电倍增管的几何效率可达70%。盖式放电的概率随着过压而增长。在很小的过压时它几乎呈线性增长，但是之后就饱和了。这导致了和光子检测效率类似的反应。
在PN节中电子比空穴有更高的几率触发盖式放电。因此带有NP结构的硅光电二极管对于绿光比对于蓝光更加灵敏。蓝光（绿光）被N层（p层）吸收；移动到PN结的载体是空穴（电子），引起放电的几率就低（高）。为了增加对蓝光的灵敏度，N层应该作的尽可能的薄。另一种就是使用PN结构。图标一显示了对于不同的硅光电二极管，光子检测效率光谱依赖的例子。
图2.1 对于不同的SIPM，光子探测效率
2.2 后脉冲和串扰
一些在放电中产生的电子和空穴可以被诱捕，然后当放电结束时被释放。如果像素有足够的时间再充电，这就会导致后脉冲如图2.2所示。由于像素电压没有完全恢复，后脉冲在最初的信号有较小的振幅时很快出现。大多数后脉冲出现在初始信号之后，有大约18纳秒的延时。但是，也有一部分会有长达90纳秒的延时。在较高的温度下延时会变短。产生过脉冲的概率与放电中电子的数量和触发盖式放电的概率成正比。因此，它的增长大致作为ΔV的第二个动力。

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