因為濱松光電探測器紛繁復(fù)雜的屬性，很多客戶在選型時總是容易被到底該選擇PMT、MPPC（SiPM）、APD、PD而搞得暈頭轉(zhuǎn)向。今天這篇文章小編就從這四款光電產(chǎn)品的基本原理以及光靈敏度、增益、噪聲特性、響應(yīng)速度、工作電壓、探測面積等基本參數(shù)來對比分析，為大家撥開“迷霧”，找到最適合各位的探測器類型。
一、PD、APD、MPPC（SiPM）、PMT的探測原理對比
1、PMT的工作原理
PMT的英文全稱為Photomultiplier Tube，簡稱PMT，中文名稱為光電倍增管。
在光電倍增管正常工作時，光陰極面受到光照后由于光電效應(yīng)釋放出光電子，產(chǎn)生的電子進(jìn)入倍增級中，實現(xiàn)連續(xù)的倍增，進(jìn)而實現(xiàn)電子的放大，最后通過陽極輸出電流信號。
PMT工作原理
光電倍增管的使用注意事項
（1）磁場
磁場對光電倍增管的影響主要是影響電子的飛行軌跡，其中影響的大小，主要取決于磁場的方向。并且不同的光電倍增管結(jié)構(gòu)受到的影響各不相同，一般而言，從陰極到第一倍增級的距離越長，光電倍增管就越容易受到影響，因此端窗型的光電倍增管和大口徑的光電倍增管在使用時應(yīng)該特別注意磁場的影響。
圖1 與光電倍增管管軸垂直磁場的影響曲線
其中，磁場方向的不同，對光電倍增管的影響各不相同，不同磁場方向的影響可以參考下圖。
圖2 不同磁場方向?qū)怆姳对龉茌敵龅挠绊?br/>
所以為了降低磁場對光電倍增管的影響，我們可以采取磁屏蔽。利用磁場在高導(dǎo)磁率物體內(nèi)側(cè)變?nèi)醯男再|(zhì)，可以得到一個較好的磁屏蔽效果，最簡單的方法就是采用坡鏌合金的套筒進(jìn)行磁屏蔽。
其中，磁屏蔽筒距離陰極面的距離，也會影響光電倍增管。具體影響可以參考下圖。
磁屏蔽筒到陰極面之間的距離對陽極輸出影響
以上磁場對光電倍增管的影響都是在直流磁場中。對于在交流磁場中，如果磁場頻率高時，會引起屏蔽度的下降，特別是在壁厚的區(qū)域屏蔽度下降會更明顯，在1-10 KHz的高頻磁場中，希望可以使用0.05-0.1毫米左右的磁屏蔽材料。因此，磁屏蔽筒的厚度設(shè)計必須兼顧飽和磁通密度和頻率特性。
如下圖所示，是各種光電倍增管的磁特性以及使用磁屏蔽筒時的屏蔽效果。
在使用磁屏蔽筒時會受到機(jī)械外力，造成里面光電倍增管的損壞。因此，在設(shè)計磁屏蔽筒時，屏蔽筒的直徑要比光電倍增管的直徑大一點(diǎn)，盡量將光電倍增管和屏蔽筒同軸心，可以使用絕緣的軟帶包裹光電倍增管然后封裝在磁屏蔽筒中。
（2）電場
當(dāng)陰極對地處于負(fù)電位時，最好不要讓有地電位的導(dǎo)體接觸光電倍增管外殼，否則會干擾其電位穩(wěn)定。如果使用金屬屏蔽就會引起管內(nèi)表面的放電，增加光電倍增管的暗電流，為了消除這一影響，建議和光電倍增管外殼接觸的材料與陰極同電位，一般是采用側(cè)管外壁涂覆導(dǎo)電層并加上電位的方式。下圖就是電位對陰極電位變化時的暗電流變化情況，顯而易見，對陰極的電位差越大，暗電流越大。
另外，一般探頭的外殼都是接地的，如果光電倍增管外殼周圍有接地電位的導(dǎo)電物質(zhì)，可能會導(dǎo)致暗電流的增加，但是這個影響會隨著距離而變化。下圖就是光電倍增管和接地電位之間距離與暗電流的變化情況，可以看出，如果距離大于4毫米以上，則暗電流基本沒有變化。
與普通的電子器件相比，光電倍增管更容易受到周圍溫度的影響。因此在使用過程中，需要嚴(yán)格控制溫度，降低溫度對光電倍增管使用的影響。溫度主要影響光電倍增管的靈敏度和暗電流。溫度對靈敏度的影響可以分為兩個部分：對陰極靈敏度的影響和對倍增級靈敏度的影響。陰極靈敏度的溫度特性既與波長有關(guān)，并且也與光陰極面的種類有關(guān)，且在長波限的臨界波長附近溫度系數(shù)的值從負(fù)到正有很大的變化。但是倍增級的溫度特性幾乎和波長、電壓無關(guān)。
在低溫下使用透射型光電倍增管時，光陰極表面電阻的增加會導(dǎo)致出現(xiàn)陰極電流飽和效應(yīng)，導(dǎo)致輸出線性的減少。如下圖所示：
由于光電倍增管的陰極面材料使用的都是金屬逸出功比較低的材料，所以溫度對暗電流的影響比較大。尤其是在微弱光探測中，對光電倍增管進(jìn)行冷卻，降低暗電流是提高信噪比的最有效辦法。如果一定要在高溫下使用光電倍增管，我們推薦使用耐高溫型的光電倍增管。
光電倍增管的靈敏度即使是在室溫下放置也會有些變化，主要是由于溫度激活光陰極和倍增級面的堿金屬移動所致，溫度越高，靈敏度變化越快，所以盡可能在室溫和室溫以下保存。
（3）濕度
濕度對光電倍增管的影響，主要會引起玻璃芯柱表面漏電流的增加，而且管腳表面的生銹也會導(dǎo)致接觸不良，另外可能會引起透紫玻璃的透過率下降，所以必須要保存在干燥的地方。其次，管腳表面臟也會引起管腳生銹和漏電流的增加，所以不要直接用手接觸玻璃芯柱、管腳、塑料管基的陽極管針周圍，如果有污物，可以使用無水乙醇進(jìn)行清潔。
（4）氦氣
光電倍增管是真空電子器件，由于氦氣能夠透過玻璃，導(dǎo)致管內(nèi)氣體的增加，導(dǎo)致暗電流的增加。同時，氣壓的變壞可能會引起放電，影響光電倍增管的壽命。將一個具有石英管殼的光電倍增管放在一個大氣壓的氦氣中，大約經(jīng)過30分鐘，就可以看到后脈沖急劇增加，因而不能使用，所以要特別注意氦氣對光電倍增管的影響，為了減少影響，最好將光電倍增管保存在無氦氣的環(huán)境中。
（5）輻射
當(dāng)光電倍增管工作在強(qiáng)輻射場中，會引起各種輻照效應(yīng)，影響光電倍增管的正常工作，輻射會導(dǎo)致窗材透過率的降低，使得靈敏度降低，其中，某些透紫外光窗材料經(jīng)過輻照后，透過率會顯著降低。同時，窗材也會因為輻照而產(chǎn)生切倫科夫輻射和熒光，導(dǎo)致本底噪聲的增加。因此，如果是在輻照環(huán)境下使用光電倍增管，盡量添加屏蔽措施，降低影響。
（6）氣壓
光電倍增管不僅可以使用在一個大氣壓的環(huán)境下，也可以使用在減壓環(huán)境中，但是由于氣壓的變化可能會引起光電倍增管內(nèi)部引線之間的放電。一般的光電倍增管的內(nèi)部真空度為10的負(fù)5次方帕，所以為了不引起放電，引出管腳電極之間需要保持足夠的距離。另外，光電倍增管外部的管基及管座的電極引線部分的設(shè)計也是考慮了在一個大氣壓及真空環(huán)境下都不會引起放電。但是，在100-1000帕氣壓下最容易放電，所以在這個范圍內(nèi)使用時，需要注意高壓部分的設(shè)計和線纜的設(shè)計。
2、PD的工作原理
PD的英文全稱為Photo Diode，簡稱PD，中文名稱為光電二極管。當(dāng)光電二極管正常工作時，半導(dǎo)體中的PN結(jié)受到光照射，且入射光能量高于光電二極管的帶隙能時，會產(chǎn)生電子和空穴，其中在內(nèi)部電場的驅(qū)動下，電子和空穴按相反方向各自移動，形成了光電流。
3、MPPC（SiPM）的工作原理
MPPC的英文全稱為Multi-Pixel Photon Counter，因此濱松也稱之為多像素光子計數(shù)器，國際上一般稱呼為SiPM，也就是硅光電倍增管。MPPC（SiPM）是一種由多個工作在蓋革模式的APD組成的光子計數(shù)型器件，在蓋革模式下，APD的反向電壓高于擊穿電壓。即使輸入光極弱，也會出現(xiàn)輸出飽和（蓋革放電）。為停止蓋革放電并探測下一個光子，需要降低APD外部電路的工作電壓。通過APD串聯(lián)淬滅電阻的方式可以終止APD的蓋革放電，從而快速停止APD中的雪崩倍增，實現(xiàn)微弱光信號的探測和放大。
MPPC（SiPM）的工作原理
（1）光子探測效率
光子探測效率指的是一定時間內(nèi)器件探測到的光子數(shù)與入射到器件表面的光子數(shù)的百分比。MPPC（SiPM）由多個APD單元組成，單元與單元間存在間隙，而光子打到這個區(qū)域不會引起雪崩，通常叫做死區(qū)，這就導(dǎo)致了有效探測面積會小于MPPC（SiPM）總面積。量子效率QE是指當(dāng)光子進(jìn)入光敏區(qū)域后，會有一定的概率轉(zhuǎn)換成電子空穴對，這個概率就是量子效率，量子效率的大小則取決于入射光子的波長。初級電子空穴對并不一定能夠100%的引發(fā)雪崩，這個概率就是雪崩概率。一般來講，內(nèi)電場越大，雪崩概率就越大。
（2）暗計數(shù)
MPPC（SiPM）的暗計數(shù)是指在正常工作偏壓下，將MPPC放置在黑暗環(huán)境中，并且沒有射線照射的情況下，由于Si材料內(nèi)載流子的熱激發(fā)等原因引起的計數(shù)，我們把單位時間內(nèi)發(fā)生1 p.e.及以上的波形計數(shù)定義為暗計數(shù)率。
（3）信噪比
信噪比指的是信號與噪聲的比值，信噪比隨著光信號的探測、放大、讀取而逐級降低，信噪比大于1才能系統(tǒng)中提取有效信息，優(yōu)良的信噪比通常大于10。單位時間內(nèi)入射光子數(shù)越多，信噪比越大。
MPPC參數(shù)聯(lián)系圖
4、APD的工作原理
APD的英文全稱為Avalanche Photo Diode，簡稱APD，中文名稱為雪崩光電二極管，屬于半導(dǎo)體光電探測器。
APD的光電流和PD的光電流產(chǎn)生機(jī)制相同，通過給PN結(jié)施加反向電壓，光生載流子碰撞晶格，發(fā)生電離，產(chǎn)生新的電子空穴對，類似于“雪崩”效應(yīng)（即光電流成倍地激增的現(xiàn)象）。雪崩倍增效應(yīng)使得APD具有高的靈敏度，可以探測微弱的光。
二、PD、APD、MPPC（SiPM）、PMT的參數(shù)對比
1、光靈敏度
光靈敏度是指光電探測器對光信號的感知能力，其中PMT和MPPC均能夠?qū)崿F(xiàn)對單個光子的探測。如果探測極微弱光，信噪比的關(guān)系是：PMT＞MPPC（SiPM）＞APD＞PD。
2、增益
增益是指光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，對電子信號的放大能力。PMT是通過連續(xù)的倍增級實現(xiàn)的電子放大。增益對比的關(guān)系是：PMT≈10^7 ＞MPPC（SiPM）≈10^6 ＞APD≈10^2，PD不具備增益能力。
3、響應(yīng)速度
光電探測器的響應(yīng)速度通常用上升時間或者截止頻率來描述。響應(yīng)速度的對比關(guān)系是：PMT＞MPPC（SiPM）/APD，PD分為PN型和PIN型，PIN型＞PN型。
4、工作電壓
工作電壓是指光電探測器在工作時所需要的工作電壓。PMT工作電壓需要上千伏，需要使用到高壓電源。APD 工作電壓在100-500 V，MPPC（SiPM）工作電壓在30-60 V，PD的工作電壓最低，為0-5 V。
5、探測面積
光電探測器的探測面積也是影響探測效率的主要因素。如果對比單個光電探測器的面積大小，PMT的面積是最大的，目前可以做到20英寸；PD、APD、MPPC受噪聲和帶寬的影響，一般在幾毫米量級，需要大面積探測的，可以選擇陣列產(chǎn)品，或者進(jìn)行定制。
6、噪聲
暗噪聲是指光電探測器在沒有光入射時，由于器件本身的原因?qū)е碌碾娏鬏敵?。PMT是真空電子器件，暗噪聲主要來源于器件的漏電流和熱電子發(fā)射。PD、APD、MPPC都屬于半導(dǎo)體器件，暗噪聲來源主要是暗電流的散粒噪聲和分流電阻的熱噪聲。
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