光电探测器选型

PMT(图1)由光敏表面(光电阴极)、电子倍增器(dynodes)和收集电极(阳极)组成，这些电极位于真空玻璃或金属外壳内。光进入输入窗口并被光电阴极吸收。一个电子从阴极发射出来，在外加电压的作用下加速到第一阴极。电子被加速到足够的电位，当它与一个节点碰撞时，产生二次电子。这些次级电子依次被加速到下一个节点，这个过程不断重复，直到电子云在阳极被收集。

PMT的增益可以通过以下表达式估算：

µ=电流放大(增益)

δ=倍增极的二次发射比

n=倍增极级数

对于二次发射比为8的9级PMT，电流放大约为10^7。大增益和低噪声使PMT在许多应用中成为有吸引力的检测器。然而，它并不是唯一拥有内部增益的设备。

硅光电二极管本质上是由一个正掺杂的P区和一个负掺杂的N区组成的PN结。在这两者之间存在一个称为耗尽区的中性电荷区域。当光进入该装置时，晶体结构中的电子被激发。如果光的能量大于材料的带隙能量，电子将进入导带，在电子所在的价带中产生空穴。这些电子-空穴对在整个装置中产生。在耗尽区产生的粒子漂移到各自的电极上:N代表电子，P代表空穴。这导致正电荷在P层中积聚，负电荷在N层中积聚。电荷的数量与落在探测器上的光的数量成正比。如果将外部电路连接到P和N电极上，就会产生电流。这是光伏发电法。

在光导模式下，对光电探测器施加反向偏置。这增加了电极之间的电场强度和耗尽区的深度。优点是速度更快，电容更小，线性度更好;然而，暗电流变得更大。通常，PIN光电二极管和APD以这种方式工作。

APD(图2)是一种专用的硅PIN光电二极管，设计用于高反向偏置电压下工作。大的反向电压在PN结处产生高电场。一些电子空穴对通过或在此场中产生获得足够的能量(大于带隙能量)，以产生额外的电子空穴对。这个过程被称为撞击电离。如果新产生的电子-空穴对获得足够的能量，它们也会产生电子-空穴对。这被称为雪崩倍增，是APD产生内部增益的机制。当检测器与放大器结合使用时，内部增益是一个重要的属性。

图2:雪崩光电二极管的横截面

硅光电倍增管(SiPM)具有一组像素或微单元，由并联连接的盖革模式APD组成(图3)。SiPM的每个像素中的APD工作在其击穿电压以上，以增加内部增益。在这个过电压下，APD是稳定的，直到一个电子进入雪崩区，导致雪崩区击穿，APD成为导体。这被称为盖革放电。击穿产生的电流大;因此，信号增益(>10^5)很大，因为单个电子产生的电流很大。

然而，一个触发一次的装置并不是一个非常有用的探测器，因此需要一种阻止击穿或重置APD的方法。通常，这是通过将“淬火”电阻与APD串联来完成的。当结击穿时，大电流流过该电阻，导致横跨电阻和APD的电压降。如果压降足够，APD电压将降至击穿电压以下并复位。放电和复位循环被称为盖革操作模式。

图3：硅光电倍增管(SiPM)的简化结构

SiPM中的每个像素在检测光子时都会输出一个脉冲，因此每个像素的输出之和构成SiPM的输出。这允许计数单个光子或检测多个光子的脉冲。当光子通量较低且光子到达的时间间隔长于一个像素的恢复时间时，SiPM将输出相当于单个光电子的脉冲。当光子通量高或光子以短脉冲(脉冲宽度小于恢复时间)到达时，像素输出将加起来并等于2个光电子或3个光电子脉冲。

审核编辑 黄宇