SiPM光子探测性能分析及高精度多光子探测研究.doc

SiPM光子探测性能分析及高精度多光子探测研究SiPM(SiliconPhotomultiplier,硅光电倍增阵列),是一种新型的半导体光子计数探测器件,由数百至数千个硅雪崩光电二极管微元(Si-APDmicrocell)分别串联淬灭电阻而集成。工作于盖革模式下的SiPM具有快速的光子响应速率、卓越的光子数分辨能力、较高的光子探测效率、宽的光谱响应范围、低的工作电压、较强的抗磁场干扰能力及抗冲击等性能优点,在微弱荧光探测、核医学成像、DNA排序、高能物理、天体物理等领域有着极其广泛的应用前景。目前国内外对于SiPM的单光子探测性能及应用已有相关研究,但是并没有针对光子数量为几个到十几个范围内的多光子探测作深入研究。因此,进一步研究SiPM的光子探测性能,对其高精度多光子探测进行统计分析,将是本文的工作重点。本文以滨松公司的HamamatsuS10362-11-050U系列SiPM作为多光子探测核心器件,从微元结构和工作原理出发,分析其多光子探测性能,然后通过大量的实验测试及数据统计分析,建立了基于SiPM的脉冲光信号的多光子探测数学模型,并对其响应的多光子数量进行了高精度统计计算。具体工作内容包括：(1)分析了HamamatsuS10362-11-050U系列SiPM的结构特点及其在盖革模式下的工作原理,给出了其微元的等效电路模型,并对器件关键参数做了详细分析；(2)设计了SiPM测试系统电路原理图、PCB板,搭建了SiPM暗计数测试系统,通过大量的实验测试数据,对暗计数波形进行了统计分析,为后续的高精度多光子计数探测提供了理论基础；(3)重点分析和研究了基于SiPM的激光脉冲信号高精度多光子探测。设计了以激光脉冲作为的激励源的多光子测试系统,一方面对实验测试数据进行统计分析,建立了基本的高斯和分布(SumofGaussiandistribution)数学模型；另一方面依据相干光源的分布特性,建立了基于SiPM的多光子泊松分布(Poissondistribution)数学模型,并根据两种数学模型对原始的测试数据进行统计匹配,给出匹配后的结果；最后结合理论推导及实验数据计算出了激光脉冲中所包含的光子数量,并对匹配效果做了比较,计算了两种数学模型下的相对均方误差RMSE;(4)重点分析和研究了基于SiPM的LED纳秒脉冲光信号多光子探测。首先为了提高实验中使用的InGaN/GaNLED的调制速率,改善其对驱动电流脉冲的响应时间,设计了一种有效的InGaN/GaNLED纳秒脉冲驱动电路。理论分析了光脉冲信号的上升时间、下降时间与驱动电流强度的关系,接着利用电流峰值技术和载流子扫出效应,设计了基于高速MOSFET的纳秒级窄脉冲驱动电路。其次根据设计的LED纳秒脉冲驱动电路,设计了基于SiPM的LED纳秒脉冲光信号多光子探测系统。最后通过对通用光源特性的分析,建立LED多光子的高斯分布模型,对实验测试数据统计匹配,分析了LED在不同驱动高电平下的多光子分布情况,并对光子数目进行了计算。