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硅光電倍增管MPPC/SiPM溫度與增益的關系及溫度偏壓補償的必要

        多像素光子計數器 (MPPC),也稱為硅光電倍增器 (SiPM),是一種固態光電倍增管,非常適合單光子計數和其他超低光應用,比如學術研究(生物光子學、粒子物理學、量子計算等)、測量儀器(流式細胞儀,顯微鏡等)、PET掃描儀、激光雷達等。

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        MPPC/SiPM溫度特性一般是指溫度變化引起的MPPC/SiPM增益的變化。這是因為溫度影響擊穿電壓(Vbr),進而影響過電壓(Vov)的大小,過電壓(Vov)指的是反向偏壓(Vbias)與擊穿電壓(Vbr)之差。因此,在有溫度變化的環境下使用MPPC/SiPM,比如戶外,過電壓的變化導致了MPPC/SiPM輸出信號會隨溫度而變化。


一、硅光電倍增管MPPC/SiPM溫度與增益的關系

        溫度會影響MPPC/SiPM擊穿電壓的大小,溫度越高,擊穿電壓越大。這是因為溫度越高,晶格振動越大,載流子在前期加速過程中碰撞到晶格的概率越大,而要想離子化晶格,載流子得具備一定的能量或者說速度,這就導致前期加速中載流子離子化晶格的概率降低,因此需要進一步提升電場強度來彌補這種概率,簡單來說就是需要更高的電壓來實現MPPC/SiPM的擊穿,即擊穿電壓越大。


        由于
硅光電倍增管MPPC/SiPM的增益與過電壓成正比,溫度升高,晶格震動加劇,載流子在獲得足夠大的加速能量之前撞擊晶格的概率增加,電離發生的難度提高,擊穿電壓變大。因此,如果反向偏壓不變,溫度升高會導致增益降低。


        為了使得過電壓保持不變,需要根據這個溫度系數同時提高MPPC/SiPM的工作電壓,從而穩定MPPC/SiPM的增益。


二、如何對硅光電倍增管MPPC/SiPM進行溫度偏壓補償?

        濱松MPPC/SiPM的工作電壓溫度系數是用來維持增益不變的,溫度系數用每攝氏度改變反向偏壓量來表示,以下圖為例,溫度系數約為63 mV/℃。

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        在有溫度變化的地方使用MPPC/SiPM,比如戶外時,MPPC/SiPM輸出信號會隨溫度而變化。為了維持穩定的增益,需要保持器件溫度恒定,或者根據溫度變化調節反向偏壓。


        這個時候,我們根據溫度變化來相應地補償偏壓的大小,就可以使得過電壓保持不變,進而穩定探測器的增益。


        以濱松
S13360-3050CS為例,如果不進行溫度偏壓補償,MPPC/SiPM增益隨溫度升高而下降。濱松開發出了自帶溫度偏壓補償功能的電源模塊,專門用來對MPPC/SiPM進行溫度偏壓補償,例如C11204-01


        如下如所示,通過溫度偏壓補償之后,即使MPPC/SiPM在溫度跨度近60℃的條件下使用,其增益都可以保持非常穩定的狀態。

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