Кремниевые фотоумножители
Кремниевые фотоумножители открывают новые возможности
Кремниевый фотоумножитель (далее Si-ФЭУ) представляет собой микропиксельный лавинный фотодиод, работающий в гейгеровском режиме и предназначенный для счета фотонов. Каждый пиксель Si-ФЭУ создает импульсный выходной сигнал при обнаружении единичного фотона. Общий выходной сигнал кремниевого фотоумножителя представляет собой сумму выходных сигналов с каждого пикселя. Кремниевые фотоумножители обладают высокой обнаружительной способностью необходимой для счета фотонов и используются в различных применениях, в которых требуется детектирование очень слабых световых сигналов на уровне единичных фотонов.
Свет, воспринимаемый человеческим глазом, обычно состоит из потока частиц света (фотонов), которые создают определенную яркость. С уменьшением яркости светового потока фотоны начинают отделяться друг от друга. Метод счета фотонов позволяет измерить световые потоки низкой освещенности путем подсчета числа фотонов. Фотоэлектронные умножители и лавинные фотодиоды являются наиболее распространенными детекторами для счета фотонов.
Лавинные фотодиоды представляют собой высокоскоростные фотодиоды, усиливающие внутренний фототок при приложенном обратном напряжении. В случае если обратное напряжение, приложенное к лавинному фотодиоду, превышает напряжение пробоя, внутреннее электрическое поле становится настолько сильным, что позволяет получить высокий коэффициент усиления фотодиода (10е5-10е6). Такой режим работы лавинного фотодиода называется "режим Гейгера". Генерируемые носители заряда создают новые электрон-дырочные пары, которые ускоряются высоким внутренним электрическим полем. 
Вновь созданные носители также ускоряются в приложенном поле, чтобы создать еще больше носителей, и этот процесс повторяется снова и снова (лавинное умножение) - коэффициент усиления становится пропорциональным приложенному напряжению. При работе фотодиода в режиме Гейгера возникает очень большой импульс, вызванный инжекцией в лавинный слой носителя заряда созданного фотоном, падающим на активную поверхность фотодиода. Обнаружение этого импульса позволяет обнаружить единичные фотоны. Каждый пиксель состоит из лавинного фотодиода, работающего в гейгеровском режиме, к которому последовательно подключен гасящий резистор (добавочное сопротивление). Кремниевый фотоумножитель состоит из множества таких пикселей. Суммарный выходной сигнал, получаемый с каждого пикселя, представляет собой выходной сигнал кремниевого фотоумножителя.
Кремниевые фотоумножители обеспечивают превосходную обнаружительную способность для счета фотонов. Подключив Si-ФЭУ к усилителю, на экране осциллографа можно увидеть четкие сигналы в зависимости от количества фотонов. Тот факт, что отдельные пики четко выражены и различимы друг от друга говорит о том, что существует минимальная вариация между коэффициентами усиления отдельных пикселей, из которых состоит кремниевый фотоумножитель.
Характеристики кремниевых ФЭУ
Режим Гейгера
Режим Гейгера представляет собой методику, при которой лавинный фотодиод работает при обратном напряжении, превышающем напряжение пробоя. При гейгеровском режиме работы в фотодиоде создается сильное электрическое поле, создающее разряд при малом световом потоке, падающем на поверхность фотодиода. Это явление известно как "разряд Гейгера". В этой точке электронный коэффициент усиления достигает 10е5-10е6 и значение выходного тока постоянно в независимости от числа падающих фотонов. При нормальном режиме работы лавинного фотодиода (обратное напряжение ниже напряжения пробоя) коэффициент усиления составляет десятки-сотни единиц. При работе в режиме Гейгера (обратное напряжение превышает напряжение пробоя) коэффициент усиления достигает 10е5-10е6. Подключение к фотодиоду гасящего резистора (добавочное сопротивление) позволяет получить выходной сигнал постоянного уровня при детектировании фотона.
Принцип работы кремниевого ФЭУ
Кремниевый фотоумножитель состоит из множества пикселей лавинных фотодиодов соединенных параллельно и работающих в гейгеровском режиме. При попадании фотона на активную область фотодиода выходной сигнал с каждого пикселя постоянен и не зависит от числа падающих фотонов. Это означает, что каждый пиксель фотодиода позволяет получить информацию о том, сколько фотонов попало на поверхность фотодиода. Гасящий резистор (добавочное сопротивление) присоединен к каждому пикселю и позволяет выходному току протекать через него. Поскольку все пиксели фотодиода соединены в один считывающий канал, то выходные импульсы с пикселей суммируют друг друга, создавая большой импульс. Измеряя высоту или электрический заряд этого импульса, можно определить количество фотонов детектируемое кремниевым ФЭУ.
Qout = C x (Vr - Vbr) x Nf,
где С – емкость одного пикселя, Vr – обратное напряжение, Vbr – напряжение пробоя, N – число пикселей фотодиода, которые детектируют фотоны.
Коэффициент усиления можно определить из выходного заряда кремниевого ФЭУ, который детектирует фотоны. Коэффициент усиления меняется в зависимости от обратного напряжения приложенного к Si-ФЭУ. Интенсивность импульсного светового сигнала существенно снижается оптическим аттенюатором и излучается на поверхность кремниевого ФЭУ. Выходной сигнал с Si-ФЭУ обрабатывается компьютером для получения частотного распределения выходного заряда.
На горизонтальной оси показаны каналы АЦП, которые представляют суммарный оцифрованный заряд кремниевого ФЭУ. Скорость преобразования АЦП составляет 0.382 фКл/канал. Величина выходного заряда увеличивается вдоль горизонтальной оси. Вертикальная ось представляет частоту (число событий) каждого канала (выходной заряд). Как видно кривая распределения представлена в виде отдельных пиков. Начиная с левой стороны показан пик каждой кривой: основание, 1 э.ф. (эквивалент фотона), 2 э.ф., 3 э.ф. и т.д. Этот пример показывает, что импульсный свет, главным образом состоящий из одного или двух фотонов, детектируется кремниевым ФЭУ. Расстояние между соседними пиками точно соответствует выходному заряду единичного детектируемого фотона. Поэтому коэффициент усиления (умножения) определяется следующим выражением:
КУ = (число каналов между двумя пикселями х скорость преобразования АЦП)/заряд электрона
Число каналов между двумя соседними пиками равняется 130 каналам, скорость преобразования АЦП составляет 0.382 фКл/канал и электрический заряд электрона равен 1.6х10е-19 Кл, поэтому коэффициент усиления составляет 3.1х10е5. Для повышения точности коэффициент усиления рассчитывается усреднением значений пиков между несколькими каналами.
Температурная зависимость коэффициента усиления
Коэффициент усиления кремниевого ФЭУ зависит от температуры. С повышением комнатной температуры усиливаются колебания кристаллической решетки. В связи с этим повышается вероятность того, что носители могут столкнуться с кристаллической решеткой, прежде чем энергия ускоренного носителя станет достаточно большой для возникновения процесса ионизации. Более того, с повышением температуры при фиксированном обратном напряжении снижается коэффициент усиления. Для получения стабильного выходного сигнала важно подстраивать обратное напряжение в соответствии с изменением температуры или поддерживать работу кремниевого ФЭУ при постоянной температуре.
Эффективность обнаружения фотонов
Эффективность обнаружения фотонов PDE представляет собой величину, которая показывает какое количество падающих фотонов детектируется кремниевым ФЭУ. Не все носители генерируемые падающими фотонами создают импульсы, достаточно большие, чтобы быть детектируемыми. Эффективность обнаружения фотонов PDE увеличивается с ростом напряжения смещения и определяется следующим выражением:
PDE = Квантовая эффективность х коэффициент заполнения х вероятность возникновения лавины
Коэффициент заполнения = Эффективный размер пикселя / Суммарный размер пикселя
Вероятность возникновения лавины = Число возбужденных пикселей / Число падающих фотонов
С другой стороны общее число пикселей определяет динамический диапазон для падающих фотонов. Поскольку каждый пиксель детектирует один или несколько фотонов, линейность детектирования фотонов снижается при увеличении числа падающих фотонов относительно общего числа пикселей.
Nf = Nt x [1- exp (-Np x PDE/Nt)],
где Nf – число возбужденных пикселей, Nt – общее число пикселей, Np – число падающих фотонов.
Для измерения эффективности обнаружения фотона, используя значение выходного тока кремниевого ФЭУ, следует применять монохроматор.Для начала нужно подобрать фотодиод с заранее известной спектральной характеристикой. На основании фоточувствительности фотодиода при данной длине волны (отношение фототока к интенсивности падающего светового потока, измеряемое в А/Вт) используя значение фототока можно определить число падающих фотонов на поверхность фотодиода.
Далее необходимо установить кремниевый фотоумножитель в тоже положение, что и фотодиод и после этого измерить спектральную характеристику Si-ФЭУ. Предварительно нужно измерить коэффициент усиления. Разделив значение фототока полученное из спектральной характеристики на электрический заряд (1.6х10е-19 Кл), можно найти число фотонов детектируемых кремниевым фотоумножителем.
PDE = (число фотонов детектируемых Si-ФЭУ / число фотонов, падающих на фотодиод) х (активная область фотодиода / активная область Si-ФЭУ)
Так как число фотонов детектируемых Si-ФЭУ определяется из фототока, то эффективность обнаружения фотонов, получаемая из выше указанного уравнения, принимает во внимание эффекты перекрестных помех и ложных импульсов.
Применения, в которых используются кремниевые фотоумножители
Кремниевые фотоумножители широко используются в различных применениях, связанных с обнаружением очень слабых световых сигналов на уровне счета единичных фотонов. Si-ФЭУ обеспечивает высокую обнаружительную способность необходимую для счета фотонов. Этот детектор обладает такими преимуществами как высокий коэффициент усиления при работе при низком напряжении смещения, высокая эффективность обнаружения фотона, быстродействие, высокая скорость счета, отличное временное разрешение и широкий спектральный диапазон. Благодаря тому, что кремниевый фотоумножитель представляет собой полупроводниковый детектор, он имеет дополнительные преимущества, такие как высокая механическая прочность, отсутствие эффекта выгорания вызванного насыщением световым потоком, возможность счета фотонов при комнатной температуре, так как Si-ФЭУ не требует дополнительного охлаждения. Все эти особенности делают Si-ФЭУ идеальной заменой для существующих детекторов, которые применяются для счета фотонов. Кремниевые фотоумножители идеально подходят для различных областей применения, включая флуоресцентный анализ, измерение времени жизни при флуоресценции, биологическая проточная цитометрия, конфокальная микроскопия, биохимические сенсоры, биолюминесцентный анализ.
Еще одной уникальной особенностью кремниевых фотоумножителей является нечувствительность к воздействию магнитных полей. Благодаря данной особенности Si-ФЭУ применяются в качестве детекторов для ПЭТ сканнеров (позитронно-эмиссионная томография), кроме того ПЭТ сканеры могут быть интегрированы в МРТ системы (магнитно-резонансная томография) для создания нового типа оборудования. При применении в ПЭТ сканнерах и в высокоэнергетичных калориметрах обычно число падающих фотонов настолько велико, что в качестве детектора могут выступать Si-ФЭУ с малым числом пикселей, большим шагом пикселя и высоким коэффициентом заполнения.
Компания SensL, основанная в 2004 году в городе Корк (Ирландия), разрабатывает и производит инновационные кремниевые фотоумножители, а также широкоформатные матричные детекторы и модули счета фотонов на их основе. Компания SensL производит широкую номенклатуру кремниевых фотоумножителей, обеспечивающих детектирование слабого оптического сигнала и подсчет единичного фотона в диапазоне длин волн от 400 до 1100 нм. Si-ФЭУ поставляются в металлическом корпусе ТО-46, ТО-8 и ТО-5, а также в керамических корпусах, в которых детектор монтируется на керамическую подложку и покрывается прозрачной эпоксидной смолой для применений, требующих превосходного соединения с нанесенным на активную область сцинтиллятором.
