Сравнение матриц кремниевых фотоумножителей формата 4х4 компаний SensL и Hamamatsu
Рынок кремниевых фотоумножителей (SiФЭУ) состоит из нескольких производителей, разрабатывающих свои детекторы по разным технологиям. Компании Hamamatsu (Япония) и SensL (Ирландия) являются, пожалуй, наиболее известными серийными производителями кремниевых фотоумножителей, которые изготавливают матрицы SiФЭУ больших размеров. Цель данной работы - охарактеризовать и сравнить матрицы кремниевых фотоумножителей формата 4х4 изготавливаемые этими двумя производителями. Оба тестируемых SiФЭУ произведены по технологии сквозных отверстий в кремнии (TSV – Through Silicon Via), состоят из 16-ти лавинных фотодиодов с размером активной области 3х3 мм каждый и имеют коэффициент заполнения чуть более 60%. Основное различие матриц заключается в количестве микроячеек в каждом сенсоре и в целом в массиве (55 424 микроячеек у Hamamatsu и 76 640 микроячеек у SensL). В случае с SiФЭУ производства SensL спектральная кривая чувствительности незначительно смещена в область более коротких длин волн с максимум на длине волны 420 нм (450 нм у Hamamatsu). Нижеприведенные измерения включают в себя подбор оптимального рабочего напряжения (относительно получаемого энергетического разрешения), проверка наличия избыточного шума и оценка линейности характеристик. Кроме того измерения содержат результаты гамма спектрометрии со сцинтилляторами LSO, BGO и CsI:Tl, а также температурную зависимость детекторов. В результате измерений было выявлено, что матрицы SiФЭУ компании SensL имею лучшую производительность по сравнению с сенсорами Hamamatsu.
1. Введение
На рынке кремниевых фотоумножителей существуют несколько производителей, которые изготавливают сенсоры по разным технологиям. Лучшей методикой сравнения сенсоров является измерение их характеристик при различных условиях работы. SiФЭУ разных производителей имеют различное напряжение смещения, напряжение пробоя и перенапряжение, разные температурные зависимости, эффективность регистрации фотонов, а также отличающийся геометрический коэффициент заполнения.
Наиболее популярные производители больших матриц кремниевых фотоумножителей – Hamamatsu (Япония) и SensL (Ирландия). Цель данной работы – это охарактеризовать и сравнить матрицы кремниевых фотоуможителей размера 4х4 изготавливаемые этими двумя производителями при использовании в гамма спектрометрии со сцинтилляторами. Нижеприведенные измерения включают в себя подбор оптимального рабочего напряжения (относительно получаемого энергетического разрешения), проверка наличия избыточного шума и оценка линейности характеристик. Кроме того измерения содержат результаты гамма спектрометрии со сцинтилляторами LSO, BGO и CsI:Tl, а также температурную зависимость.
2. Характеристики сенсора
А. Сцинтилляторы
Таблица 1 - Основные параметры используемых кристаллов сцинтилляторов
|
Кристалл |
Размер [мм3] |
Форма |
Время высвечивания |
Производитель |
Длина волны максимума излучения |
Световой выход фотонов/МэВ |
|
CsI:Tl |
12x12x12 |
Куб |
680 нс/3.34 мкс |
Amcrys C |
550 |
61000±3000 |
|
LSO |
12x12x12 |
Куб |
40 |
UT Knoxville |
420 |
27300±1400 |
|
BGO |
12x12x12 |
Куб |
300 |
UT Knoxville |
480 |
8500±350 |
B. SiФЭУ
Таблица 2 - Основные параметры используемых SiФЭУ
|
Производитель |
Hamamatsu |
SensL |
|
Технология |
TSV (сквозные отверстия в кремнии) |
|
|
Тип |
S12642-0404PA |
MicroFMV-30035-TSV |
|
Кол-во каналов |
16 (4х4) |
|
|
Активная область/канал |
3х3 мм |
|
|
Эффективная активная область (мм) |
12х12 |
|
|
Количество микроячеек/канал |
3 464 |
4 790 |
|
Общее кол-во микроячеек |
55 424 |
76 640 |
|
Размер микроячейки |
50х50 мкм |
44х44 мкм |
|
Коэффициент заполнения |
62 |
64 |
|
Коэффициент умножения |
1.25х106 |
6х106 |
|
Диапазон спектральной чувствительности (максимум чувствительности) |
320-900 нм (450 нм) |
300-800 нм (420 нм) |
|
Емкость/канал |
342 пФ |
900 пФ |
|
Температурный коэффициент |
60 мВ/°С |
21.5 мВ/°С |
Рис.1. Эффективность регистрации фотонов (PDE) кремниевыми фотоумножителями SensL и Hamamatsu нормированная по пиковой чувствительности, исходя из данных производителей
Большинство измерений характеристик кремниевых фотоумножителей проводились в климатической камере при температуре 20°С. Все исследования проводились с использованием стандартного оборудования для спектроскопии, состоящего из сцинтилляционного предусилителя Canberra 2005, соединенного с быстрым спектроскопическим усилителем Canberra Model 2024.
3. Результаты
A. Оптимальное рабочее напряжение в гамма спектрометрии
Для достижения линейного отклика детектора при увеличенном напряжения смещения использовались:
- Сцинтиллятор со слабым световыходом: 12х12х12 мм BGO,
- Низкая энергия гамма-частиц: 320 кэВ от 51Cr.
В случае гамма спектрометрии оптимальное рабочее напряжение — это необходимый баланс между увеличением числа фотоэлектронов при большем напряжении смещения из-за повышения эффективности регистрации фотонов (PDE) и ухудшением энергетического разрешения вследствие увеличения шумов.
Рис.2. Зависимость энергетического разрешения от напряжения смещения при облучении гамма квантами с энергией 320 кэВ детекторов 4х4 Hamamatsu SiФЭУ (слева), 4х4 SensL SiФЭУ (справа) с кристаллом BGO 12х12х12 мм.
Рис.3. Энергетический спектр гамма квантов с энергией 320 кэВ, измеренный с помощью детекторов: 4х4 Hamamatsu SiФЭУ (слева), 4х4 SensL SiФЭУ (справа) сопряженных с кристаллом BGO 12х12х12 мм.
Таблица 3 - Оптимальные напряжения тестируемых образцов матриц SiФЭУ
|
Производитель |
Hamamatsu |
SensL |
|
Оптимальное рабочее напряжение |
66.40 В |
28.25 В |
|
Перенапряжение |
2.10 В |
3.68 В |
|
Напряжение пробоя |
64.3 В |
24.57 В |
|
Энергетическое разрешение при 320кэВ, измеренное с помощью сцинтиллятора BGO размером 12х12х12 мм |
13.2±0.4% |
12.2±0.4% |
|
Число фотоэлектронов [фэ/МэВ]* |
2 420 ± 240 |
2 400 ± 400 |
*- число фотоэлектронов при поглощении энергии 1 МэВ
B. Зависимость положения пика от напряжения смещения при постоянной температуре.
Рис.4 Спектр 137Cs или 51Cr как функция напряжения смещения, измеренный с помощью SiФЭУ Hamamatsu (слева) и SensL (справа)
Рис.5 Пиковое значение для источников 137Cs или 51Cr как функция напряжения смещения, измеренное с помощью SiФЭУ Hamamatsu (слева) и SensL (справа). Пиковое значение было нормировано по минимальному напряжению смещения.
С. Температурная зависимость
С1. Зависимость напряжения пробоя от температуры
В данном случае для определения напряжения пробоя использовался метод описанный ранее в статье [1]. Все измерения проводились в климатической камере при температуре от -20°С до 0°С с шагом +2°С или +5°С (см. рис.6). Погрешность считывания температуры на уровне 0.2°С.
Рис.6 Зависимость напряжения пробоя от температуры
Измерения также проводились в климатической камере при различных температурах в диапазоне от +20°С до +30°С с шагом +1°С. В качестве образца использовались детекторы с BGO кристаллом. Напряжение смещения было неизменным и составляло 66.40 В для SiФЭУ Hamamatsu и 28.25 В для SiФЭУ SensL.
Рис.7 Спектр 137Cs или 51Cr как функция температуры, измеренный с помощью SiФЭУ
Hamamatsu (слева) и SensL (справа)
Таблица 4 - Основные параметры двух матриц SiФЭУ, измеренные в данном исследовании
|
Производитель |
Hamamatsu |
SensL |
|
Перенапряжение (В) |
2.1±0.1 |
3.68±0.1 |
|
Темновой ток при оптимальном рабочем напряжении |
19 500 нА ± 1 950 |
5 520 нА ±550 |
|
Температурный коэффициент |
60.2 мВ/°C |
20.7 мВ/°C |
|
Изменение пикового значения |
7.02%/°С |
2.09%/°С |
|
Изменение пикового значения |
1.12% на каждые 10 мВ |
0.49% на каждые 10 мВ |
|
ENF* при оптимальном рабочем напряжении |
1.7±0.1 |
1.5±0.1 |
* - excess noise factor (фактор избыточного шума)
E. SiФЭУ в гамма спектрометрии со сцинтилляторами
Е1. Линейность
Линейный диапазон отклика тестируемых SiФЭУ измерялся при использовании трех различных сцинтилляционных материалов методом описанном в источнике [2]. С этой целью 3 спектра с тремя различными радиоактивными изотопами 152Eu (9.9 кэВ рентген излучение, 121.8, 244.7, 344.3, 1085.8 и 1408 кэВ гамма излучение), 137Cs (661.6 кэВ) и 22Na (511, 1274.5 кэВ) были измерены при одинаковых условиях, тем самым были определены позиции энергетических пиков. Далее те же самые измерения были проведены с помощью фотоэлектронного умножителя XP2020Q. Превосходная линейность ФЭУ XP2020Q позволяет отслеживать «корректность» позиций энергетических пиков и оценить линейность отклика SiФЭУ. Пиковые значения для энергий 39.9 кэВ или 121.8 кэВ (в зависимости от световыхода тестируемого сцинтилляционного кристалла) использовались для нормировки по отклику ФЭУ и SiФЭУ.
Рис.8. Линейность SiФЭУ в случае считывания детектором с BGO кристаллом 12x12x12 мм
(Hamamatsu- слева, SensL- справа)
Рис.10. Линейность SiФЭУ в случае считывания детектором с CsI:Tl кристаллом 12х12х12 мм
(Hamamatsu- слева, SensL- справа)
Е2. Гамма спектрометрия
Таблица 5 - Энергетическое разрешение исследуемых SiФЭУ
|
Сцинтиллятор |
Параметры
|
Hamamatsu |
SensL |
|
BGO |
Энергетическое разрешение 662 кэВ |
8.9±0.3% |
8.8±0.3% |
|
Число фотоэлектронов/ МэВ |
2 400 ± 240 |
2400 ± 400 |
|
|
LSO |
Отношение 1274.5/511 |
2.24 |
2.38 |
|
Энергетическое разрешение 662 кэВ |
8.65±0.3% |
9.41±0.3% |
|
|
Энергетическое разрешение 662 кэВ после коррекции |
9.78±0.3% |
9.83±0.3% |
|
|
Число фотоэлектронов/МэВ |
9 218 ± 920 |
11 400 ± 1 700 |
|
|
CsI:Tl |
Отношение 1274.5/511 |
2.33 |
2.45 |
|
Энергетическое разрешение 662 кэВ |
5.66±0.2% |
5.38±0.2% |
|
|
Энергетическое разрешение 662 кэВ после коррекции |
5.75±0.2% |
5.64±0.2% |
|
|
Число фотоэлектронов/МэВ |
15 000 ± 1 500 |
10 000 ± 1 500 |
4. Заключение
Гамма спектрометрические исследования с использованием трех различных сцинтилляторов показали схожую производительность, что отразилось в практически одинаковом энергетическом разрешении, наиболее важном параметре в большинстве применений. Однако, некоторые другие важные параметры, такие как температурная стабильность, напряжение смещения и его влияние на коэффициент усиления SiФЭУ значительно лучше у кремниевых фотоумножителей фирмы SensL. Более того, матрицы SensL показывают лучшую линейность благодаря большему количеству микроячеек. Данные измерения показывают, что матрицы SiФЭУ 4x4, производимые компанией SensL, имеют превосходные результаты.
