多像素光子计数器（MPPC）的性能测试

马付平 张广鑫 张高龙 王涛峰

（北京航空航天大学物理科学与核能工程学院，北京 100191）

MPPC是由滨松光学株式会社开发的，它最初是在俄罗斯发展的一种Si-PM（硅光电倍增管）产品.MPPC是一个基于Si雪崩二极管的光子计数装置，目前已被欧洲核子研究中心（CMS）采用.滨松用 MPPC的商标命名了这个产品[1].MPPC是一种新兴的光子计数器，全称“Multi-Pixel Photon Counter”，其中Pixel指一个工作在雪崩状态下的二极管探测器（APD）[2].MPPC的主要优势是在较低工作电压下有较高增益倍数，可以探测强度很弱的γ射线[3].该器件的特色是采用了盖革模式雪崩光电二极管结构[4]来实现超低量级光探测[5，6].该装置很容易与外部电路联接实现简单运转，封装尺寸仅为5mm.该光子计数器有效面积为1mm×1mm，有3种工作像素模式100，400及1600pix.每个像素包含一个猝熄电路，同时发生的光子事件被高精度计数.该器件的典型增益值为25万至几百万，具体数值依赖于像素数量.且对紫外及蓝光探测效率更高，灵敏中心波长为400nm.与传统光电倍增管不同[6]，该器件可在低于90V的电场下运转且对磁场不敏感.滨松光子计数器提供该器件的紧凑模块包含多像素光子计数器件（1600pix，400pix）、电流—电压转换电路、高电压功率供应电路、高速比较电路、计数电路及微处理器.光子探测阈值可通过计算机进行调节，模块与计算机间通过USB技术实现通信.该型计数器是许多领域的理想产品，如：正电子断层扫描术、高能物理、DNA排序、荧光测量、核医学、药物检测、医学诊断装置、环境分析系统等.

目前在核物理实验研究方面，有时需要用到上百路的塑料闪烁探测器，这就要求在探测器设置方面需要小型化，而且性能上要能达到光电倍增管读出的塑料闪烁探测器性能.本文主要从MPPC的基本性质着手，进行简单测试，以便了解和掌握其优异的性能，为实验室开展MPPC读出闪烁测器的研究提供重要参考数据.

1 实验测量

本文针对实验室已有的型号为S10362-33的MPPC，配合使用5cm×5cm和10cm×10cm塑料闪烁体，分别研究了MPPC对闪烁体时间分辨、位置分辨等性能.

1.1 MPPC工作电路

MPPC工作电路如图1所示[6]，但实际操作中电容电阻的选择需要视情况而定.我们所用的MPPC型号为S10362-33，反向击穿电压为75V左右.

1.2 测试电路

如图2所示，本次实验采用了分别在5cm×5cm和10cm×10cm塑料闪烁体的四周对称放置4个MPPC的方法来测定塑料闪烁探测器的时间分辨和位置分辨.

图1 MPPC的工作电路

图2 实验连接图

为了更好地测试MPPC的时间性能，每次测试用相对的两个MPPC进行测量.如图3所示，为搭建的实验测试电子学线路图.用90Sr-90Yβ放射源去照射塑料闪烁体，其中相对的两个MPPC收集光子信号，经过光电转换，将两个MPPC的电信号分别经过恒比定时插件584进行定时操作[7].其中将第一路信号经过定时后的Timing信号进行延迟，并与第二路的BK信号符合，将符合后的信号作为start信号，而第二路的Timing信号经过适当延迟后作为stop信号，把两路信号输入到时幅变换器TAC里面，将时间间隔Δt转成脉冲信号，将此信号送入多道脉冲幅度分析器（Multi Channel Analyzer（MCA）），在计算机上得到时间谱，即测量到时间谱.

图3 实验测试电路图

1.3 坪曲线测量

从说明书中可知，型号为S10362-33的MPPC的工作电压为75V左右，但是在实验中观察到，不同的MPPC工作电压有一些不同，所以，根据实际情况需要测出实验所用的各个MPPC的工作电压，即坪曲线.图4为以5cm×5cm的塑料闪烁体上的一个MPPC为例，得出的坪曲线，选取该MPPC所加电压为77V.同理，可以得到每一个MPPC合适的工作电压.

图4 MPPC坪曲线测试图

2 实验数据处理和分析

2.1 时间分辨测量

图5 塑闪上选取的点

在上述实验方案的指导下，综合考虑到放射源的散射和塑料闪烁体的特性，先在加限束孔和没加限束孔的情况下，配合使用5cm×5cm塑料闪烁体，测试了MPPC的时间分辨.在5cm×5cm塑料闪烁体上选取了9个点，如图5所示.表1是在有、无限束孔情况下，测得的实验数据.对时间分辨通常采用时间谱中测得时间峰值一半处的宽度来进行表示，即 Full Width of Half Maximum（FWHM）.之后，按照图5的方式打了9个直径是1mm的孔，让放射源经过限束孔去辐照塑料闪烁体，然后再次重复上述步骤，测得的结果如表1所示.

表1 5cm×5cm塑料闪烁体在有、无限束孔时测试的时间分辨

对比表1中的两个结果，会观察到，加了限束孔以后，MPPC的时间分辨有了明显的提高.主要是因为放射源在辐照塑闪的时候，放射源孔有一定的尺寸，会造成一定的散射，对结果造成影响.加上限束孔后，限制了束斑大小，可以有效减小误差.所以，加上限束孔对后续实验的进行非常必要.因此对10cm×10cm的塑闪加了限束孔进行了测试，数据如表2所示.

表2 10cm×10cm塑料闪烁体在有限束孔时的测试结果

对比表1和表2在加了限束孔下的测试结果可知，5cm×5cm的塑闪要比10cm×10cm的塑闪的时间分辨能力好得多.主要原因是塑闪越大，光子在塑闪的传播过程中散射越大，光损失也就越大，从而到达MPPC的光子的时间涨落就非常大，所以时间分辨就越差.

2.2 位置分辨

对位置分辨，主要是看相邻两个孔得到的时间分辨峰是否能够清楚地分开.因此对5cm×5cm塑料闪烁体在不同位置测得的时间分辨谱进行对比，如图6所示.可以看出，其中能彼此分开的峰是位置1、位置2、位置3、位置6、位置7、位置8和位置9处测得的峰.所以，根据图5中相邻两孔之间的距离是2.5cm，可以得出结论，在5cm×5cm的塑料闪烁体情况下，利用MPPC能分开的最小距离是2.5cm.

图6 5cm×5cm的塑料闪烁体位置分辨

3 结语

实验中利用塑料闪烁体与MPPC组成的闪烁探测器进行了测量，按照测试的结果可知，为了提高塑闪的时间分辨率，在实验中要加限束孔.随着塑料闪烁体尺寸的增加，光子在其中走过的路径上强度损失严重，信号的歧离涨落会很大，造成时间分辨率会变差.探测器的位置分辨大约为2.5cm.根据这些测量结果，可知MPPC能够胜任组成塑料闪烁探测器，再加上它的信价比和尺寸，用它组成的闪烁探测器在实验中具有很大的优势.

[1]赵帅，郭劲，刘洪波，等.多像素光子计数器在单光子中的应用[J].光学精密工程，2011，19（5）：972-976.

[2]雪崩光电二极管工作特性及等效电路模型 [OL].http：／／www.nexoncn.com／read／b1a569312b315f19d4a6ad8a.html.

[3]Yamamoto K，Yamamura K，Sato K，et al.Development of Multi-Pixel Photon Counter（MPPC）[C]／／Nuclear Science Symposium Conference Record，NJ：IEEE Press，2007：1511-1515.

[4]Taguchi M.Development of Multi-Pixel Photon Counters and readout electronics [D].Kyoto：Kyoto University，2007.

[5]赵凯华.量子物理 [M].北京：高等教育出版社，2001.

[6]吴治华.原子核物理实验方法 [M].北京：原子能出版社，1997.

[7]王芝英.核电子技术原理[M].北京：原子能出版社，1989.