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硅光电倍增管(MPPC/SiPM)单光子响应及性能测试

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C13365系列光学测量模块能够检测微弱光,C13365-3050SA 模块由 MPPC(S13360-3050CS)、信号放大器电路、高压电源电路和温度补偿电路组成。受光面为 3 × 3 mm,像素尺寸50 μm,像素数量3600个,信号输出为模拟信号。这些模块只需连接到外部电源(±5 V)即可运行。

C13365-3050SA
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S13360-3050CS
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使用方法


如下图所示,只需要输入±5 V的供电电压,通过MMCX-BNC(A12763) 同轴线输出模拟信号。


注意:C13365系列增益为固定值,不可由±5 V的供电电压进行调整;请勿转动电位器,出厂前已设置最佳工作状态。


±5 V接线方法可参考文章:双极性电源接线方法(点击可跳转)。



测试程序


测试条件:
     ● 暗箱避光;
     ● 环境温度25 ℃左右;
     ● 示波器输出阻抗1 MHz。



测试仪器:
     ● 双通道电源(±5 V);
     ● 光源:LED;
     ● 示波器:MSOX3104T。

测试项目(以下项目可点击了解详情):
     ● 暗计数率;
     ● 按脉冲余辉图;
     ● 串扰率;
     ● 1 p.e.波形图;
     ● 1 p.e.与2p.e.波形对比;
     ● 暗脉冲堆叠波形图;
     ● 上升时间&下降时间;
     ● 大脉冲信号输出波形;
     ● 宽脉冲信号输出波形。


测试数据


# 暗计数率





(1)正常上电后,探测器会做出什么反应?
C13365-3050SA上电后示波器会立即出现响应,信号基线在0 mV左右,单光电子幅值约23 mV,其他情况则可能器件出现异常。


(2)暗计数如何分布,p.e.指的是什么?
暗计数随机分布,除了有1 p.e.(等效光电子数),还有2 p.e.和3 p.e.信号。


(3)上电后,暗计数为什么会上升?
模块上电后,通过温度传感器(LM94021)输出电压显示局部温度上升,进一步由于电源模块(C11204-01)的温度补偿功能,反向偏压增加,暗计数率变大,半小时后稳定在580 kHz左右。


# 暗脉冲余辉图




(1)C13365-3050SA输出单光子信号幅值多少?
单光子信号幅值约为23 mV。


(2)为什么感觉触发后的暗计数比触发前的密集?
暗脉冲触发后,后脉冲效应会导致脉冲数比触发前多。


(3)为什么有不同幅值的信号输出?
由于串扰效应,导致MPPC的暗脉冲除了有1 p.e.信号还有2,3,4 p.e.等信号。


(4)不同幅值的信号,幅度有什么联系?
2 p.e.信号是1 p.e.信号幅值的两倍,脉宽相同,其他p.e.信号类推。


# 串扰率




(1)如何估计光学串扰概率?
阈值分别设置为0.5 p.e.和1.5 p.e.时,暗计数率分别为447 kHz/s和24.7 kHz/s;
串扰率计算:crosstalk=N1.5 p.e./N0.5p.e. ≈ 5.5%。


(2)为什么测量的串扰率比S13360-3050的典型值大?
实测串扰率比S13360-3050的典型值(3%)偏大,这是因为暗计数的堆积或者后脉冲的影响,日本在测试串扰率时调整的输出波形从而消除了堆积的影响。


# 1 p.e.波形图




(1)为什么测量的信号幅值只有12 mV左右?
示波器50 Ω负载(左),示波器1 MΩ负载(右) ;推荐使用终端电阻为10 kΩ到1 MΩ。


# 1 p.e.与2p.e.波形对比



(1)1 p.e.与2p.e.波形有什么区别?
1 p.e波形(左),2 p.e波形(右),2 p.e.信号是1 p.e.信号幅值的两倍。


# 暗脉冲堆叠波形图



(1)两个暗计数信号前后发生的波形效果怎样?
如图所示,堆叠波形可以是两个暗计数波形的叠加输出,此外,一个暗计数并产生一个后脉冲波形效果类似。



# 上升时间&下降时间




(1)MPPC时间特性怎么样?
MPPC的上升时间可达1-2 ns,受限探测器系统带宽,该模块上升时间为8.8 ns @ 1 p.e.;下降时间为51.6 ns @ 1 p.e.。


# 大脉冲信号输出波形



(1)探测器对LED大脉冲信号响应如何?
如图所示,通过LED输出大脉冲信号,脉宽40 ns,脉冲幅值正比于光强。对于大脉冲信号,信噪比极高。


# 宽脉冲信号输出波形



(1)探测器对LED宽脉冲信号响应如何?
如图所示,通过LED输出宽脉冲信号,脉宽4 us。对于宽脉冲信号,多个APD同时并持续发生雪崩,导致信号台阶上去后下不来,直到LED处于熄灭状态。



相关工程师


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