ساختار، ویژگی ها و کاربردهای سیلیکون Photomultiplier (SiPM)

فوتو مولتی پلایر سیلیکون ( SiPM ) یک آشکارساز پرتودرمانی با حالت جامد است که با جذب یک فوتون، یک پالس جریان خروجی تولید می کند. این سنسورهای مبتنی بر اتصال P-N با حساسیت به تک فوتون می توانند طول موج های نوری را از نزدیکی ماوراء بنفش (UV) تا مادون قرمز نزدیک (IR) تشخیص دهند. به طور کلی، حالت جامد SiPM جایگزین بهتری برای لوله های فتوسنتز کننده حجیم فراهم می کند و برای سنجش، تعیین کمیت و زمان بندی همه سطح های نور تا یک فوتون واحد مناسب است.

اینجا ببینید: آموزش تعمیرات بردهای الکترونیکی با 30 درصد تخفیف و مدرک رسمی از سازمان فنی و حرفه ای

برنامه ها و مزایای SiPM

از مزایای عمده پلایر سیلیکون می توان به افزایش بالا، عملکرد ولتاژ پایین، عملکرد عالی زمان بندی، حساسیت بالا و مصونیت از میدان های مغناطیسی اشاره کرد. این خصوصیات باعث می شود تا از ویژگی های تشخیص نور از تک و حداکثر تا چند هزار فوتون، انتخاب مناسبی باشد.

SiPM ها دستگاه هایی جمع و جور هستند که توانایی مقاومت در برابر شوک های مکانیکی را دارند. عملکرد عالی آنها باعث می شود برای طیف گسترده ای از برنامه های تشخیص نور مناسب باشند، به خصوص در شرایطی که زمان دقیق لازم باشد.

برنامه های کاربردی SiPM معمولی شامل بیوفاوتونیک، LiDAR و 3D اعم از فیزیک با انرژی بالا، فیزیک ذرات هوایی، مرتب سازی و بازیافت، تشخیص خطر و تهدید، طیف سنجی فلورسانس، اسکینلاتورها، تصویربرداری پزشکی و موارد دیگر است. بخش های تولید کننده سیگنال های سیلیکون شامل فناوری های صنعتی، هوافضا ، خودرو ، نفت و گاز ، الکترونیک و فناوری اطلاعات و ارتباطات است.

سازندگان معمولاً اندازه فیزیکی، طراحی و پارامترهای دیگر SiPM را مطابق با کاربرد و نور هدف تنظیم می کنند. به عنوان مثال، برنامه های پهپاد از سنسورهای مینیاتوری استفاده می کنند در حالی که عملیات طیف سنجی گاما میدانی به مجامع بزرگتر فیزیکی متکی است. همچنین RPM SiPM های بهینه شده برای نور مرئی و NUV SiPM برای منطقه نزدیک به ماوراء بنفش وجود دارد.

مقاله مرتبط: سوشیانکس، قدم جدیدی برای محاسبات لبه 

ساختار پلایر سیلیکون SiPM

SiPM از مجموعه ای از صدها یا هزاران نفر از تک فوتون های فشرده شده (SAPD) تشکیل شده است که به آنها پیکسل یا میکروسل گفته می شود. هر SAPD، طراحی شده برای کار در هنگام خرابی ولتاژ، دارای یک مقاومت در برابر فشار سری یکپارچه ، یک آند و یک کاتد برای مولتی پلایر سیلیکون استاندارد است.

برخی از تولید کنندگان، مانند SensL، علاوه بر آند و کاتد، دارای خروجی سریع SiPM با ترمینال خروجی سوم هستند. این یک خازن خروجی سریع یکپارچه در آند SPAD دارد.

در کاربردهای عملی، SiPM از صدها یا هزاران میکروسل به صورت موازی تشکیل شده است. این قابلیت به آن امکان می دهد تا چندین فوتون را به طور همزمان تشخیص داده و در برنامه های مختلف تشخیص نور و اشعه مفید باشد. خروجی الکتریکی به طور مستقیم با تعداد فوتونی که پیکسل ها جذب می کنند، ارتباط دارد.

بهره برداری اولیه از یک سیگنال نوری

میکروسلول های SAPD با اندازه میکرون به گونه ای طراحی شده اند که در حالت Geiger با حالت خلاف واقع، درست بالاتر از ولتاژ خرابی کار کنند.

شکل زیر مدار معادل APD را نشان می دهد. به طور کلی، اتصال P-N به عنوان سوئیچ با عملکرد فوتون عمل می کند. بدون قرار گرفتن نور در میکروسل، سوئیچ S باز است و ولتاژ روی خازن اتصال CJ VBIAS است.

هنگامی که یک فوتون روی میکروسل قرار می گیرد، یک جفت الکترون سوراخ ایجاد می کند. یكی از حامل های بار شارژ، سپس به منطقه بهمن می رود كه در آن فرآیند بهمن خود پایدار و جریان های جریان را آغاز می كند. اگر بدون مجوز باشد، جریان نامحدود جاری می شود.

سوئیچ S بلافاصله با آغاز بهمن و تخلیه CJ از VBIAS به VBD (ولتاژ خرابی) از طریق Rs (مقاومت داخلی APD) با ثابت زمانی RSCJ بسته می شود. با خاموش شدن، سوئیچ S باز می شود و VBIAS با RQCJ ثابت، CJ را شارژ می کند. APD در مرحله ریکاوری خود قرار دارد و دوباره منتظر کشف حالت فوتون جدید به حالت Geiger است.

ویژگی های پلایر سیلیکون SiPMs

راندمان تشخیص فوتون (PDE)

راندمان تشخیص فوتون یا PDE توانایی پلایر سیلیکون در تشخیص فوتون ها را کم می کند. این به نسبت تعداد فوتون های شناسایی شده به آنهایی که به SiPM می رسند اشاره دارد. PDE تابعی از ولتاژ ΔV در سراسر پایانه های APD و طول موج λ فوتون حادثه است.

ولتاژ خرابی

ولتاژ خرابی (VBD) در پلایر سیلیکون حداقل ولتاژ معکوس است که منجر به ضرب بهمن خود پایدار می شود. هنگامی که VBIAS بالاتر از VBD است، SAPD یک پالس جریان را صادر می کند. تفاوت بین VBIAS و VBD میزان ولتاژ ΔV است که عملکرد SiPM را کنترل می کند. افزایش ΔV ولتاژ باعث بهبود عملکرد PDE و SiPM می شود. با این حال ، حد بالایی وجود دارد که نویز و سایر اختلالات، که با ولتاژ افزایش می یابد، در عملکرد SiPM مداخله می کنند. ولتاژ خرابی بستگی به دما و سایر مشخصات SPAD دارد. به این ترتیب، داده ها معمولاً ولتاژهای تجزیه را برای دماهای مختلف مشخص می کنند.

زمان بازیابی

این مربوط به زمان بین خاموش شدن بهمن و زمانی که میکروسل به طور کامل تنظیم مجدد شود است. توانایی تشخیص فوتون ورودی ممکن است کمی طول بکشد. در طول زمان بازیابی، میکروسل کمی توانایی خود در تشخیص فوتون های جدید ورودی را از دست می دهد. ثابت بودن زمان بازیابی RQCJ است.

مشخصات دما

دما مستقیماً بر ولتاژ خرابی، افزایش، خازن اتصال، شمارش تاریک و بازده تشخیص فوتون تأثیر می گذارد. به طور خاص ، ولتاژ خرابی در دماهای بالا بیشتر است و بر افزایش و راندمان تشخیص فوتون تأثیر می گذارد که مستقیماً متناسب با ولتاژ است. درجه حرارت بالاتر همچنین احتمال وقوع تاریک را به دلیل حامل های بار تولید شده توسط گرما افزایش می دهد.

نویز در پلایر سیلیکون Photomultiplier

ناخالصی های نیمه هادی و سایر عوامل غالباً در حضور و عدم وجود نور باعث پالس های خروجی تصادفی می شوند.

نویز اولیه – رویداد تاریک               

اما نویز اولیه در پلایر سیلیکون چگونه است؟ تحریک حرارتی و سایر عوامل غالباً منجر به تولید جفت و حامل الکترون تصادفی می شوند. اگر حامل تصادفی وارد منطقه بهمن منطقه تخلیه APD شود، از طریق منطقه مرتفع عبور می کند و در آنجا باعث تخلیه بهمن Geiger و پالس جریان خروجی می شود. تولید پالس در صورت عدم وجود نور به عنوان یک رویداد تاریک شناخته می شود. نرخ شمارش تاریک به تعداد وقایع تاریک در یک دوره مشخص اشاره دارد و به صورت شمارش در ثانیه (cps) بیان می شود.

نویز همبسته

نویز همبسته به خروجی ناشی از تخلیه بهمن ثانویه ناشی از یک فوتون قبلی یا یک رویداد تاریک اشاره دارد. دو نوع اصلی نویز همبسته وقایع Afterpulsing (AP) و Optical Crosstalk (OC) هستند.

بعد از پالس

رویداد پس از پالس(Afterpulsing) هنگامی اتفاق می افتد که حامل های به دام افتاده در طول ضرب بهمن در سیلیکون در مرحله بهبودی SAPD تخلیه شوند. حامل ها در نهایت، تولید پالس جریان ثانویه جدید، کمتر از مقدار اصلی را تولید می کند.

متقاطع نوری در پلایر سیلیکون SiPM

در ادامه معرفی ویژگی های پلایر سیلیکون به متقاطع نوری در SiPM می پردازیم. ممتقاطع بهینه (OC) زمانی اتفاق می افتد که بهمن اولیه در یک میکروسل باعث بهمن ثانویه در میکروسل های مجاور شود. تأثیر خالص تخلیه ثانویه (بهمن) بر روی پالس جریان خروجی این است که دامنه سیگنال خروجی را افزایش می دهد ، به گونه ای که بالاتر از مقدار تولید شده توسط فوتون حادثه است.

• احتمال تلاقی نوری (OC) با ولتاژ افزایش می یابد.

جمع بندی پلایر سیلیکون

در این مقاله در مورد مولتی پلایر سیلیکون صحبت کردیم. فوتو مولتی پلایر سیلیکون دستگاه های سنجش نوری با حالت جامد و جمع و جور هستند که دارای قدرت و توانایی بالایی در تشخیص نور تا سطح فوتون هستند. این فناوری در حال یافتن برنامه های کاربردی در طیف وسیعی از زمینه ها و صنایع است اما دارای اشکالاتی نظیر نویز است که می تواند عملکرد آن را محدود کند. با این حال، فناوری SiPM هنوز در حال پیشرفت است و با بالغ شدن، از پتانسیل بسیار خوبی برخوردار است.

دانشجویان مهندسی پزشکی باید با این فتومولتی پلایرهای و عملکرد دقیق آنها آشنا باشند. همچنین این دانشجویان باید کاملا با برد دستگاه و نحوه توزیع فرمان از برد به بخش های مکانیکی دستگاه اطلاعات کاملی داشته باشند.

آموزشگاه فنی سازان به صورت مرتب دوره تعمیرات بردهای الکترونیکی را برگزار می کند. دانشجویان مهندسی پزشکی از جمله شرکت کنندگان در این دوره ها هستند. این دانشجویان با انواع قطعات بردهای الکترونیکی و تعمیر یا تعویض آنها آشنا می شوند. در این دوره انواع بردهای لوازم خانگی، بردهای اینورتر و سوئیچینگ و سرفصل های مربوط به منبع تغذیه به صورت کاملا عملی آموزش داده می شود و در پایان مدرک رسمی از سازمان فنی و حرفه ای به کارآموزان اعطاء خواهد شد.