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硅光电探测器特性分析与实验研究

2020-12-12阅读(805)

硅光电探测器特性分析与实验研究

论文摘要

随着人类对新能源新技术的不断开发和利用,对光能的研究也进入了一个新的阶段。20世纪30年代时,人们对光的探测与研究用的都是光电倍增真空管(PMT),它昂贵,真空管内部机械结构部分制造复杂,体积大而且对电磁干扰非常敏感。人们开始寻求新的替代品来对光进行研究。在半导体行业飞速发展后,光敏半导体探测设备,像PIN光电二极管,雪崩二极管,以及90年代出现的硅光电倍增管,得到了迅速的发展,并在很多领域已经取代了PMT,相信在将来这些半导体探测器将被更广泛的应用。其中硅光电倍增管被认为是最有潜力的一个。因为它有非常高的增益,基本不用太复杂的外接放大电路。它的加工制造也只是用的标准的CMOS工艺,因此经济又有效。硅光电倍增管除了在辐射测量领域的发展,随着现代医学的发展,它也在核医学领域受到了人们的广泛关注,如正电子发射计算机断层扫描装置(Positron Emission Tomography简称PET)。PET是目前惟一可在活体上显示生物分子代谢、受体及神经介质活动的新型影像技术,但它缺乏对各断层面之间的扫描。核磁共振成像(Magnet Resonance Imaging简称MRI)正好可以满足这一要求。磁共振成像是一种生物磁自旋成像技术,它可以直接作出各种体层图像,不会产生CT检测中的伪影,无电离辐射,对机体没有不良影响。如果能把PET和MRI结合起来将会对医学研究和发展起到深远意义。但是一直以来PET所使用的光探测器是PMT,PMT并不能在强磁场中工作,也就限制了MRI的发展,但硅光电倍增管正好解决了这个问题。使得PET和MRI的结合成为可能。本论文的任务首先是从Hamamatsu德国分公司购买了一个PIN光电二极管以及两个雪崩二极管,最后从英国SensL公司购买了一个性价比较高的硅光电倍增管。论文的下一个阶段是设计实验装置,对光学中性滤光片进行校正,同时对不同驱动电源下的激光输出功率进行标定。论文最后实验部分通过用三个不同的光探测器测量透过光学中性滤光片后的微弱光,来比较他们之间的区别,分析他们各自的一些特性,寻找他们的探测极限。根据所得的探测极限以及空心导波管衰减模拟的结果,分析所能使用的空心导波管长度。在目前的实验条件下,能用的最大长度约为3.5米。论文的最后给出了总结以及一些需要改进的地方。不久前Excelitas Technologies宣布,该公司在对固态硅光电倍增管(SiPM)技术进行开发和实用化过程中,取得了破纪录的世界级高光子探测效率(PDE)与低暗计数的性能成果。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号说明
  • 第一章 绪论
  • 1.1 论文研究的背景
  • 1.1.1 论文的来源及意义
  • 1.1.2 光电探测器的基本原理及发展
  • 1.1.2.1 光电探测器的基本原理
  • 1.1.2.2 光电探测器的发展
  • 1.1.3 光电探测器的应用选择
  • 1.2 论文研究内容及论文安排
  • 第二章 硅光电探测器的主要原理
  • 2.1 硅光电探测器的基本原理
  • 2.2 硅光电探测器的等效电路图
  • 2.3 硅光电探测器的电流与电压特性
  • 2.4 硅光电探测器的光谱响应
  • 2.5 硅光电探测器的温度特性
  • 2.6 PIN光电二极管的基本工作原理
  • 2.7 雪崩二极管（APD）的基本工作原理
  • 2.8 硅光电倍增管（SiPM）的基本工作原理
  • 2.9 本章小结
  • 第三章 PIN光电二极管,雪崩二极管以及硅光电倍增管的主要特性
  • 3.1 PIN光电二极管的特性分析
  • 3.1.1 反向偏压
  • 3.1.2 响应速度以及频率响应
  • 3.2 雪崩二极管的特性分析
  • 3.2.1 暗电流与噪声
  • 3.2.2 增益与反向偏压
  • 3.2.3 光谱响应
  • 3.2.4 终端电容
  • 3.2.5 响应速度
  • 3.3 硅光电倍增管的特性分析
  • 3.3.1 硅光电倍增管的增益以及它对温度和反向偏压的灵敏度
  • 3.3.2 光子探测效率（PDE）
  • 3.3.3 暗计数和寄生脉冲
  • 3.3.4 光学串扰
  • 3.3.5 过量噪声因数
  • 3.3.6 时间响应
  • 3.3.7 降压电阻的设计
  • 3.3.7.1 被动降压
  • 3.3.7.2 主动降压
  • 3.3.8 动态范围
  • 3.3.9 线性响应
  • 3.3.10 蓝光和紫外线灵敏度
  • 3.4 PIN光电二极管,雪崩二极管以及硅光电倍增管之间的主要区别
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 探测器探测性能实验
  • 4.1 基本的实验装置
  • 4.2 光学中性滤光片的校准
  • 4.3 在直流电流和交流电压驱动下的激光的功率的校准
  • 4.3.1 直流驱动电流
  • 4.3.2 交流驱动电压
  • 4.4 三个光电探测器的测试
  • 4.4.1 基本实验原理
  • 4.4.2 PIN光电二极管的实验结果
  • 4.4.3 雪崩二极管的实验结果
  • 4.4.4 硅光电倍增管
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 研究工作总结与展望
  • 5.1 主要研究成果
  • 5.2 研究工作展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

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