SiPM và ứng dụng trong hạt nhân

Bộ nhân quang silicon – silicon photomultiplier (SiPM) là một bộ tách sóng quang trạng thái rắn. Sự hấp thụ của một photon có thể tạo ra một xung điện có bước sóng vài chục nano giây chứa 10⁵ đến 10⁶ electron. Do đó, SiPM có hệ số khuếch đại (gain) rất tốt có thể so sánh với ống nhân quang photomultiplier tube (PMT).

SiPM là sự kết hợp chuỗi giữa điốt quang tuyết lở (APD) và điện trở dập tắt (RQ) được đặt trong một ô gọi là một microcell hoặc gọi là một pixel. Tất cả các microcell được kết nối song song; do đó, SiPM chỉ có hai cực: cực dương và cực âm. Hình bên dưới hiển thị từ trái sang phải sẽ là: mặt cắt ngang của ba microcell trong một cell, góc nhìn từ trên xuống khi một photon chiếu tới và một mạch điện tương đương.

Trong thực tế, các SiPM sẽ có kích thước giống nhau được sắp xếp theo hình chữ nhật. Tùy thuộc vào thiết bị, kích thước của microcell thay đổi từ 10 μm đến 100 μm và số lượng microcell trên mỗi thiết bị dao động từ vài trăm đến vài chục nghìn. SiPM có vùng hoạt động từ 1 mm² đến 6 mm² và độ nhạy quang phổ từ UV đến IR, đạt cực đại trong vùng khả kiến ​​(400 nm – 500 nm).

CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG
SiPM được phân cực bên ngoài sao cho điện áp trên mỗi APD cao hơn điện áp đánh thủng của nó. Do đó mỗi APD hoạt động ở chế độ Geiger. Sự khác biệt giữa điện áp phân cực và điện áp đánh thủng được gọi là quá áp (overvoltage)  – thông số điều chỉnh chính điều khiển hoạt động của thiết bị. Nếu SiPM hấp thụ một photon, thì hạt mang điện thu được (một electron hoặc lỗ trống tùy thuộc vào cấu trúc) có thể gây ra hiện tượng thác lũ trong vùng khuếch đại trong cấu trúc p+ – n+. Giá trị thác lũ có thể tạo ra 10⁵ – 10⁶ electron; điều này tạo lên giá trị khuếch đại (gain). Vai trò của điện trở dập tắt là khôi phục APD trở lại chế độ Geiger. Giá trị khuếch đại (gain) của SiPM phụ thuộc tuyến tính vào sự quá áp (overvoltage) và giá trị của điện dung tiếp giáp. SiPM là một thiết bị tương tự tạo ra tín hiệu đầu ra thay đổi theo thời gian được đo theo thời gian thực.

ĐẶC CHƯNG
Có một số tham số chính đặc trưng cho SiPM. Đó là điện áp đánh thủng (breakdown voltage), mối quan hệ giữ hệ số khuếch đại (gain) và quá áp (overvoltage), hiệu suất phát hiện ánh sáng(photon detection efficiency), xác suất nhiễu xuyên âm (crosstalk probability), xác suất xung sau (afterpulsing probability) và tốc độ đếm dòng tối (dark count rate).

ƯU ĐIỂM

So với các PMT thông thường, mức khuếch đại quang điện tử (photoelectron gain) trong SiPM thường mang tính tất định hơn, dẫn đến hệ số nhiễu dư thừa thấp hoặc thậm chí không đáng kể. Do đó, SNR (Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu) cao hơn so với PMT. 

Giá thành sản xuất rẻ so với ống chân không.

Điện áp phân cực thấp hơn 10-100 lần, đơn giản hóa thiết bị điện tử.

Trong vùng màu đỏ đến cận hồng ngoại, silicon mang lại hiệu suất lượng tử cao hơn nhiều so với các vật liệu quang điện PMT hiện có

Phạm vi động có thể lớn hơn PMT nếu số lượng lớn SPAD được sắp xếp cùng nhau, cho phép tốc độ hình ảnh nhanh hơn hoặc SNR cao hơn mà không bị bão hòa. 

NHƯỢC ĐIỂM:

Dòng tối thường cao hơn nhiều so với PMT. Do đó, SiPM yêu cầu làm mát trong khi PMT có thể không cần. Điều này dẫn đến độ phức tạp và chi phí tăng lên.

Việc đáp ứng xung của SiPM có dạng phức tạp, đa cấp so với PMT. Điều này yêu cầu thiết bị điện tử định hình xung hoặc lọc tương tự phức tạp hơn

ỨNG DỤNG TRONG ĐO PHÓNG XẠ

Trong đo phóng xạ, SiPm được kết nối với các vật liệu nhấp nháy như CsI(Tl) hoặc NaI(Tl) để thành một đầu dò phóng xạ. Nhờ ưu điểm của SiPm mà đầu dò này có kích thước nhỏ, thời gian phản hồi nhanh, mức độ khuếch đại lớn, giá trị nhiễu thấp. Do đó các thiết bị trong YHHN sẽ có lợi khi sử dụng đầu dò SiPM với vật liệu nhấp nháy như máy dò phóng xạ, liều kế cá nhân, máy đếm xung, gamma probe, máy cảnh báo phóng xạ …