“智能光子应用技术”专栏 | MDPI Sensors：使用单光子雪崩二极管进行π介子检测

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引言✦

先前的研究已经证明了CMOS兼容的单光子雪崩二极管 (Single Photon Avalanche Diode, SPAD) 阵列在电离辐射检测方面的能力。研究用于检测电离辐射 (特别是重带电粒子) 的SPAD技术的动机有两个。首先，SPAD技术在过去几十年中得到了长足的发展，更重要的是，与CMOS的集成提供了一个高度集成、小型化和经济高效的雪崩传感器平台，擅长快速量子检测。其次，SPAD的功能类似于使用混合硅传感器的电离辐射探测器；相信随着过去二十年SPAD在CMOS领域的进步和成熟，这种并行且快速发展的技术可能有利于电离辐射检测的进步和应用。

由于其在先进工艺、检测灵敏度、微米级像素和时间能力方面的成熟发展，CMOS SPAD已经应用于许多领域。最显著的应用包括生物医学荧光寿命成像显微镜 (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, FLIM)、光探测与测距 (Light Detection and Ranging, LiDAR)、飞行时间 (Time-of-Flight, ToF) 成像、单光子计数 (Single Photon Counting, SPC)、高速成像、生物颗粒追踪和可见光通信。

本文首次报道了使用欧洲核子研究组织 (The European Organization for Nuclear Research, CERN) 的超级质子同步加速器 (Super Proton Synchrotron, SPS)，使用CMOS兼容的SPAD阵列检测高能带电粒子，特别是π介子。结果证实了在120 GeV下探测到的入射高能π介子，这是对CMOS SPAD可以探测到的各种电离辐射的补充。

 研究内容 

用于本研究的SPAD图像传感器 (以下简称MINI3D)，是一个120×128像素的CMOS微型时间分辨SPAD阵列，也是第一个同时具有时间分辨成像和SPC功能的3D堆叠背照 (Backside-illuminated, BSI) 硅传感器。

为了探索使用CMOS SPAD来检测重带电粒子，该研究在CERN的SPS设施进行了实验，该设施通过将加速的粒子与固定靶相撞来产生强子。通过将来自SPS的400 GeV质子与固定的铍靶相撞，实验产生了强子。随后，这些强子被导向到北区，其中的探测器测量它们的性质。使用摆动站来将特定强子分离到不同的束线中，使研究人员能够对选定的强子束线进行测量，并尝试新的探测器技术。在CERN进行测试的束线是π介子束线。

为了检测高能π介子，使用了CERN北区的H6束线，这是一个高分辨率的次级束线。来自SPS的400 GeV质子主束线被导向固定的铍靶上，从而产生次级束线，其中包含强子和电子的混合物，使用入射铅吸收体去除电子。传送到H6线的π介子束线是基于当时其他项目的优先级进行确定的，包括SPS和大型强子对撞机 (Large Hadron Collider, LHC) 的所有设施的计划。这些因素导致了观察到的束线溢出周期、光斑尺寸、强度和束线能量的可变性。尽管如此，在辐照过程中，溢出循环持续约5 s，光斑尺寸分辨率约为5×5 mm²，每次溢出的强度约为10⁷个粒子，束线能量为120 GeV。

SPAD图像传感器和带有FPGA的印刷电路板被固定在Malta平面探测器望远镜上。SPAD图像传感器的位置与Malta探测器平面对齐，并与望远镜上的3D电机平台 (1 mm公差) 一起，将SPAD阵列定位在光束线内。闪烁计数器用于在溢出周期期间触发数据捕获，并随后暂停数据捕获以确保连续的π介子检测。图1提供了实验设备的示意图。

图1. 实验装置示意图，MINI3D BSI CMOS SPAD图像传感器安装在望远镜上，用于π光束照射。

对于π介子实验，一共进行了四组辐照测量，分别称为E1、E2、E3和E4。对于每次辐照暴露，都会在辐照之前进行一组控制数据采集，并且会对高暗计数率 (High Dark Count Rate, HDCR) 像素进行滤波。每个SPAD偏压下总共采集了43,500帧控制数据。为了充分分析数据并确定SPAD图像传感器的暗计数率 (Dark Count Rate, DCR) 噪声底线，在每个相应的偏压下，计算了每个实验控制帧的平均DCR，并在图2中绘制出来。从图中可以明显看出，SPAD阵列的DCR并不一致，并且在每组控制数据中都有变化。然而，一致的是每个偏压下的DCR模式。某些环境因素，如温度和周围的环境光，是无法控制的。

图2. 每个实验在照射前采集的每个控制数据集的每帧MINI3D DCR (kHz)，从1至4。

图3显示了带有标记的HDCR的热图，其中以黑色表示HDCR像素。对于在每次实验辐照期间拍摄的每一帧，从分析中去除所有HDCR，并且对于剩余像素，计算每一帧的每像素平均计数 (Hz)。

图3. 用于π介子束实验的MINI3D CMOS SPAD图像传感器的HDCR像素热图。黑色标示的是HDCR像素。

从图4中可以看出，随着SPAD偏置电压的增加，平均计数的增加是线性的。由于辐照过程中质子束强度逐渐增加，E4的标准偏差显著增大。

图4. 每个相应π介子实验中，作为SPAD偏置电压函数的每帧平均π介子计数，包括标准偏差。

 研究总结 

所呈现的结果确认了在CERN的SPS加速器上使用SPADs检测高能π介子的能力。结果证实了SPADs可以用于检测高能电离粒子，这补充了CMOS SPADs可以检测的各种电离辐射。在π介子检测实验中，测得的每帧平均计数明显大于75 kHz到1.55 MHz的计算范围，最小测得的每帧平均计数为8.3 MHz (SPAD偏压12.5 V)，最大测得的每帧平均计数为432.1 MHz (SPAD偏压15 V)。此外，观察到平均计数与逐渐增加的SPAD偏压之间存在正线性相关性。

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原文出自Sensors 期刊：

Bulling, A.F.; Underwood, I. Pion Detection Using Single Photon Avalanche Diodes. Sensors 2023, 23, 8759. 

撰稿人：岳洋

 专栏简介 

“智能光子应用技术”专栏由Sensors 期刊编委岳洋教授 (西安交通大学) 主持，专注于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的前沿进展与创新应用。

 专栏编辑

岳洋 教授

西安交通大学

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西安交通大学信息与通信工程学院教授、博士生导师，SPIE会士、IEEE/Optica高级会员、智能光子应用技术实验室 (iPatLab) 创始人及现任PI。致力于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的基础及应用研究。已发表论文240余篇 (包括Science)，特邀论文10余篇，申请及授权专利60余项 (包括美国专利25项、欧洲专利9项，已授权30余项)，编著英文书5部，英文书章节2章，Google学术引用10,000余次，获邀报告200余次 (包括1次Tutorial，30余次Plenary和50余次Keynote)。现任IEEE Access、Frontiers in Physics副主编，Sensors 等4个学术期刊编委，J. Lightw. Technol. 等特刊客座编辑10余次，国际会议主席、技术委员会委员100余次，70余学术期刊审稿人。

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*本文内容由Sensors 期刊编委岳洋教授撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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