Zaloguj
Naszą podróż w świat nowoczesnej optoelektroniki zaczniemy od fizyki działania detektorów APD, SiPM i PMT, a potem wspólnie przejdziemy przez aspekty praktyczne: parametry spektralne i elektryczne oraz aspekty implementacji układowej. Dla pełniejszego obrazu wskażemy także najczęstsze pułapki czyhające na inżynierów, a także główne obszary aplikacyjne wraz z uzasadnieniem, dlaczego w danym przypadku jedna technologia zwykle wygrywa z pozostałymi już w przedbiegach.
Podstawy fizyczne
Fotodiody lawinowe
Sposób działania oraz układy pracy klasycznych fotodiod krzemowych (a także szybszych diod typu PIN) są z grubsza znane chyba każdemu konstruktorowi. Fotodiodę lawinową (ang. Avalanche PhotoDiode, APD) można rozpatrywać jako fotodiodę pracującą przy wysokiej polaryzacji zaporowej, która oprócz „klasycznego” generowania par elektron–dziura potrafi w dodatku owe nośniki zwielokrotnić (rysunek 1).
Sam proces generacji prądu fotoelektrycznego jest bowiem identyczny jak w typowej, niedrogiej fotodiodzie: fotony o energii większej od przerwy energetycznej wytwarzają pary elektron–dziura, a liczba tak wytworzonych par nośników, w odniesieniu do liczby padających na strukturę fotonów, jest opisywana przez sprawność kwantową (ang. Quantum Efficiency, QE). Różnica polega na tym, że APD realizuje dodatkowo funkcję zwiększania liczby wygenerowanych nośników na drodze zjawiska przypominającego nieco... reakcję łańcuchową znaną z fizyki nuklearnej.
Mnożenie lawinowe zachodzi w warstwie zubożonej złącza, gdzie w obecności pola elektrycznego o odpowiednio wysokim natężeniu (de facto – wytworzonym przez stosownie wysokie napięcie w kierunku zaporowym) nośniki przyspieszają na tyle, że podczas zderzeń z siecią krystaliczną powodują tzw. jonizację zderzeniową. W ten sposób tworzą one kolejne pary elektron–dziura, a te mogą być zdolne do powtórzenia efektu w pobliskich obszarach kryształu. Zjawisko przebiega zatem dość podobnie do reakcji łańcuchowej. Literatura nazywa je wprost „avalanche multiplication”, czyli właśnie mianem wspomnianego wcześniej „mnożenia lawinowego”. Dla konstruktora najważniejsza informacja jest następująca: wzmocnienie APD nie jest stałą cechą elementu, tylko zmienną zależną od napięcia (rysunek 2), a także i temperatury (rysunek 3) – a więc od parametrów polaryzacji oraz warunków środowiskowych.
Fotopowielacze krzemowe SiPM/MPPC
Macierz mikropikseli pracująca w trybie Geigera, określana skrótowo jako SiPM, czyli – dosłownie – krzemowy fotopowielacz (ang. Silicon PhotoMultiplier, w materiałach firmy Hamamatsu często nazywany także MPPC – Multi-Pixel Photon Counter) realizuje wzmocnienie inaczej. Zamiast jednego większego złącza lawinowego mamy tu gęstą macierz mikropikseli (rysunek 4), z których każdy pracuje w trybie Geigera – tj. o kilka woltów powyżej napięcia przebicia.
Co ciekawe, każda z komórek tak utworzonej macierzy jest zbudowana w oparciu o miniaturową fotodiodę lawinową, o czym warto pamiętać, gdyż fakt ten nie wynika wprost z nazwy detektora SiPM/MPPC. Przy wysokim napięciu polaryzacji w kierunku zaporowym efekt lawinowy generuje impuls o określonej amplitudzie, właściwej dla danego rodzaju detektora i – co ważne – niezależnej od tego, czy do piksela wpadł jeden foton, czy też kilka lub kilkanaście naraz. Każdy piksel generuje zatem impuls o tej samej amplitudzie przy detekcji przynajmniej jednego fotonu, zaś jeśli w tej samej chwili zadziała kilka pikseli, impulsy z całej macierzy zsumują się i amplituda wynikowego piku wzrośnie proporcjonalnie do liczby aktywowanych pikseli (rysunek 5).
Taki tryb pracy od razu tłumaczy nie tylko pochodzenie skrótu MPPC, ale także dwa typowe zachowania tych detektorów, które w projektach potrafią nieźle zaskoczyć. Po pierwsze, aby zachować liniowość względem liczby fotonów, trzeba dobrać liczbę pikseli tak, aby „nie zabrakło” ich przy spodziewanym strumieniu światła – inaczej wiele fotonów zacznie trafiać w te same piksele i sygnał przestanie rosnąć proporcjonalnie, co w oczywisty sposób będzie prowadziło do artefaktów, których niestety nie sposób odzyskać na drodze dalszego przetwarzania sygnałów – czy to analogowo, czy też w domenie cyfrowej. Rzecz jasna, znaczenie ma także geometria (szerokość/średnica) mierzonej wiązki światła, czyli np. to, czy pracujemy ze światłem rozproszonym, czy też w jakiś sposób zogniskowanym. W sprzedaży są dostępne fotopowielacze krzemowe o mocno zróżnicowanych parametrach, przez co dobór rozwiązania do konkretnej aplikacji jest nieco prostszy niż przed laty, gdy nazwa „fotopowielacz” była zarezerwowana dla drogich, ciężkich i delikatnych urządzeń lampowych. Po drugie, sygnał generowany przez SiPM jest z natury skwantowany (podobnie, jak samo światło w myśl teorii korpuskularnej), czyli przyjmuje poziomy określane jako 1 p.e., 2 p.e. itd. (ang. photo electron), co można wykorzystać w zliczaniu fotonów lub diagnostyce punktu pracy.
Tryb Geigera wymaga jednak mechanizmu wygaszania impulsów, aby piksel mógł zareagować na kolejny foton – w przeciwnym wypadku nastąpiłoby niejako „zatrzaśnięcie” (ang. fired) piksela, gdyż prąd zaporowy podtrzymywałby się samoistnie aż do momentu, w którym napięcie polaryzacji złącza spadłoby poniżej wartości umożliwiającej kontynuację lawiny. Najczęściej realizuje się to w banalnie prosty sposób – poprzez wzbogacenie każdego piksela o specjalny, miniaturowy rezystor gaszący (ang. quenching resistor), połączony w szeregu ze strukturą APD (rysunek 6).
Prąd rozładowania powoduje spadek napięcia na rezystorze, co obniża napięcie na złączu i relatywnie szybko zatrzymuje lawinę. To z kolei wprowadza do układu stałą czasową ładowania piksela, która ogranicza maksymalną częstość zdarzeń i wpływa na kształt impulsów. Warto dodać, że nawet tak pozornie prosta rzecz, jak szeregowy rezystor, także ma znaczący wpływ na wypadkową jakość fotodetektora – inżynierowie z firmy Hamamatsu uzyskali bowiem zaskakująco wyraźną poprawę pod względem czasu opadania sygnału, zmieniając rezystory stosowane w starszych generacjach MPPC na elementy metalizowane (rysunek 7).
Klasyczne fotopowielacze próżniowe
Tradycyjne, lampowe fotopowielacze (PMT) stoją w zupełnie innym miejscu technologicznego krajobrazu: działają w próżni i wykorzystują zewnętrzny efekt fotoelektryczny. Bodaj każdy z nas pamięta szkolne lekcje fizyki, w ramach których obliczało się pracę wyjścia katody czy też maksymalną energię kinetyczną elektronów wybitych w fotokomórce.
Dla przypomnienia: w fotopowielaczu światło pada na fotokatodę, z której emitowane są elektrony do próżni. Następnie wybite cząstki są przyspieszane przez kolejne elektrody (tzw. dynody), a efekt ulega zwielokrotnieniu, tworząc prąd płynący w obwodzie anody. W podręcznikowym ujęciu mechanizm działania PMT jest opisywany jako jedna z głównych metod detekcji światła, a wyróżnia go wyjątkowa szybkość oraz niewiarygodnie wysoka czułość, liczona nawet w dziesiątkach milionów (~107).
Rysunki obrazujące budowę fotopowielaczy sprawiają wrażenie, że w tym obszarze technologii czas niejako się zatrzymał. Znajdujemy tu bowiem klasyczny zestaw elementów: okno wejściowe, fotokatodę, elektrody ogniskujące, multiplikator elektronowy (dynody) i anodę, a całość zamkniętą w szklanej bańce próżniowej (rysunek 8, fotografia 1).
Z punktu widzenia konstruktora oznacza to jednocześnie bardzo wysoką czułość i dobre parametry czasowe (wszak sygnały „latają w próżni”, nie ma zatem problemu z szumem termicznym będącym bolączką rozwiązań półprzewodnikowych), ale za cenę konieczności bezpiecznego doprowadzenia wysokiego napięcia, a także nieporównanie większych gabarytów i pewnych trudności montażowych. Warto bowiem dodać, że PMT pracują stabilnie już od około 300 V, ale typowe napięcie pracy jest rzędu 900...2000 V (!).
Trochę czułości, czyli o widmie i sprawności fotodetektorów
Każdy projekt wymagający zastosowania fotodetektora zaczyna się od prostego pytania: ile elektronów uzyskujemy z danego strumienia fotonów? Dla półprzewodników naturalnym językiem jest sprawność kwantowa (QE), czyli – według klasycznej definicji – stosunek liczby wygenerowanych par elektron–dziura do liczby padających fotonów. W przypadku PMT często spotyka się z kolei pojęcie „radiant sensitivity” i zależność od materiału fotokatody, która wprost wpływa na skuteczność konwersji w funkcji długości padającej fali (o tym za chwilę). W SiPM praktyczna miara bywa z kolei opisywana przez wartość PDE (ang. Photon Detection Efficiency), która łączy w sobie sprawność kwantową, geometrię (tzw. fill factor) i prawdopodobieństwo wyzwolenia lawiny.
Warto od razu zbudować sobie w głowie rozróżnienie: parametry „spektralne” mówią, czy detektor w ogóle widzi daną długość fali, a jeżeli tak, to z jaką sprawnością, natomiast parametry „aplikacyjne” dotyczą tego, czy w danym torze pomiarowym uzyskamy sensowny odstęp sygnał-szum (SNR) i stabilność. W wielu realnych układach to właśnie SNR, a nie syntetyczna, katalogowa czułość, przesądza o wyborze danej technologii.
W segmencie krzemowych sensorów APD spotyka się odmiany zoptymalizowane pod kątem krótszych fal (np. światła widzialnego, a nawet UV) lub bliskiej podczerwieni – a co ciekawe, wynika to ze specyfiki propagacji fal wgłąb sieci krystalicznej półprzewodnika. O ile bowiem charakterystyka spektralna APD podczas pracy bez napięcia zaporowego jest niemal identyczna, jak w przypadku zwykłych PD, to praca przy wysokim napięciu zaporowym zmienia odpowiedź widmową – fale o różnej długości mogą bowiem docierać na różną głębokość struktury, dlatego znajomość budowy złącza półprzewodnikowego oraz praktycznych uwarunkowań geometryczno-wymiarowych pozwala produkować fotodiody lawinowe, które skuteczniej wzmacniają fotoprąd w różnych przedziałach widma optycznego.
Dokumentacje jednoznacznie pokazują zatem odpowiedź spektralną danego modelu fotodetektora, najczęściej reprezentowaną przez czułość w A/W (amperach na wat) w funkcji długości fali (rysunek 9). W praktyce oznacza to, że dany model APD może być bardzo dobrym wyborem dla wąskiego zakresu długości fali (np. z typowego źródła laserowego), ale przy innym źródle światła ten sam układ optyczny może dać wyraźnie inny bilans prądu fotoelektrycznego.
W przypadku SiPM do głosu dochodzi pewien parametr, który konstruktorzy chętnie zaczynają traktować jak potencjometr do wygodnego strojenia: tzw. overvoltage (VOV), czyli różnica pomiędzy aktualnym napięciem polaryzacji (VP), a progiem przebicia (VBR):
VOV=VP–VBR
Literatura opisuje zależność PDE od owej różnicy (rysunek 10) i jednocześnie uczciwie dopowiada, że wartość PDE nie obejmuje zjawisk takich jak przesłuchy pomiędzy komórkami macierzy (ang. crosstalk) czy też fałszywe impulsy (ang. afterpulses), będące artefaktem zbliżonym do swego rodzaju echa. To ważne, bo w realnym torze odczytu „zysk” osiągnięty na PDE może zostać zatracony przez wzrost liczby fałszywych impulsów.
W praktyce dobór parametru VOV jest zawsze kompromisem, który zalecenia ujmują wprost: napięcie pracy należy ustawić wyżej, gdy liczy się wysokie wzmocnienie, wysoka wartość PDE i dobra rozdzielczość czasowa, a niżej, gdy niezbędny okazuje się niski poziom szumów, niewielki prąd ciemny i minimalizacja zjawisk przesłuchów oraz impulsów „echa”. Konstrukcyjnie oznacza to, że detektory SiPM aż „proszą się” o stabilną polaryzację i kontrolę temperatury.
W przypadku fotopowielaczy dobór materiału fotokatody jest z oczywistych względów kluczowy – to on bowiem definiuje, czy układ „widzi” dany zakres widma z sensowną sprawnością. Materiał fotokatody wpływa na czułość spektralną, zatem jeżeli projekt ma działać w określonym oknie widma, dobór PMT zaczyna się od szczegółowej analizy wykresu zależności odpowiedzi różnych typów fotopowielaczy na określone długości fali (rysunki 11 i 12) – dopiero później przychodzi kolej na wymiary, geometrię, wymagania mechaniczne czy parametry zasilania HV w konstrukcji urządzenia.
Parametry elektryczne: wzmocnienie, prąd ciemny, szumy i stabilność
W fotodiodach APD wzmocnienie rośnie wraz z napięciem wstecznym, ale niestety niemal równie silny wpływ na ten kluczowy parametr ma temperatura. Teoria tłumaczy ten mechanizm bardzo obrazowo: wraz ze wzrostem temperatury, amplituda drgań sieci krystalicznej także rośnie, a zatem nośniki częściej wytracają energię w zderzeniach z pobliskimi atomami sieci, jeszcze zanim zgromadzą energię wystarczającą do wywołania wtórnej jonizacji. Uzyskanie solidnego efektu lawinowego jest zatem trudniejsze, co przejawia się spadkiem wzmocnienia przy tym samym napięciu polaryzacji wstecznej.
Aby utrzymać stałe wzmocnienie sygnału, trzeba na bieżąco dbać o punkt pracy układu detektora. To jest dokładnie ta sytuacja, w której konstruktorzy uzyskują „pływającą” kalibrację: układ wprawdzie działa, ale wynik silnie zależy od warunków. Istnieją dwie możliwości rozwiązania tego problemu: można niejako na siłę ustabilizować temperaturę fotoelementu (przez aktywne chłodzenie detektora) albo wprowadzić kompensację wzmocnienia na drodze elektronicznej (analogowej) lub ewentualnie programowej (cyfrowej). Rzecz jasna, czujnik temperatury musi się znajdować tuż obok fotodiody lawinowej, by zniwelować wpływ potencjalnych gradientów termicznych w obudowie urządzenia.
Warto w tym miejscu dodać, że firma Hamamatsu opracowała bardzo ciekawą linię produktów, które oprócz głównej struktury APD mają w swoim wnętrzu także specjalne elementy odpowiedzialne za automatyczną kompensację temperatury złącza. Ich aplikacja jest wręcz banalnie prosta – można je połączyć bezpośrednio z masą lub zasilić niewielkim napięciem, pozwalającym na dostrojenie wzmocnienia do pożądanego poziomu (rysunek 13). Skuteczność tego rozwiązania najlepiej obrazują rodziny krzywych, wyznaczonych dla szerokiego zakresu temperatur pracy (rysunek 14).
Drugim, często równie ważnym zagadnieniem jest prąd ciemny i jego składniki. W teorii rozdziela się prąd ciemny na dwie części: zależną (Idg) oraz niezależną (Ids) od wzmocnienia APD. Całkowity prąd ciemny (ID) ma postać sumy:
ID=Ids+M Idg
gdzie M to właśnie wzmocnienie fotodiody. Powyższy wzór tłumaczy, dlaczego dwa detektory APD o podobnej czułości mogą zachowywać się różnie w słabym świetle: składnik zależny od wzmocnienia potrafi bowiem całkowicie zmienić nie tylko wartość poziomu sygnału w warunkach braku oświetlenia, ale także wpłynąć na wypadkowy SNR. Nie będziemy w tym miejscu zagłębiać się w szczegóły teoretyczne – najważniejsze jest, by zapamiętać jeden podstawowy wniosek: wypadkowy poziom szumów oraz prądu ciemnego jest bardziej złożony niż w przypadku prostszych podzespołów, dlatego zawsze na początku projektu należy sumiennie przestudiować notę katalogową detektora i wykonać stosowne obliczenia, uwzględniając docelowe warunki pracy, natężenie mierzonych sygnałów optycznych, stopień wykorzystania wiązki padającej na układ optyczny itp.
Wiele projektów nie przegrywa jednak na samym czujniku, tylko na układzie polaryzacji i/lub odczytu sygnału wyjściowego. Z tego powodu gotowe moduły APD są szczególnie atrakcyjne w zastosowaniach, w których liczy się czas wdrożenia, powtarzalność i brak „analogowej loterii”, na której można łatwo polec, nie mając odpowiedniego doświadczenia z tego rodzaju fotoelementami. Gotowe moduły APD (fotografie 2 i 3) to układy integrujące nie tylko samą fotodiodę lawinową, ale także układ polaryzacji z kompensacją lub regulacją temperatury oraz wysokiej klasy przetwornik prąd–napięcie (wzmacniacz transimpedancyjny). Układ kompensacji kontroluje bias napięciowy stosownie do zmian temperatury otoczenia i utrzymuje wzmocnienie możliwie stałe, a tor sygnałowy (wzmacniacz, filtry) jest zbudowany z elementów zoptymalizowanych pod względem szybkości i/lub niskiego poziomu szumu wprowadzanego do sygnału wyjściowego. Ważnym elementem modułu jest też sterownik napięcia o niskich tętnieniach, co jest krytyczne, gdyż – jak już wiemy z wcześniejszego opisu – wahania napięcia polaryzacji bezpośrednio modulują wypadkowe wzmocnienie układu i to z dużą skutecznością.
W praktyce różnica między zastosowaniem „gołego” detektora APD a użyciem modułu często sprowadza się do tego, czy projekt wymaga implementacji własnego, precyzyjnego toru zasilania HV i obwodów kompensacji temperaturowej, czy może lepiej kupić gotową, spójną całość i skupić się na optyce oraz dalszym przetwarzaniu sygnału. W aplikacjach produkowanych seryjnie sam detektor będzie oczywiście wyborem dalece bardziej opłacalnym, jednak w aparaturze produkowanej niskonakładowo (lub wręcz prototypowo) zdecydowanie warto rozważyć użycie istniejącego, sprawdzonego modułu.
SiPM jest z kolei tworem dość „wdzięcznym” z punktu widzenia funkcjonalności: umożliwia bowiem detekcję pojedynczych fotonów i zapewnia bardzo wysokie wzmocnienie. Jednocześnie wręcz bezlitośnie ujawnia każdy błąd w projekcie układu polaryzacji. Przypomnijmy, że tryb Geigera jest osiągany przy napięciu wyższym niż napięcie przebicia, a amplituda impulsów nie informuje o energii fotonu, ani o liczbie cząstek wykrytych przez pojedynczy piksel – tylko o samym fakcie zadziałania danego piksela. Jeśli dodamy do tego fakt, że amplituda impulsów (1 p.e., 2 p.e. itd.) jest skwantowana, dostajemy narzędzie zarówno do liczenia fotonów (a zatem niezwykle przydatne w praktycznych aplikacjach związanych z detekcją ultrasłabych sygnałów optycznych), jak i do diagnostyki toru odczytu.
Jednocześnie dobór punktu pracy jest zawsze decyzją systemową, a nie banalnym „ustawieniem katalogowym”. W praktyce oznacza to, że projekt toru z SiPM musi przewidywać możliwość strojenia wartości VOV oraz mieć zdefiniowaną strategię kontroli temperatury, choćby w formie kompensacji zaimplementowanej w oprogramowaniu urządzenia – pamiętajmy bowiem, że SiPM to nic innego, jak gęsta macierz połączonych równolegle diod APD (z szeregowymi rezystorami, ale jednak) – a zatem większość fizycznych cech fotodiod lawinowych bezpośrednio rzutuje na zachowanie także fotopowielaczy krzemowych.
Lampowe fotopowielacze także wymagają wysokiego napięcia i bywają znacznie trudniejsze do integracji pod względem mechanicznym, ale w bardzo słabym świetle wciąż potrafią wygrać z półprzewodnikami, jeśli gra toczy się przede wszystkim o poziom szumów. Przy niskim sygnale optycznym – i to zarówno w paśmie rzędu 10 Hz, jak i wielu megaherców – PMT może oferować lepszy odstęp sygnał-szum niż fotodioda zwykła lub lawinowa z sumiennie dobranym wzmacniaczem transimpedancyjnym. Akwizycja przebiegów wolnozmiennych (rysunek 15) lub wręcz stałych jest natomiast typowa dla aparatury analitycznej, biofotoniki czy detekcji bardzo słabych emisji (np. fluorescencji), gdzie liczy się nie tylko „czy coś widać”, ale także to, czy da się dane zjawisko zaobserwować w sposób powtarzalny, w obecności szumów i dryftu. Dlatego właśnie fotopowielacze – choć z punktu widzenia konstruktora niezbyt przyjemne w użyciu – są wciąż szeroko używane w medycynie, instrumentach analitycznych i systemach pomiarów przemysłowych. I wcale nie wynika to z sentymentu do technologii lampowych (jak często ma to miejsce w przypadku branży audio), tylko z obiektywnych parametrów w zakresie detekcji słabego światła.
Integracja z optyką
Największą przewagą półprzewodników są zwykle miniaturyzacja oraz stopień integracji. Jako przykład weźmy mikroskopię konfokalną: fotodioda APD o średnicy rzędu 100 μm może pełnić rolę zarówno detektora, jak i przysłony (tzw. pinhole), podczas gdy fotopowielacz jest nieporównanie większy i wymaga osobnego elementu optycznego, choć z uwagi na większe rozmiary okna optycznego może okazać się łatwiejszy w ustawieniu geometrycznym względem osi wiązki. Już na tym przykładzie widać doskonale, że aspekty mechaniczne i optyczne potrafią przesądzić o wyborze technologii równie mocno, jak parametry typowo rozpatrywane przy selekcji różnego rodzaju detektorów (np. czułość czy poziom szumów.
W przypadku SiPM trzeba dodatkowo dobrać liczbę pikseli do spodziewanej liczby jednoczesnych fotonów – jak już wspomnieliśmy, przy zapełnianiu pikseli liniowość stopniowo się pogarsza, co wynika z lokalnej saturacji poszczególnych komórek APD. To z kolei determinuje wybór optyki: rozmiar plamki, rozkład natężenia wiązki, czy też ewentualny wpływ jej rozproszenia.
Integrując klasyczny fotopowielacz trzeba zaś uwzględnić nie tylko większy gabaryt i masę (w porównaniu do jakichkolwiek detektorów krzemowych), ale też konieczność zadbania o montaż: stabilne mocowanie, ochronę przed wstrząsami czy bezpośrednimi uderzeniami, a także bezpieczne doprowadzenie przewodów wysokiego napięcia. O ile w przypadku systemów z pojedynczym fotodetektorem problemy natury instalacyjnej są zwykle stosunkowo proste do rozwiązania, to sprawa komplikuje się nieporównanie bardziej np. w aplikacjach obrazowania medycznego, w których gęste ułożenie dużej liczby sąsiadujących ze sobą fotopowielaczy rodzi kolejne utrudnienia dla projektantów.
Zagadnienia implementacyjne
Podstawowy układ pracy fotodiody lawinowej pozornie nie różni się w sposób znaczący od otoczenia układowego zwykłej fotodiody, oczywiście tylko pod względem topologicznym. W obydwu przypadkach mamy bowiem do czynienia ze wzmacniaczem transimpedancyjnym oraz źródłem napięcia polaryzującego (VBIAS), do którego podłączona jest jedna z elektrod fotoelementu (zależnie od wybranej polaryzacji wzmacniacza). Zdecydowanie trzeba natomiast podkreślić trzy główne różnice (rysunek 16).
W układzie pracy APD napięcie jest wielokrotnie wyższe niż w przypadku typowych fotodiod i wynosi od kilkudziesięciu woltów do ponad 150 V. Wymusza to zastosowanie odpowiednich odstępów izolacyjnych i przeprowadzenie analizy ryzyka, jeżeli źródło HV może stanowić zagrożene dla użytkownika (zwłaszcza w przypadku urządzeń medycznych).
Lawinowe wzmacnianie sygnału wiąże się z koniecznością zastosowania szeregowego rezystora ograniczającego prąd, o typowej wartości w przedziale 10...100 kΩ. Zbyt niska rezystancja może okazać się niewystarczająca do zabezpieczenia fotodetektora przed uszkodzeniem, z kolei za wysoka spowoduje wprowadzenie do układu nadmiernego szumu oraz pogorszy liniowość fotodiody (z uwagi na spadek napięcia na rezystorze w normalnych warunkach pracy, przy silniejszych sygnałach optycznych). Dla porównania – w klasycznych układach pracy fotodiod elementy te są zwykle włączone bezpośrednio pomiędzy źródło napięcia polaryzującego, a wejście odwracające TIA.
Podatność APD na zmiany wzmocnienia (modulowane napięciem panującym na złączu), w połączeniu z szerokim pasmem (często powyżej 1 GHz) i zdolnością do przenoszenia bardzo krótkich impulsów sprawia, że niezbędne do stabilnej pracy APD jest umieszczenie tuż przy niej kondensatora odsprzęgającego.
W przypadku SiPM kluczowe jest świadome wprowadzenie detektora w tryb Geigera: napięcie powyżej progu przebicia daje silny sygnał nawet dla pojedynczego fotonu, ale rozładowanie musi zostać przerwane, aby piksel był gotowy na kolejne zdarzenie. Zastosowanie wbudowanych rezystorów gaszących rozwiązuje ten problem w sposób elementarny, ale wprowadza charakterystyczny kształt impulsu (bardzo krótki czas narastania i długie zbocze opadające) i narzuca warunki dotyczące toru pomiarowego: aby odróżnić poziomy 1 p.e., 2 p.e. i kolejne, układ kondycjonowania musi mieć odpowiednie pasmo i nie może ich „zmiękczyć” zbyt silną filtracją dolnoprzepustową.
W dokumentacjach MPPC można spotkać dwie podstawowe metody estymacji liczby fotonów: pomiar amplitudy impulsów lub całkowanie ładunku wyjściowego. W realnych systemach te podejścia mogą ze sobą współistnieć: o ile bowiem szybki tor impulsowy doskonale nadaje się np. do pomiarów synchronicznych (rysunek 17a), to już tor ze wzmacniaczem ładunkowym lepiej sprawdzi się w celu uśredniania sygnałów, a co za tym idzie – poprawi odporność układu na szumy i część artefaktów pochodzenia wewnętrznego (rysunek 17b).
Uproszczony schemat aplikacyjny fotopowielacza krzemowego pokazano na rysunku 18.
W praktycznym projektowaniu torów pomiarowych współpracujących z fotopowielaczami priorytetem jest utrzymanie niskiego poziomu szumów własnych i zakłóceń oraz stabilność zasilania HV. Mechanika i ekranowanie mają tu bardzo duże znaczenie, bo PMT jest fizycznie większy i z reguły pracuje w środowisku, w którym łatwo o sprzężenia i przenikanie zakłóceń. Warto dodać, że o ile detektory półprzewodnikowe dobrze radzą sobie w środowiskach, w których występują zewnętrzne pola magnetyczne, to lampowa natura i gabaryty fotopowielaczy sprawiają, że są one wrażliwe na obecność takich pól. Z tego względu w wielu aplikacjach PMT zaleca się stosowanie ekranowania magnetycznego, zaś bardzo wysokie wzmocnienie powoduje także podatność na nawet niewielkie ilości światła przenikającego w rejon fotopowielacza z otoczenia urządzenia.
Wybrane obszary aplikacyjne
W mikroskopii konfokalnej detektor współpracuje z przysłoną (pinhole), która odcina fotony spoza płaszczyzny ostrości. Część mikroskopów jest zbudowana w oparciu o fotodiody lawinowe, inne zaś korzystają z klasycznych fotopowielaczy. W praktyce, gdy konstrukcja ma być kompaktowa i zależy nam na integracji elementów optycznych, APD jest naturalnym kandydatem. Gdy celem jest maksymalny SNR w bardzo słabym sygnale, szczególnie w warunkach, gdzie ograniczenia mechaniczne nie są dominujące, fotopowielacze wciąż stanowią atrakcyjny wybór, choć – jak już wiemy – ich implementacja wiąże się z pewnymi wyrzeczeniami.
Znacznie bardziej rozpowszechnionym obszarem aplikacyjnym półprzewodnikowych odmian detektorów opisanych w tym artykule są dalmierze i skanery laserowe. W urządzeniach opartych na bezpośrednim pomiarze czasu przelotu wiązki (dToF – direct Time of Flight) liczy się detekcja krótkich impulsów i słabych odbić, a więc największe znaczenie mają: szybkość odpowiedzi toru pomiarowego i rozsądny bilans szumów. Zastosowanie fotopowielaczy krzemowych daje możliwość strojenia czułości przez dobór VOV, ale to strojenie ma, jak już wiemy, swoje konsekwencje pod względem szumowym. Dlatego w wielu aplikacjach – w tym tych szczególnie kompaktowych – fotodiody lawinowe również pojawiają się w roli detektorów do pomiarów odległości. W praktyce różnice między APD i SiPM w takich aplikacjach często sprowadzają się do decyzji wynikających z architektury systemu: czy mierzymy analogowo amplitudę/ładunek, czy pracujemy w reżimie zliczania fotonów, jaki jest wymagany zakres dynamiczny etc.
Fotopowielacze krzemowe są także szeroko stosowane w aplikacjach związanych z detekcją promieniowania gamma: moduły rozmieszczone wokół obiektu wykrywają parę fotonów anihilacyjnych i na tej podstawie odtwarzają położenie radioznacznika. To dobry przykład sytuacji, w której skala i możliwość budowania wielokanałowych układów przemawiają na korzyść detektorów krzemowych – zwłaszcza jeśli urządzenie ma być relatywnie kompaktowe, a liczba kanałów – duża, co ma miejsce w przypadku nowoczesnych skanerów PET.
Podsumowanie
Fotodioda lawinowa (APD) to półprzewodnikowy detektor z wewnętrznym mnożeniem lawinowym, w którym wzmocnienie jest silnie związane z napięciem i temperaturą, a składniki prądu ciemnego (zwłaszcza jego składowa poddająca się wzmocnieniu) wpływają na szum. Projektowanie torów pomiarowych wyposażonych w APD wymaga zatem stabilnego zasilania i wdrożenia strategii kompensacji termicznej. Gotowe moduły APD przenoszą znakomitą większość ryzyka projektowego związanego z budową toru analogowego na producenta, integrując generator HV, układ kompensacji i szybki wzmacniacz TIA oraz dbając o niski poziom zakłóceń.
Detektory oparte na fotopowielaczach krzemowych (SiPM) oferują możliwość efektywnego wykrywania i zliczania pojedynczych fotonów oraz wygodną regulację parametrów przez dobór napięcia polaryzacji, ale wymagają świadomego zarządzania kompromisem: zysk mierzony czułością i wzmocnieniem wypadkowym kontra wzrost czynników niepożądanych (prądu ciemnego, przesłuchów i artefaktów impulsowych), a liniowość zależy od liczby pikseli i spodziewanego strumienia fotonów, czyli – innymi słowy – od docelowych warunków pracy detektora.
Klasyczne fotopowielacze (PMT) pozostają natomiast złotym standardem w aplikacjach wymagających detekcji bardzo słabego światła i w praktycznych porównaniach potrafią dać większy odstęp sygnału od szumu niż najlepsze odpowiedniki krzemowe. Nie ma jednak nic za darmo – w tym przypadku trzeba liczyć się z wymogiem dostarczenia wysokiego napięcia i odpowiednim zabezpieczeniem mechanicznym, wyposażonym często w ekranowanie magnetyczne i elektryczne.
inż. Przemysław Musz, EP
Materiał opracowano na podstawie materiałów dostępnych na stronie internetowej marki Hamamatsu:
[1] Si APD. Technical note [https://t.ly/45onC]
[2] MPPC. Technical note [https://t.ly/8OEzE]
[3] Photomultiplier tubes. Basics and Applications, 4th. ed. [https://t.ly/PAZ0g]
[4] Nota katalogowa S15413-02 [https://t.ly/5zcmp]
