学习笔记 | SiPM在空间科学与天文中的应用

SiPM介绍

SiPM(硅光电倍增管)是一类新型光电转化器件,由工作在G-M反向偏置状态的若干雪崩二极管阵列组成,具有结构紧凑、高增益、高灵敏、低电压等特点,因此广泛地应用于小型辐射探测器、微光探测、核医学、天体物理等诸多领域。

SiPM的基本组成单元是自猝灭的单光子雪崩光电二极管(SAPD),这样的一个单元称为像素,每个SAPD都工作在高于击穿电压的状态,另外串联接入猝息电阻。一个SiPM通常由数千个SAPD并联组成。

图1 标准 SiPM 的结构示意图
图1 标准 SiPM 的结构示意图

SiPM的结构,使得其能够同时探测多个光子,其输出信号的幅度与像素接受到的光子数目在一定范围内呈线性关系。但是在没有光的条件下,由于热运动或其他因素的扰动,会产生随机的电子-空穴对,当载流子出现在灵敏体积内(高电场区域)时,将会触发雪崩,进而输出一个信号,这种计数被称为暗计数,暗计数的存在限制了SiPM的能量分辨率。

SiPM的应用

空间科学采用SiPM的主要考量因素是其体积小、偏压低的特点,能够显著地减小探测器的体积,简化电源设计,降低设计难度与制作成本。而其高灵敏度的特性能被应用于天文领域微弱光信号对的探测。下面将介绍SiPM在空间科学与天文研究中的部分应用。

碘化锶辐射仪(SIRI-1)

碘化锶辐射仪(Strontium Iodide Radiation Instrumentation,简称为SIRI-1)是由美国海军研究实验室开发的用于空间伽马射线测量的立方星,采用的技术方案是掺有铕的碘化锶闪烁体+硅光电倍增管,能够测量40-4000 keV范围的伽马光子。

SIRI是第一批使用SiPM的空间项目,相比于传统的同类空间科学项目,具有成本低、体积小、效率高的特点,这主要是得益于SiPM的特性。SIRI的主要目的是为了验证碘化锶闪烁体+SiPM技术应用于空间科学的可行性,并通过为期一年左右的在轨监控,研究SiPM在空间辐射环境下的性能。[1]

SIRI采用的碘化锶闪烁体会发生潮解,因此在实际使用过程中用铝制作了密闭封装,在晶体的前表面是石英材质的光学窗,铝层内部贴有特氟龙胶带,能够漫反射闪烁光子,提高闪烁光子的收集效率。

图2 SIRI-1 的结构示意图
图2 SIRI-1 的结构示意图

在碘化锶闪烁体后是一个2×2的SiPM阵列,通过电源模块加有28.5V的偏压,地面试验数据显示对662 keV的伽马光子能够实现4.2%的能量分辨率(如图 3所示),略差于同等条件下PMT的3.2%,这主要是由于暗计数的噪声和光耦合的因素导致的。

图3 SIRI-1 地面测量的 Cs-137 能谱
图3 SIRI-1 地面测量的 Cs-137 能谱

天格计划

空间伽马暴是天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象,呈现各向同性分布。对于伽马射线的探测最早开展于上世纪60年代的美国军方Vela卫星,随后陆续通过数颗卫星进行了伽马暴的研究。[2]

天格计划是一个小型化的伽马暴探测方案,使用SiPM替换了传统探测方案中的PMT,实现了对于载荷的小型化,发射成本低,因此可以做到多星组网,实现对伽马暴的全天观测与多星定位。[3]

天格计划的探测器有上总计有4个探测单元,每个单元由掺有铈的GAGG晶体(GAGG:Ce)和4×4的SiPM阵列组成,两者之间有光耦合层。为了简化电路设计,减小后端电子学部分的大小,每个通道的SiPM阵列并联接入了电流灵敏前置放大器、整形与峰位保持电路,而这会导致SiPM的暗噪声叠加,电容增大,进而获得较差的能量分辨率。

图4 天格探测器的模型
图4 天格探测器的模型

另外天格采用的GAGG晶体的光产额一般不低于24000/MeV,而SIRI使用的碘化锶晶体可以达到80000/MeV,因此相较而言SIRI可以做到更高的能量分辨率。同样对于Cs-137的662 keV,只能达到20%的分辨率(如图 5所示)。

图5 天格探测器地面测量的 Cs-137 能谱
图5 天格探测器地面测量的 Cs-137 能谱

为了改善能量分辨率,可以从多个方面入手:

  1. 前端电子部分:主要分为前置放大器、低通滤波器和峰位保持器三个部分。通过改变反馈电阻的大小,可以操纵信噪比,进而达到较好的能量分辨率
  2. 更改晶体与SiPM之间的光耦合层
  3. 增加对于SiPM的温度修正

通过上述的方案,可以将探测器的能量分辨率提高到9%@662keV。

切伦科夫望远镜阵列

切伦科夫光(或切伦科夫辐射)介质中运动的物体速度超过光在该介质中速度时发出的电磁辐射。在核电站启动时观察到液体中的蓝色辉光就是切伦科夫光,而江门中微子实验的原理也是通过PMT捕捉中微子与物质反应的产物在液闪中产生的切伦科夫光。

来自宇宙的高能粒子,在进入大气层之后,其速度很有可能超过了高层大气介质中的光速,因此同样会放出切伦科夫光,这一特性可以被应用于高能光子的地面探测。

地球大气层对以伽马暴为代表的伽马光子透明度并不高,因此传统方案主要是通过探空气球以及卫星进行高能光子的观测。而宇宙射线引发的大气粒子级联(广延大气簇射)放出的切伦科夫光在大气层内就可以进行观测,因此可以利用这一点进行高能光子的间接探测。[5]

切伦科夫望远镜阵列(Cherenkov telescope array,简称CAT)是目前新一代的成像大气切伦科夫望远镜,涵盖有四种不同尺寸的望远镜,能够实现高灵敏度和宽能量范围。由于SiPM的光电转换效率高,能够捕捉到大气中少量的切伦科夫光子,同时光污染、明亮天体等导致夜空辉光的强度远大于SiPM的暗噪声,因此SiPM是实现大气切伦科夫光探测的理想器件。但是受限于SiPM的尺寸和大的并联等效电容,目前只在尺寸较小的两类望远镜上(主要为SST)使用了这一器件,较大的望远镜仍然使用PMT作为光电转换器件。[6]

图6 CAT 技术方案
图6 CAT 技术方案

SST 的每个像素单元共有36840个50 μm大小的SiPM,如果直接将所有的SiPM阵列并联接入后续的电路,其等效电容将会达到nF量级。因此SST将每个像素的SiPM阵列划分为4个单元各自接入后续电路,再通过低噪声跨导放大器和差分放大器进行信号的合并与放大,能够显著的提高望远镜的能量分辨率。[7]

SiPM的特性

温度补偿

由于SiPM的击穿电压对温度较为敏感(如图 7所示),另外较高的温度还将增加由于热产生的电荷载流子而导致发生暗计数的可能性。因此控制温度或者修正温度变化的影响对于SiPM的使用十分重要,尤其是对于前文所述的空间探测器,空间环境中向阳面与背阳面的温差可以达到数百K,尽管有隔热与保温的措施,但是温度变换仍旧很大。

图7 同一 SiPM 探测器在不同温度和偏压下对 Am-241 的探测峰值
图7 同一 SiPM 探测器在不同温度和偏压下对 Am-241 的探测峰值

解决这一问题,主要有三种手段:

  1. 增加恒温装置,稳定SiPM的工作状态;但是这一方案需要增加额外的器件,这对空间任务而言是不利的。
  2. 测量击穿电压随温度的变化关系,根据实时温度,动态调整加载在SiPM上的偏压,实现增益的稳定;这一方案需要进行额外的实验获取V-T的关系(V=V0+(TT0)kV=V_0+(T-T_0 )k),通过适当的电路设计,可以将温度变换系数降低到10 mV/℃量级。CAT即采用这一方案。[7]
  3. 测量不同温度-偏压条件下的增益,使用该关系式修正探测结果;这一方案不需要增加额外的部件,可以维持探测器的小型化,但是实验过程繁琐,内容多,而且温度-偏压响应的拟合精度难以保证,因此适用于低成本的小型空间任务。天格即采用这一方案。[8]

辐射损伤

空间任务除温度以外,不能忽略的一个问题即空间辐射。空间辐射的主要来源包括太阳辐射、宇宙辐射与近地辐射带(部分宇宙射线、宇宙射线与地球磁场和大气层作用产生的带电粒子被地磁场俘获,形成的辐射带)。空间辐射的特点是重带电粒子为主,高能带电粒子与高能光子较为常见,能够对在轨的航天器、航天员造成较大的伤害。[9, 10]

对于半导体而言,辐射可以通过电离能量损失(IEL)和非电离能量损失(NIEL)两种途径造成伤害。前者主要是由于低能光子、电子造成,通常作用于表面,后者以高能辐射为主,可以对整体造成损失,推动晶体原子造成位移,进而破坏晶体结构。[11]

图8 位移损失的原理(左 a)与结果(右 b)
图8 位移损失的原理(左 a)与结果(右 b)

以MOSFET为例,入射产生的电子-空穴对由于电场迅速分离,电子快速漂移,而空穴较慢。高能辐射造成MOSFET位移损伤,出现晶体缺陷,而漂移较慢的空穴容易被困在这些位置,形成带正电的孔洞(即复合中心),降低了载流子的数目,进而导致噪声增加,增益减小,探测器的能量分辨率变坏。[11]

图9 N 沟道 MOSFET 辐射损伤的前(左 a)后(右 b)对比图
图9 N 沟道 MOSFET 辐射损伤的前(左 a)后(右 b)对比图

对于SiPM,辐射损伤的影响主要体现在电流的增大,根据SIRI-1传回的在轨数据与SIRI-2的地面实验,SiPM工作电流的变化速度可以达到ΔI∼44 μA/month,在经过长时间的辐射损伤后,电流可以达到mA级别[12]。解决这一问题,有以下几种方案:

  1. 设计轨道,避开辐射较高的区域,或者在辐射较高的区域关闭探测器以达到保护的目的;但由于Van Allen 带与实际发射因素的影响,这一点往往难以做到。
  2. 设计屏蔽层,将容易对探测器造成伤害的辐射阻挡在外;这一方案会显著提高探测器的质量、体积与成本,同时可能对探测过程造成影响。
  3. 通过长时间在轨的监测数据,获取辐射损伤的程度,对探测结果进行修正;目前SIRI-1和天格计划的卫星(GRID-02)都有记录探测器工作状态(如温度、电流等)的部件,可以进行后续的分析。

总结

SiPM得益于其体积小、高灵敏度、低偏压的特点,在空间任务与天文观测中有广阔的应用空间,但是受限于其尺寸与暗计数的影响,难以通过较低成本达到高的能量分辨率。同时SiPM也需要考虑温度、辐射等诸多环境因素对工作稳定性的影响。但随着SiPM制作工艺的进步以及后续电路的发展,SiPM将在更多领域具有应用的潜力。

参考文献

  1. MITCHELL L J, PHLIPS B F, WOOLF R S, et al. Strontium Iodide Radiation Instrumentation (SIRI); proceedings of the UV, X-Ray, and Gamma-Ray Space Instrumentation for Astronomy XX, F, 2017 [C]. International Society for Optics and Photonics.
  2. KLEBESADEL R W, STRONG I B. Observations of cosmic gamma-ray bursts [J]. Astrophysics and Space Science, 1976, 42(1): 3-15.
  3. WEN J, LONG X, ZHENG X, et al. GRID: a student project to monitor the transient gamma-ray sky in the multi-messenger astronomy era [J]. Experimental Astronomy, 2019, 48(1): 77-95.
  4. WEN J-X, ZHENG X-T, YU J-D, et al. Compact CubeSat Gamma-ray detector for GRID mission [J]. Nuclear Science and Techniques, 2021, 32(9): 1-11.
  5. 高启, 陈天禄, 刘茂元, et al. 甚高能γ射线天文观测的利器——成像大气切伦科夫望远镜 [J]. 天文学进展, 2021, 39(03): 350-76.
  6. AMBROSI G, CORTI D, IONICA M, et al. Large size sipm matrix for imaging atmospheric Cherenkov telescopes applications [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2016, 824: 125-7.
  7. SCHIOPPA E, HELLER M, PUJADAS I T, et al. An innovative SiPM-based camera for gamma-ray astronomy with the small size telescopes of the Cherenkov Telescope Array [J]. Journal of Instrumentation, 2016, 11(01): C01038.
  8. GAO H, YANG D, WEN J, et al. On-ground calibrations of the GRID-02 gamma-ray detector [J]. Experimental Astronomy, 2021: 1-14.
  9. BOURDARIE S, XAPSOS M. The near-earth space radiation environment [J]. IEEE transactions on nuclear science, 2008, 55(4): 1810-32.
  10. 程彭超, 闵锐. 近地空间辐射环境与防护方法概述 [J]. 辐射防护通讯, 2017, 37(01): 14-21.
  11. MAURER R H, FRAEMAN M E, MARTIN M N, et al. Harsh Environments: Space Radiation [J]. Johns Hopkins APL technical digest, 2008, 28(1): 17.
  12. MITCHELL L, PHLIPS B, JOHNSON W N, et al. Radiation damage assessment of SensL SiPMs [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2021, 988: 164798.