低温与高辐射挑战下的SPAD性能首测——液氮环境中的暗计数率抑制与技术比较

本研究由多个顶尖研究机构的科学家和研究人员共同完成，汇集了实验粒子物理、数学、物理、化学工程以及电子工程等跨领域的专业知识：
主要作者：Rok Dolenec 等。

所属机构：

·约瑟夫·史提芬研究所（Jo?ef Stefan Institute）实验粒子物理系，斯洛文尼亚卢布尔雅那

·卢布尔雅那大学（University of Ljubljana）数学与物理学院，斯洛文尼亚卢布尔雅那

·洛桑联邦理工学院（?cole polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL）AQUA实验室，瑞士纳沙泰尔。

值得注意的是，本研究中的SPAD器件正是由EPFL AQUA实验室设计

·马里博尔大学（University of Maribor）化学与化学工程学院，斯洛文尼亚马里博尔

研究经费：
·本项目获得了斯洛文尼亚研究与创新局的资助
·同时也获得了瑞士国家科学基金会的资助

特别鸣谢：
·研究团队感谢约瑟夫·史提芬研究所的TRIGA核反应堆，特别是A.Verdir和A. Jazbec，协助了样品的中子辐射处理

这份跨国、跨机构的合作体现了在高能物理和探测器技术前沿研究中，多学科协同工作的重要性。

为指导未来SPAD基光电探测器的设计，以适应RICH探测器应用，本研究的核心解决思路是：在暴露于中子辐射前后，对不同类型的SiPM和SPAD器件进行从室温至液氮温度范围内的详细特性表征。

研究选取了多个SPAD样品进行首批测试，这些样品代表了不同的设计架构和中子辐射水平。

所有SPAD均采用外部高阻值电阻实现被动淬灭（passive quenching），该电阻在室温至液氮温度的电阻值变化小于1%，保证了淬灭性能的稳定性。

研究中使用的SPAD样品是由洛桑联邦理工学院（EPFL）AQUA实验室设计，采用了55纳米和110纳米CMOS技术。

这些样品包含了不同结型（junction type）的SPAD，例如55纳米PN结与NP结SPAD，以及110纳米P+/N与N+/P SPAD。

为了评估辐射对器件性能的影响，部分SPAD样品在测试前接受了高剂量的中子辐射。

实验装置与测量方法：
此研究沿用了先前用于SiPM特性表征的实验装置，该装置设计用于直接测量I-V曲线和暗计数率（DCR）。

此外，该装置还具备将光电探测器信号数字化，进而提取电荷分布和单光子时间分辨率（SPTR）的能力，尽管这些能力在本次研究中并未全面呈现其结果。

低温环境构建：SPAD样品及其前端读出电子元件被放置在一个铝制射频（RF）屏蔽盒内，该屏蔽盒随后被置入一个干燥的液氮容器中。

为实现高于液氮的指定温度，RF屏蔽盒被热绝缘材料包裹，并通过连接到外部计算机控制电源的电阻加热器进行加热。

一个PT100热电偶安装在盒内，用于监测温度，确保SPAD器件与温度控制单元之间有良好的热耦合。

信号读取链路：从前端板预放大的信号，通过约2米长的同轴电缆引出液氮容器，连接到外部放大器（ORTEC FTA820）。随后，信号经过可编程鉴别器（Phillips Scientific 7106），最后送至计数器（CAEN model C 257）。

测试方法与数据采集：
温度范围：所有样品均在多个稳定的温度点进行了测量，包括室温（约25°C）、-20°C、-60°C、-100°C、-140°C，以及接近液氮的温度（约-185°C）。

阈值扫描（Threshold Scans）：对每个SPAD样品在不同SPAD过电压（excess voltages）下执行阈值扫描。

通过这些扫描，可以确定在黑暗或激光照明下的计数率，以及脉冲高度。

暗计数率（DCR）测量：计数器在黑暗中对来自SPAD的脉冲进行1秒钟的计数，以获取DCR数据。

低光照激光响应：使用405纳米的皮秒激光二极管，以100 kHz的频率发射。激光光通过中性密度滤光片和可变光学衰减器进行衰减，使其达到约1 kcps（每秒千次计数）的SPAD探测率。

光线通过多模光纤引导至液氮容器内的SPAD，并可通过计算机控制的快门完全阻挡。激光照明主要用于在DCR过低而难以直接测量的条件下，确定SPAD的特性。

击穿电压（Break-Down Voltage, VBR）确定：从阈值扫描中获得的脉冲高度信息，用于计算不同温度下的SPAD击穿电压。

击穿电压温度系数（kT）：根据VBR对温度的依赖关系，计算出其温度系数。

本研究的实验方法与结果部分，主要着重于以下器件性能参数的表征：

暗计数DCR（Dark Count Rate）：这是本研究的核心测量参数之一，贯穿整个低温和辐射损伤分析。

击穿电压BDV（Break-Down Voltage, VBR）：通过脉冲高度信息计算得出，并分析了其温度系数。

后脉冲概率（Afterpulsing Probability, APP）：在研究背景中明确指出其会随辐射增加，且在结果讨论中提及了其在低温下可能对N+/P SPADs的DCR产生显著影响。文献指出，未来计划将增加APP的直接测量。

I-V曲线检查：虽然未直接展示具体的I-V曲线图，但文献中明确提及实验装置能够直接测量I-V曲线，并且击穿电压的测定也隐含了对I-V特性的分析。

单光子时间分辨率（Single Photon Time Resolution, SPTR）：虽然本论文的结果部分未详细呈现，但实验装置具备提取该参数的能力，并被视为未来研究的重点之一。

本研究的主要测量参数，如击穿电压（VBR）及其温度系数，已在表格中汇总呈现。图表则展示了不同SPAD样品在不同温度下，包括已受辐射的样品，所测得的暗计数率（DCR）结果。

目前，本研究的样品数量仍然较少，例如，对于特定中子通量下的辐射效应，目前仅有单个SPAD的数据。

这意味着当前的研究结果可能尚不能完全代表在特定中子通量下所预期的平均辐射损伤情况。

然而，尽管样本量有限，研究仍得出了一些初步的观察结果：

辐射影响：
1.对于两个受到低剂量中子辐射的SPAD样品，其DCR在测量误差范围内与辐射前保持不变

2.对于受到高剂量辐射的NP SPAD样品，其DCR出现了显著的五个数量级跳跃，表明该样品受到了严重的辐射损伤

不同结型SPAD的DCR比较：
1.55纳米PN结SPAD的DCR低于55纳米NP结SPAD，前提是样品在辐射后未受到实际的中子损伤

2.在辐射前，110纳米P+/N　SPAD的DCR也低于N+/P样品

低温对DCR的影响：
1.冷却SPAD是有效降低DCR的策略。将测量到的SPAD从室温冷却至-20°C时，其DCR大约降低了两个数量级

2.然而，对于N+/P　SPAD，DCR的降低幅度接近一个数量级，而非两个数量级

3.对于受高剂量辐射的NP　SPAD样品，即使在低温下，其DCR依然非常高，表明其受到了严重损坏

后脉冲概率（APP）的角色：
1.目前的测量无法精确估计低温下APP增加所扮演的角色

2.然而，样品在液氮温度下DCR的五个数量级跳跃，以及其他两个110纳米N+/P SPAD在激光照明下的类似观察，表明对于这种SPAD技术，APP确实扮演着重要角色

未来的高能物理实验将需要高性能的光电探测器，这些探测器必须能够在经受高剂量中子辐射后，甚至在低温环境下（可能接近液氮温度）继续稳定运行。

为了实现这一目标，目前正持续进行一系列不同CMOS SPAD的特性研究。这些研究涵盖了从室温到液氮温度范围内的运作，以及高剂量的中子当量辐射。

本研究展示了对多个SPAD样品的初步测试结果，这些样品采用55纳米或110纳米CMOS技术制造，并具有不同的设计参数。

尽管当前的样本量对于辐射相关的结论来说仍然过小，但研究已经对这些SPAD在较低温度下的运作特性以及不同技术之间的差异获得了一些初步的了解。

未来的研究计划包括：
1.增加后脉冲概率（APP）和光子探测概率（PDP）的测量
2.扩大样本数量
3.进行额外的中子辐射实验

这项研究为未来高能物理实验中光电探测器的设计和选择提供了重要的技术指导，特别是在极端环境下的应用场景。

通过系统性的低温和辐射损伤特性研究，为实现更好的探测器性能和更长的使用寿命奠定了基础。