超微弱画像高速検出用超高感度固体素子の実用化研究

超灵敏固态器件高速检测超弱图像的实用研究

基本信息

批准号：
07554005
负责人：
丹羽公雄
金额：
$ 11.39万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
1995
资助国家：
日本
起止时间：
1995 至 1997
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、光子を一個二個と数えることができるような微弱な映像を高速にとらえるための固体素子システムの実用化を試み、ほぼ実用のレベルまで到達することができた。開発の対象とした素子は半導体中での光電子の電子雪崩増幅を利用したアバランシェフォトダイオード(APD)のアレーである。従来のAPDはその構造上、可視光特に青色の光に対して感度が悪かったが、受光部を最表面に持ってくる構造を採用する事によって量子感度で50%を越える感度を持たせることが可能となった。また可視光域を重点対象とした事により受光部を薄くすることが可能になり、電子雪崩を起こさせる高電場領域を置く位置に幅がでて、検出器の容量を小さく保ちつつなおかつバックグラウンドとなる暗電流を減少させる事にも成功し、常温近い温度での低雑音動作が可能となった。信号の読みだしのためにはアレーサイズのコンパクトな低雑音プリアンプが必要であるが、32チャンネルのプリアンプを1チップに搭載した並列-直列変換読みだし方式のチップの開発を行い、アンプの雑音にして1光電子相当レベル(APDゲイン500倍)の実用的な物とすることができた。またこれらを用いて我々が開発済みであった多層シンチレーティングファイバー放射線検出器の読みだしシステムを構築し、最小電離粒子の信号を信号対雑音比20という高性能で検出できることを実証する事ができた。

在这项研究中，我们试图使用固态设备系统进行实际使用，以捕获可以在高速上算作一两个光子的弱图像，并且能够达到几乎实用的水平。开发的元素是利用半导体中光电子雪崩扩增的雪崩光电二极管（APD）的阵列。由于其结构，常规APD对可见光，尤其是蓝光的敏感性较差，但是通过采用将光接收部分带到顶表面的结构，已经有可能提供超过50％以上的量子灵敏度。此外，通过专注于可见光范围，可以使光接收部分变薄，并且宽度现在可以在高电场区域可用，该区域可引起电子雪崩，使探测器的容量保持较小，并降低背景深色电流，使其有可能在接近室温的温度下运行。读取信号需要一个紧凑的低噪声前置放大器，但我们开发了一个平行于串行的转换读数芯片，其中一个安装在一个芯片上的32频道前置放大器，并能够使放大器噪声成为一个实用的对象，等于一个级别的对象，相当于一个光电电机（APD获得500次）。使用这些，我们能够为我们已经开发的多层闪烁纤维辐射检测器构建一个阅读系统，并证明可以以20个信号噪声比的高性能检测到最小离子化颗粒的信号。