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Description
早期，通过将SiPM阵列与闪烁晶体阵列一对一耦合的方式构建闪烁探测器，每个SiPM信号单独读出，该方法易制作大面探测器且能够提供优异特性，但空间分辨率受限于单个SiPM像素单元尺寸，且读出通道数多、电子学成本高[1]。为减少读出通道数量，研究者采用了利用电容或电阻进行电荷分配的通道复用技术，有效降低了读出通道数和电子学制作成本，但是会引入寄生参数，探测器性能的进一步提高受到限制[2]。另一种选择是采用位置灵敏(PS) SiPM，通过器件内部设计进行电荷分配并有望实现低至微单元尺寸(μm量级)的固有空间分辨率且读出通道数少[3,4]。北京师范大学新器件实验室（NDL）开发的二维（2D）盖帽电阻层（CRL）PS SiPM以外延层作为淬灭电阻，以表面的P++层作为连续电阻层实现电荷的分配与传输，与NDL的外延电阻淬灭型（EQR）SiPM制作工艺兼容，显示了良好的位置与时间分辨率特性[5]。
先前报道的单个2D CRL PS SiPM的有源区面积较小（6.14×6.14mm2），限制了实际应用范围。其有4个阳极收集雪崩电荷，信噪比是限制位置分辨率的因素之一。本研究中构建了一个4×4的1D CRL PS SiPM阵列，总面积为24.6× 24.6 mm2，采用阴极-阳极通道复用技术，仅需2个阳极和2个阴极读出通道。阴极-阳极通道复用的设计思路是将位于同一行的1D CRL PS SiPM的阴极信号串联，生成4个阴极行信号。这些信号被单独放大后输入由电阻组成的编码电路中，4个阴极行信号简化到2个。通过分析这两个信号，可以确定哪一行产生了雪崩信号，得到入射光信号的一维粗略位置信息。每个1D CRL PS SiPM像素单元有2个平行阳极电极，我们根据其相对位置，将两个电极命名为上电极和下电极，将每行内的所有上电极信号并联输出为一个阳极行信号，下电极信号同理并联输出为另一个阳极行信号，共生成8个行信号。这些行信号被单独放大，然后对所有上电极的阳极行信号进行并联输出，下部电极信号亦同。最终，将8个阳极行信号简化为2个。根据1D CRL PS SiPM这两个阳极行信号电荷分配原理，可以精确计算出雪崩信号相对于上电极和下电极的一维相对位置信息。结合阴极一维粗略位置信息，最终可以精确获得雪崩信号的一维绝对位置信息。
通过采用阳极-阴极信号复用配置，有效地将读出通道数量从32减少到4，同时保持足够高的位置和时间分辨率。在平均响应光电子数(MPEN)约130和反向偏压32 V的条件下，位置测量误差(PME)为54.8 ± 38.3 μm，占单个CRL PS SiPM器件边长的0.9%；位置分辨率(PR)为392.9 ± 58.3 μm，时间分辨率为205.3 ± 22.3 ps。通过在闪烁体阵列的两端设置2个平行电极正交的1D CRL PS SiPM阵列，提出了一种新型的三维闪烁探测器设计，该设计能够精确获取光子作用点的三维位置坐标，为未来高分辨率闪烁成像探测器的发展提供了新的可能性。
关键词：本征连续盖帽电阻层；位置灵敏SiPM, 阴极阳极通道复用；闪烁成像探测器
REFERENCES
[1] K. J. Hong, Y. Choi, J. H. Kang, W. Hu, and J. H. Jung et al., "Development of pet using 4 × 4 array of large size geiger-mode avalanche photodiode," in 2009 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC), IEEE, Orlando, FL, USA, 2009, pp. 3032-3037.
[2] D. Stratos, G. Maria, F. Eleftherios, and L. George, "Comparison of three resistor network division circuits for the readout of 4×4 pixel sipm arrays," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 702, pp. 121-125, 2013, 10.1016/j.nima.2012.08.006.
[3] E. B. Johnson, C. J. Stapels, M. Mcclish, S. Mukhopadhyay, and P. Linsay et al., "New developments for cmos sspms," in 2008 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, Dresden, Germany, 2008, pp. 1516-1522.
[4] A. Gola, A. Ferri, A. Tarolli, N. Zorzi, and C. Piemonte, "A novel approach to position-sensitive silicon photomultipliers: first results," in 2013 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (2013 NSS/MIC), Seoul, Korea (South), 2013, pp. 1-4.
[5] Y. Peng, W. Lv, L. Dai, T. Zhao, and K. Liang et al., "A square-bordered position-sensitive silicon photomultiplier toward distortion-free performance with high spatial resolution," Ieee Electron Device Letters, vol. 41, no. 12, pp. 1802-1805, 2020, 10.1109/LED.2020.3033046.
