آشکارساز سوسوزنی و SIPM

به نام خدا

 تعاریف کلیدی

سوسوزن (Scintillator):

مادهای است که در اثر برهمکنش با ذرات پرانرژی (مانند فوتونها، الکترونها، ذرات آلفا) نور مرئی یا فرابنفش ساطع میکند.

انگلیسی: Scintillator.

آشکارساز سوسوزنی (Scintillation Detector):

سیستم تشخیصی متشکل از سوسوزن، فتودتکتور (مانند فتومالتیپلایر یا SiPM)، و مدارهای الکترونیکی برای تبدیل نور به سیگنال الکتریکی.

انگلیسی: Scintillation Detector.

تکثیرکننده نوری سیلیکونی (SiPM/Silicon Photomultiplier):

یک نیمهرسانای پیشرفته با آرایهای از سلولهای میکروسکوپی (Microcells) که قادر به تشخیص فوتونهای منفرد و تقویت سیگنال است.

انگلیسی: Silicon Photomultiplier (SiPM) یا MultiPixel Photon Counter (MPPC).

مکانیسم عملکرد سوسوزنها

۱. جذب تابش: ذرات پرانرژی (مثل پرتوهای گاما) توسط ماده سوسوزن جذب میشوند.

۲. تحریک الکترونی: انرژی ذره به الکترونهای ماده منتقل شده و آنها را به حالت برانگیخته میبرد.

۳. گسیل نور (Scintillation): بازگشت الکترونها به حالت پایه همراه با گسیل فوتونهای نور مرئی/فرابنفش.

۴. جمعآوری نور: فوتونها به سمت فتودتکتور هدایت میشوند.

۳. انواع سوسوزنها

| نوع سوسوزن | مثالها (انگلیسی/فارسی) | کاربردها |

| غیرآلی (Inorganic) | NaI(Tl) (سدیم یدید فعالشده با تالیوم), BGO (بیسموت ژرمانات), LYSO(لوتتیم یرتیم سیلیکات) | تصویربرداری پزشکی (PET, CT)، فیزیک ذرات |

| آلی (Organic) | پلاستیک سوسوزن (PVT), آنتراسن | آشکارسازی ذرات باردار (بتا، آلفا) |

| گازی (Gas) | زنون (Xe), آرگون (Ar) | آشکارسازی نوترینوها، فیزیک هستهای |

. اجزای اصلی آشکارساز سوسوزنی

۱. سوسوزن (Scintillator): تبدیل تابش پرانرژی به نور.

۲. فتودتکتور (Photodetector): تبدیل نور به سیگنال الکتریکی (مثال: PMT یا SiPM).

۳. الکترونیک خوانش (Readout Electronics): تقویت و پردازش سیگنال.

۵. معرفی SiPM(تکثیرکننده نوری سیلیکونی)

ساختار: آرایهای از سلولهای میکروسکوپی (۱۰–۱۰۰ μm) مبتنی بر دیودهای آوالانژی (APD).

مزایا نسبت به PMT:

مقاوم در برابر میدانهای مغناطیسی.

اندازه کوچک و مصرف انرژی پایین.

یادداشت علمی جامع درباره تکثیرکنندههای نوری سیلیکونی (SiPM/Silicon Photomultiplier)

با جزئیات فنی، فرمولها، تاریخچه، ساختار، و کاربردها

 ساختار SiPM

سیلیکون فوتومالتیپلایر (SiPM) یک نیمهرسانای فوتون-حساس است که از هزاران سلول میکروسکوپی (Microcells) تشکیل شده است. هر سلول شامل:

• دیود آوالانژی (APD): در حالت گیگر (Geiger Mode) کار میکند (ولتاژ معکوس بالاتر از ولتاژ شکست).
• مقاومت خاموشکننده (Quenching Resistor): جریان آوالانژ را محدود کرده و سلول را برای تشخیص فوتون بعدی آماده میکند.
• اتصال موازی: خروجی تمام سلولها بهصورت موازی جمع شده و سیگنال کلی را تشکیل میدهد.

انگلیسی:

• Microcell: Geiger-mode APD + Quenching Resistor.
• Structure: Array of microcells (e.g., 100×100 μm² per cell) on a silicon substrate.
• 
  

. تاریخچه توسعه SiPM

• دهه ۱۹۹۰: ایده اولیه استفاده از آرایههای APD در حالت گیگر توسط محققان روسی (MEPhI) مطرح شد.
• ۲۰۰۳: اولین نمونههای تجاری توسط Hamamatsu (ژاپن) با نام MPPC (Multi-Pixel Photon Counter) عرضه شد.
• ۲۰۱۰-اکنون: پیشرفت در فناوری نیمهرساناها (کاهش نویز، افزایش رزولوشن) و گسترش کاربردها در پزشکی (PET/MRI) و فیزیک ذرات.

 مکانیسم عملکرد (شماتیک)

۱. جذب فوتون: فوتون وارد سلول شده و جذب لایه فعال سیلیکون (مثلا Si-on-Si) میشود.
۲. تولید جفت الکترون-حفره: انرژی فوتون باعث ایجاد جفتهای حامل بار در ناحیه رانش (Drift Region) میشود.
۳. آوالانژ (بهمن): الکترونها در میدان الکتریکی قوی شتاب گرفته و با یونیزاسیون ضربهای، بهمنی از حاملهای بار ایجاد میکنند (تقویت بهره ~۱۰⁵–۱۰⁶).
۴. خاموشی (Quenching): مقاومت خاموشکننده جریان را قطع کرده و ولتاژ سلول را بازیابی میکند.

 ساختار و شماتیک SiPM

میکروسلها (Microcells): آرایهای از دیودهای آوالانژی (APD) در حالت گایگر، هر سلول ~۱۰–۱۰۰ میکرومتر.

مقاومت خاموشکننده (Quenching Resistor): برای قطع جریان آوالانژ و بازگرداندن سلول به حالت پایه (مقاومت معمولا ~۱۰۰ کیلواهم).

لایههای ساختاری:

1. Substrate: لایه سیلیکونی پایه.

2. Epitaxial Layer: ناحیه فعال برای جذب فوتونها.

3. Metal Contacts: اتصالات برای جمعآوری سیگنال.

شماتیک SiPM: هر میکروسل شامل یک APD و مقاومت خاموشکننده است.

۳. فرمولهای کلیدی

الف) بازده تشخیص فوتون (Photon Detection Efficiency, PDE)

۲. گین (Gain):

۳. نرخ شمارش تاریک (Dark Count Rate, DCR):

قواعد ساخت و فرایند تولید

۱. فناوری نیمهرسانا:

استفاده از فرایندهای Photolithographyو Ion Implantation برای ساخت میکروسلها.

مواد: سیلیکون با ناخالصیهای بور (ptype) و فسفر (ntype).

۲. طراحی میکروسلها:

بهینهسازی اندازه میکروسل برای کاهش Crosstalk (تداخل بین سلولها).

افزودن لایههای پوششی ضد بازتاب (AntiReflective Coating) برای بهبود PDE.

۳. بستهبندی:

اتصال SiPMبه بستر سرامیکی یا پلاستیکی با پایههای طلا برای کاهش نویز

پارامترهای عملکردی کلیدی

. مزایا و محدودیتهای SiPM

 مقایسه SiPM با فوتومالتیپلایرها (PMT)

| پارامتر | SiPM | PMT |

||||

| میدان مغناطیسی | مقاوم | حساس |

| رزولوشن زمانی | ~۱ نانوثانیه | ~۱۰ نانوثانیه |

| ولتاژ کاری | ۳۰–۵۰ ولت | ۱۰۰۰–۲۰۰۰ ولت |

| دوام | مقاوم در برابر لرزش | شکننده (لامپ خلا) |

. کاربردهای پیشرفته SiPM

تصویربرداری پزشکی:
PET (پوزیترون امیشن توموگرافی): تشخیص فوتونهای ۵۱۱ keV با رزولوشن زمانی < ۲۰۰ ps.

PET/MRI: ترکیب SiPMبا سیستمهای MRI به دلیل مقاومت مغناطیسی.

فیزیک ذرات:
آشکارسازهای نوترینو (مثال: آزمایشگاههای زیرزمینی مانند JUNO).

آشکارسازهای LHCb در سرن.

سیستمهای لیدار (LiDAR):
نقشهبرداری سهبعدی در خودروهای خودران.

نجوم:

تلسکوپهای CTA (Cherenkov Telescope Array) برای رصد پرتوهای گاما.

تولیدکنندگان برتر SiPM

• Hamamatsu Photonics (ژاپن): پیشگام در فناوری MPPC.
• Broadcom/SensL (ایرلند): SiPMهای کم نویز برای کاربردهای پزشکی.
• ON Semiconductor (ایالات متحده): فناوری J-Series با PDE > 40%.
• 
  

پیشرفتهای اخیر

• SiPMهای دیجیتال (dSiPM): ادغام مدارهای خوانش روی تراشه.
• بهبود Fill Factor: با کاهش فاصله بین سلولها (>۸۰%).
• مواد جدید: SiPMهای مبتنی بر InGaAs/InP برای طیف مادون قرمز (۱٫۵–۲ μm).

. منابع علمی پیشنهادی sipm

۱. مقالات کلیدی:

Renker, D. (2006). New trends on photodetectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A.

Otte, A. N. (2016). The Silicon Photomultiplier: Fundamentals and Applications. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.

 کتابها:

Sze, S. M. (2006). Semiconductor Devices: Physics and Technology. Wiley.

Dalla Betta, G. F. (2017). Advances in Photodiodes. IntechOpen.

•  استانداردها:
• IEEE Standard for SiPM Characterization (IEEE 1853-2019).

 جمعبندی sipm

SiPM با ترکیب مزایای نیمهرساناها (کوچکی، مقاومت مکانیکی) و حساسیت بالا به فوتونهای منفرد، جایگزین مناسبی برای فتومالتیپلایرهای سنتی (PMT) در بسیاری از کاربردها شده است. چالشهای فعلی شامل کاهش نویز حرارتی و بهبود رزولوشن انرژی است. پیشرفتهای آینده احتمالا بر ادغام SiPMها با فناوریهای دیجیتال و اپتیک نانویی متمرکز خواهد بود.

 کاربردهای آشکارسازهای سوسوزنی

پزشکی: PET Scan، دوربینهای گاما.

فیزیک هستهای: آشکارسازی ذرات در شتابدهندهها.

امنیت: سیستمهای بازرسی پرتو ایکس.

نجوم: تلسکوپهای پرتو گاما (مثال: Fermi LAT).

منابع علمی (References) آشکارسازهای سوسوزنی

۱. کتابهای مرجع:

Knoll, G. F. (2010). Radiation Detection and Measurement. Wiley.

Derenzo, S. E. (2003). Scintillation Detectors for PET. Journal of Nuclear Medicine.

۲. مقالات SiPM:

Gundacker, S. (2020). SiPMs: Fundamentals and Applications. IEEE Transactions on Nuclear Science.

Acerbi, F. (2018). Silicon Photomultipliers: Technology and Applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A.

 جمعبندی آشکارسازهای سوسوزنی

سوسوزنها و آشکارسازهای مبتنی بر آنها نقشی حیاتی در علوم و فناوریهای مدرن ایفا میکنند. ظهور فناوری SiPMبهعنوان جایگزینی برای PMTهای سنتی، تحولی در حوزههای پزشکی و فیزیک تجربی ایجاد کرده است. انتخاب بین سوسوزنهای آلی/غیرآلی و فتودتکتورها (PMT vs. SiPM) به پارامترهایی مانند انرژی تابش، رزولوشن زمانی، و شرایط محیطی بستگی دارد.

این یادداشت با بررسی منابع معتبر و تطبیق تعاریف فنی تهیه شده است. برای دقت بیشتر، پیشنهاد میشود به منابع ذکرشده مراجعه شود.

پایان 

دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته شاهین جلیل پور