科研 / 探测器与材料
SiPM阵列谁家更强？
围绕 SiPM 阵列、器件性能与测量条件，整理比较研究与选型问题。
图文依照提供的原稿收录，图表与公式保留原貌。
以下为从原稿提取的辅助阅读文字；符号、公式及识别差异请以“图文原稿”为准。
本文详情：当前版本日期为2024年5月17日。（通讯作者：杰西卡•德尔加多。）杰西卡•德尔加多、费利克斯•皮诺和桑德拉•莫雷托隶属于意大利帕多瓦大学“伽利略•伽利莱”物理与天文学系，地址：意大利帕多瓦35121（电子邮箱：jessicadelgadoalvarez@gmail.com）。达尼埃莱•科尔蒂、亚历山德罗•格里吉奥和达妮埃拉•法布里斯隶属于INFN-帕多瓦分部，地址：意大利帕多瓦35131。马特奥•波洛和卢奇奥•潘切里隶属于意大利特伦托大学工业工程系，地址：意大利特伦托38123。本文中一个或多个图的彩色版本可通过https://doi.org/10.1109/TNS.2024.3387075获取。
硅光电倍增管（SiPM）市场因在医学成像和核物理等领域的应用不断扩大而实现了显著增长。由于多家制造商提供具有独特特性的SiPM，因此需要对其性能进行评估。本研究对两种中型有机闪烁体（EJ-309和EJ-276G）与三种不同品牌的SiPM阵列（AdvanSiD-NUV混合型、MPPC Hamamatsu S14161- 6050HS-0以及Ketek PA3325-WB-0404）的耦合性能进行了研究。性能评估重点关注能量分辨率、时间分辨率以及v射线与快中子的鉴别能力。结果表明，在所有研究特性中，Hamamatsu SiPM阵列的表现优于其他两种SiPM阵列，实现了最低的能量和时间分辨率以及最高的性能指标。然而，当以每个SiPM阵列每脉冲产生的光电子数量进行归一化处理时，Ketek SiPM阵列在能量分辨率方面表现出最佳性能，并且在时间分辨率和鉴别性能方面与其他两种阵列相当。该分析为特定应用中选择合适的SiPM阵列和闪烁体组合提供了有价值的见解。
测试器件（表1+图 1/2/3）
三种 SiPM 阵列（都为4×4=16通道阵列）。表| 给出关键硬件差异（这很重要，因为它解释了后面结果）：AdvanSiD-NUV：阵列 17x17 mm；单通道有效区4×4 mm；微单元尺寸40×40 wm；击穿电压26 V；峰值灵敏420 nm（约43%）。Hamamatsu S14161-6050HS-04：阵列 24x24 mm；单通道 6×6 mm；微单元50x50wm；击穿38 V；峰值灵敏 450nm（约 50%）。Ketek PA3325- WB-0404：阵 13×13 mm；单通 3×3 mm；微早元 25x25 um；击芽
F24.5 V；峰值灵歌 420
nm（约45%）。
TABLE I
MAIN CHARACTERISTICS OF THE SiPM ARRAYS TESTED
AdvanSiD-
Hamamatsu
Ketek
NUV
Array size
17 mm x 17mm
24 mm x 24 mm
13 mmx13mm
Single SiPM size
6 mm x 6 mm
3 mm x 3mm
4 mm x 4 mm
Channel number
16 channels
16 channels
16 channels
No.of cells/channels
9340
14331
13920
Cell size
40 pm x 40wm
25 um x 25 pm
50 pm x 50 pm
Recharge time
70 ns
> 50 ns
80 ns
Cell capacitance
90 fF
140 fF
72 fF
Peak sensitivity 420 nm（43%）
450 nm （50%）
420 nm （45%）
wavelength
26 V
24.5 V
Breakdown voltage，
38 V
TP Dark count rate
< 100kHz/mm2
7.5A @AV OV
3.4uA @7Y OV
@4V OV
SiPM array AdvanSiD-Nuv
SiPM array Hamamatsu
SiPM array Ketek
17 mm x 17mm
24 mm x 24 mm
13 mm x 13 mm
INEN™
公众号•衷科创
图1. AdvanSiD-NUV、滨松和Ketek SiPM阵列的照片
直觉上：Hamamatsu 阵列面积最大、与液闪发射峰匹配更好＞更容易收集更多光子并转成更多光电子；Ketek 单元更小、噪声/电荷恢复特性可能不同 ＞可能在“单位光电子统计下”的表现更好（后面作者确实证明了这一点）。
两种有机闪烁体（都具 n/v鉴别能力）：EJ-276G（塑闪）：直径25mm、厚25 mm；EJ-309（液闪）：直径50mm、厚50mm，都来自 Eljen。耦合方式：光学硅脂；塑闪外包特氟龙带以增强反射；液闪在反射封装容器内。
SiPM array Hamamatsu 24 mm x 24 mm
SIPM array AdvanSiD-Nuy 17 mm x17 mm
QHJIN TECHNONOO）Sg Selntitator C
F1-276G 25 mm dia. x 25 mm thick.
众号．核衷科创E-309 50 mm dia. x 50 mm thick.
图2. EJ-276G和EJ-309闪烁体分别与AdvanSiD-NUV和Hamamatsu硅光电倍增管阵列耦合的示意图。光谱匹配（图 3+表 II）：作者把 SiPM 的PDE（入）和 闪烁体发射谱S（入）做卷积，得到一个“平均转化概率”的量（表 II），可理解为：从闪烁体发出的一个随机光子，被该SiPM 转为光电子的概率。
60
NUV Hamamatsu•Ketek
50
E-276G E-309
40 PE 30-
20-
10 400 300
500 600昭7嗯众号．樓照科创
Wavelength （nm）
图3. 与Advansid、滨松和Ketek SiPM阵列（左轴）对应的PDE与塑料和液体闪烁体的发射曲线（右轴）进行比较。信
息来源于制造商。
TABLE II
PHOTON DETECTION EFFICIENCY MULTIPLIED BY THE NORMALIZED
EMISSION SPECTRUM FOR EACH SiPM ARRAY/SCINTILLATOR COMBINATION Scintillator/SiPM array
I-二2OnmPDE（N）•A（N）A入
EJ-276G/AdvanSiD
27.3
EJ-276G/Hamamatsu
44.4
EJ-276G/Ketek
35.2
EJ-309/AdvanSiD
37.3
EJ-309/Hamamatsu
48.6•公众号•核衷科创
EJ-309/Ketek
42.4
表I| 的结论很直观：最高的是 EJ-309 / Hamamatsu （48.6），其次 EJ-309 / Ketek （42.4）、EJ-276G / Hamamatsu（44.4）等。这直接预示了：液闪+Hamamatsu可能在绝对性能上最强。
电子学与实验方法读出板结构如图4所示，16 个 SiPM被分成 4 组：每组4个并联 经4个跨阻前放（LMH6629）放大＞再求和输出。同一阵列内部各 SiPM 使用同一偏压；数据采集上，CAEN V1730:500 MS/s、14 bit；FPGA 可在线算积分（Qtotal、Qshort）和时间戳；也可存波形做离线分析。采集软件用 ABCD（开源）。
SiPM Matrix
Amplification Stage Sum Output Signal
•公众号•核衷科创
图4. 与Advansid、滨松和Ketek SiPM阵列（左轴）对应的PDE与塑料和液体闪烁体的发射曲线（右轴）进行比较。信
息来源于制造商。
Channel,tmestamp.
137Cs
and Qtotal
ABCD Software
source
CAEN digitizer V1730
PMT LaBfa
crganis Scintiiator
Desktop
Lead
CAEN power
power supply
supply V6533（HV +800 V）
20 Gm
众号•核衷科创
Hamamatsu SiPM array
图5.实验装置示意图，其中滨松硅光电倍增管阵列耦合到有机闪烁体之一，并与LaBr3:Ce探测器在137Cs源下进行符合
测量。
三类测量分别对应三项指标（1） 能量分辨率：Compton coincidence （137Cs + LaBr3:Ce）
利用 661.7 keV y 在有机闪烁体中 180°后向散射 -有机闪烁体沉积约477.4 keV。同时背散射 到LaBr3:Ce 沉积 184.3 keV。对“有机探测器中与LaBr3全能峰符合”的谱做高斯拟合、得到在 477.4 kev 的能量分辨率RE=FWHM/E0。（2） 时间分辨率：22Na（两路 511kev 符合）离线用数字恒比定时 DCFD，扫 fraction 和 delay 找到最优。通过已知 LaBr3 时间分辦 （0.366 ns）从总符合展宽中扣除，得到有机+SiPM的时间分辨。（3） n/v 鉴别：241Am-Be + 双门积分 PSD定义脉冲形状参数：
Qlong -Qshort PSP =
Qiong
并用 FoM 衡量分离好坏：
A FoM = dn +ow
（论文文字写作 1/（6n+6y），其中“7”代表两峰均值差；本质就是“峰间距 / 峰宽之和”。）FoM 取在约 480 keVee（接近 137Cs 康普顿边）的光输出范围。
Results：“绝对性能”（表IV、表V）波形差异（图6）：三者上升沿类似，但 Hamamatsu 衰减更慢：作者解释为其微单元电容/RC 恢复时间更大（与 microcell 面积相关）。Ketek 波形里随机波动更明显＞可能损害定时。
1
E-276G/AdvanSiD-NUV
ee0.8
E-276G/Hamamatsu
Normalized Amplitu
E-276G/Ketek
0.6-
0.4-
0.2-
200 400 600 800 1009 1200公众号••核衷科创
Time （ns）
图6. EJ-276G闪烁体分别与滨松、AdvanSiD-NUV和Ketek硅光电倍增管阵列耦合的典型波形。这些信号对应于477.4
keV事件，即661.7 keVy射线的康普顿边缘。
最优偏压点（表III）：作者不是固定过压，而是以能量分辨最优为准去调 OV，再记录各性能。例如 EJ- 309/Hamamatsu 用OV=2.75V （bias40.75V）；EJ-309/Ketek OV=3.75 V （bias 28.5 v）等。
TABLE III
BIAS VOLTAGE APPLIED TO EACH SCINTILLATOR/SiPM
ARRAY CONFIGURATION
Scintillator/SiPM array
OV （V）
Bias Voltage （V）
EJ-276G/AdvanSiD
4
30 40.75
EJ-276G/Hamamatsu
2.75
EJ-276G/Ketek
4.25
29
EJ-309/AdvanSiD
3.5
29.5
2.75
EJ-309/Hamamatsu
4075 28.35公号，核衷科创
EJ-309/Ketek
3.75
能量分辨率+时间分辨率（表IV）：研究中最关键的一张表，结论非常清晰：EJ-309/Hamamatsu：能量分辦 10.8%，时间分辦 0.517 ns（全场最佳）。
184.3 kev 800
（a）
700 600 500
661 kev
400 300 200 100
100 200 300 400 500 600 700 Energy （keV）
Counts 180
（b）
160 140 120 100 80 60 40 20
4009/号 Q.mg
1000 2000 3000
5000，（ag
图7.137Cs符合实验对应的能谱，分别为（a）LaBr3:Ce探测器和（b） EJ-276G/滨松硅光电倍增管阵列组件。
TABLE IV
VALUES OF THE ENERGY AND TIME RESOLUTION OBTAINED FOR EACH
SCINTILLATOR/SiPM ARRAY CONFIGURATION Scintillator/SiPM array
Energy Resolution （%）
Time resolution （ns）
EJ-276G/AdvanSiD-NUV
29.0士0.2
1.80 士0.01
EJ-276G/Hamamatsu
18.8士0.4
1.043 土0.003
EJ-276G/Ketek
25.5士0.2
2.33 士0.02
EJ-309/AdvanSiD-NUV
20士2
1.17 0.01
10.8士0.4
0.517 0.004
EJ-309/Hamamatsu
1.26王0:01核衷科创
EJ-309/Ketek
19.7士0.2
其他组合明显更差，例如：EJ-309/AdvanSiD:25.1%，1.17 ns；EJ-309/Ketek:19.7%，1.26 ns；
1.04 ns； EJ-276G/Ketek:25.5%，2.33ns。作者在正文中把
EJ-276G/Hamamatsu:18.8%，Hamamatsu（尤其液闪）描述为：能量分辦提升约45%（相对另外两者），时间分辨改善56%-59%（相对 AdvanSiD/Ketek）。
n/v 鉴别 FoM（表V+图 10/11/12）：EJ-309/Hamamatsu：FoM ~ 2.04（最好）；EJ- 309/AdvanSiD:1.15；EJ-309/Ketek:1.010。塑闪方面 Hamamatsu 也最好（EJ- 276G/Hamamatsu: 1.19）。因此，若你只看“我买来装上就用”的绝对性能：Hamamatsu 阵列几乎在能量、时间、PSD 三项里都赢，特别是配 EJ-309。
TABLE V
OPTIMIZED INTEGRATION WINDOWS （Wlong AND W'short）， AND FOM VAL-
UES OBTAINED FOR EACH SCINTILLATOR/SiPM ARRAY CONFIGURATION
Scintillator/SiPM array
wshort （ns） FoM
Wlong （ns）
E1-276G/AdvanSiD-NUV
0.76士0.02
904
240
EJ-276G/Hamamatsu
220
1.19 士0.02
590
EJ-276G/Ketek
810
176
0.597 士0.004
EJ-309/AdvanSiD-NUV
586
122
1.15 二 0.01
730
180
EJ-309/Hamamatsu
2.04 土0.01
EJ-309/Ketek
738
190公：010社0.003
20- 1200
E-276G/AdvanSiD-NUV
1000 $00—600- 10- 200
-150 -148 tima ingi
1000一
E-276G/Hamamatsu
800|
600 400 200
1400
E-276G/Ketek
1200 1000 800 600 400 230
忽「些「名
图8.使用22Na源对应每个SiPM阵列耦合的塑料闪烁体（EJ-276G）的时间谱
$500 2000
E-309/AdvanSiD-NUV
2500 2000 1500 1000- 500
一二甜-4 time （rs）
MhomnoE 7000
E-309/Hamamatsu
6000 5000 4000 2000 2000 1000
g0 Paime （n8
8w20 1000
E）-309/Ketek
800 600 400
EUU
-1 -165
-169 -168
Tne（ns
图9. 使用22Na源耦合到每个SiPM阵列的液体闪烁体（EJ-309）的时间谱
am3 40
300-
（a）
250 230 150 100
口4 50- 052 056
0.45 0.48 80加m
如gos SD gh ab
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000
（b）
Qwt （a. u.）
FoM=1.19 0.02品仁三0t公 可
图10.a） 2D-PSP 和（b）PSP 曲线，对应 EJ-276G 与滨松 SiPM 阵列耦合，使用 241Am-9Be 源。
10
0.64
d 0.84 0.82
EJ-309/AdvanSiD-NUV
0.55
EJ-276G/AdvanSiD-NUV
10°0.8
0.5
0.78
10
0.45
0.76 0.74
0.4
10 0.72
0.35
0.7
0.3
0.68
10
0.25
0.66 0.64
0.2
0.62
0.15 5000 10000 15000
25000
1:000
Qola.u.）
10
E-276G/Hamamatsu
0.55
E-309/Hamamatsu
0.5 10 0.45
0.5
10
0.4
0.45
0.35 10
0.4
03
10
0.35
0.25 0.2
5000
45000
30000 3500 45000
0.75
E-276G/Ketek
0.75
E-309/Ketek
10
0.7
0.7 10
0.65
0.65
10
0.55
0.6
0.5
10
PT
0.55
0.45
10
0.4
0.5
0.35.
0.45
公盆号核惠科①
0.3 2000 4000
2000 4000
C.（a.u.）
图11/12. 与三个硅光电倍增管阵列耦合的塑料闪烁体（EJ-276G）对应的2D-PSP图，使用241Am-9Be源；使用241Am-9Be源对应的与三个SiPM阵列耦合的液体闪烁体（EJ-309）的2D-PSP图
本研究最有价值的部分：把“面积优势”剥离后，谁更强？作者很清楚：Hamamatsu上述性能好，很大一部分原因是它阵列面积最大、覆盖闪烁体窗口比例最高＞产生更多光电子。为了公平比较“器件本征好坏”，作者做了一个关键归一化分析：用光电子数 Nphe来统一尺度。
光电子数估计
Nphe = L.O. XE x PDEint X EL.C.
L.O.：单位能量光产额（EJ-309：12300 ph/MeV；EJ-276G：8000 ph/MeV）；E：电子能量（如 477.4 keV康普顿边）；PDEint：结合发射谱的有效 PDE；CL.C.：光收集效率（与反射、覆盖率、衰减等有关），作者用半经验标定估计（用 LYSO 与 137Cs 的响应比标定增益等）。
表VI 给出每个组合的 NVphe，以及：• REV Nphe：越接近纯统计极限越好（理论极限常数约 2.35）•RrV Nphe：把”光子统计“影响扣掉后的定时表现• FoM/V Nphe：扣掉光电子数差异后的 PSD、本征能 科创
表VI最“反直觉”的发现是：（A）能量分辨率的本征表现：Ketek 最好。作者指出：若只有光电子统计涨落应 DcNnhass a姓里田c_aaamata。 asnno 且是落行密让奶姐的二姐中是件名
明它的额外噪声项更小。因此作者得出非常工程化的一句结论：如果 Ketek 也能做到和Hamamatsu/AdvanSiD 类似的有效覆盖面积，它的能量分辦很可能会更好。（B）时间与 PSD 的“本征差距”没那么大。时间归一化后，Hamamatsu 仍整体占优，但 AdvanSiD+塑闪、Ketek+液闪与Hamamatsu 接近（作者认为同等面积下差距会更小）。PSD 归一化后（FoM/VNphe），同一种闪烁体下三者数值非常接近 说明：PSD 的决定性因素仍然是“每个脉冲产生的光电子数”，阵列面积/光收集才是主导。
作者还提醒了一个“异常现象”他们的半经验 Nphe计算结果“偏大且呈非线性”：比如塑闪 Hamamatsu全覆盖 vs液闪 Hamamatsu 仅覆盖约28% 窗口，直觉上光电子数应差很多，但计算只差约1.1倍。作者认为值得进一步研究（可能涉及反射/光路多次散射导致覆盖率非线性等）。
以上。
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