硅光电倍增管数量对BGO晶体辐射探测器能量分辨率影响的建模与实验验证

本研究针对SiPM阵列在辐射探测中能量分辨率优化问题，通过建立统计模型R∝1/√NSiPM ，结合BGO晶体实验与GEANT4模拟，发现5个SiPM（3.25%覆盖）即可实现29.9%的511 keV能量分辨率，21个SiPM模拟可达14.8%，为紧凑型探测器设计提供理论依据。

　　

在辐射探测领域，能量分辨率是衡量探测器性能的核心指标之一。传统光电倍增管(PMT)虽性能优异，但存在体积大、需高压供电等缺陷。硅光电倍增管(SiPM)因其微型化、低功耗等优势成为研究热点，但其小尺寸特性导致单器件光子收集效率受限。如何通过SiPM阵列配置优化能量分辨率，成为医学成像(PET)、核监测等领域亟待解决的关键问题。

研究人员通过建立统计模型R=2.35/√N，系统研究了SiPM数量(N_SiPM
)与能量分辨率的关系。采用两种BGO晶体（六棱柱4.6×5 cm与长方体1×1×2 cm³
），搭配Sensl 6×6 mm²
SiPM和Hamamatsu 2英寸PMT进行对比实验，结合GEANT4模拟21个SiPM的理想工况。关键技术包括：1）自触发数据采集系统验证SiPM均一性；2）对称分布SiPM阵列配置；3）511 keV光电峰能量分辨率测试。

实验设置
六棱柱BGO晶体配备可替换SiPM/PMT模块，PMT覆盖37%面积时能量分辨率23.4%，5个SiPM（3.25%覆盖）达29.9%，验证SiPM在低覆盖率下的竞争优势。

SiPM增益测试
通过单SiPM性能标定，确保阵列中各单元增益一致性，消除制造偏差对统计模型的影响。

结论
研究证实能量分辨率与SiPM数量呈平方根反比关系（R′∝R/√N_SiPM
），模拟显示21个SiPM可使分辨率提升至14.8%。该成果为设计高分辨率紧凑型探测器提供了量化依据，特别适用于需平衡性能与成本的医疗及环境监测领域。

讨论
相比Wang等学者对3英寸晶体的研究，本工作通过建模首次预测了SiPM数量与分辨率的定量关系，突破实验条件限制。研究还发现SiPM阵列在3.25%超低覆盖率下即可超越PMT性能，这对开发便携式设备具有重要指导价值。未来可进一步探索SiPM空间排布与非对称配置的优化潜力。