Caratterizzazione dei Silicon Photo-Multipliers: dipendenza dalla temperatura

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Salvatore Frigerio
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1 Presentazione di Fine Anno Caratterizzazione dei Silicon Photo-Multipliers: dipendenza dalla temperatura Marco Ramilli XXIII ciclo

2 Outlook: Giunzioni p-n; i Silicon PhotoMultiplier (SiPM); Applicazioni in RAPSODI Caratterizzazione: Setup sperimentale; Procedura; Risultati; Conclusioni e sviluppi futuri;

3 Richiami sul funzionamento delle giunzioni p-n Cristalli (ad es. Si) drogati con impurita` Accettori (drogaggio p - ad es. B); Donatori (drogaggio n - ad es. P); Potenziale esterno (biasing): a)diretto Il diodo si comporta come un conduttore (non ohmico); b)inverso la regione di svuotamento si allarga.

4 Aumentando il bias inverso si raggiunge un Voltaggio di Breakdown (VBD) Per V > VBD probabilita` per una carica che attraversi la regione di svuotamento di generare una valanga Geiger-Müller La fisica e` contenuta in α: dipendenza dai parametri tecnologici; dipendenza dall' over voltage; dipendenza dal profilo di campo elettrico; Figura ed equazioni da: Oldham et al. IEEE TED Vol. Ed-19, N 9 (1972)

SiPM: introduzione F. Zappa, S. Cova; M. Ghioni, A. Lacaita, C. Samori Applied Optics 35 (12) 1956-1976 (1996) A. Adikinov et al. Nucl. Inst. And Meth.

5 SiPM: introduzione F. Zappa, S. Cova; M. Ghioni, A. Lacaita, C. Samori Applied Optics 35 (12) (1996) A. Adikinov et al. Nucl. Inst. And Meth. A (1997) Regime Geiger-Müller Medesimo Guadagno Output comune Lettura Analogica Array di diodi p-n 103/mm2 Alto Range Dinamico 106 Alta velocita`: Trise 1 ns, Tfall 50 ns Compattezza Basso voltaggio operazionale tipico PMT ~ kv Operabilita` in campo magnetico Basso costo Producer Area (mm2) Pixel size (µm) No. cells V working DCR GAIN PDE (%) ( (green) SensL 3x3 20 x MHz Hamamatsu 1x1 17 x khz 3 x CPTA 1x1 30 x MHz

Alcune applicazioni - RAPSODI Dosimetria in mammografia - MAMMODOS Fornire una misura

sensibilita`; alto range dinamico; Homeland Security - Snooper Rivelatore portatile di

condizioni ambientali; Concentrazione di Radon ambientale - RADIM 7 Rivelatore in

6 Alcune applicazioni - RAPSODI Dosimetria in mammografia - MAMMODOS Fornire una misura in tempo reale della dose di radiazioni a cui viene sottoposta la paziente sensibilita`; alto range dinamico; Homeland Security - Snooper Rivelatore portatile di materiale per bombe sporche sensitivita` al basso flusso; Stabilita` rispetto alle condizioni ambientali; Concentrazione di Radon ambientale - RADIM 7 Rivelatore in grado di effettuare conteggi di Radon conteggio di buio nullo stabilmente; controllo condizioni ambientali;

7 Protocollo di caratterizzazione Parametri geometrici (numero di celle, area totale, area utile); Misure di I V (corrente di svuotamento, voltaggio di breakdown); Misure di rumore dipendenza da voltaggio e da temperatura; Dark Count Rate (DCR); Cross-talk ottico; Linearita` e Range dinamico dipendenza da voltaggio e temperatura; Potere di risoluzione; Gain; Ottimizzazione (a basso ed alto flusso) Risposta spettrale: Photon Detection Efficiency (PDE) in funzione di λ e della temperatura

Generator Agilent 33250A [50 MHz] Lecroy 821 NIM discriminator CAEN NIM level translators ZFL-500-BNC

8 Setup Sperimentale USB-VME Bridge CAEN Contenitore in metallo sigillato; Board prodotta da sensl; Resistenza PT 100; V171816ch QDC CAEN V792N DC power supply Agilent 6645A Scope Agilent 54624A Pulse Generator Agilent 33250A [50 MHz] Lecroy 821 NIM discriminator CAEN NIM level translators ZFL-500-BNC [20 db gain] PDL800-B PicoQuant (green LED) OZ optics coupler & focuser Keithley 4200 SCA C-V meters QS+HF

9 il Gain 38 picchi a temperatura ambiente peak width count

10 Cambiando voltaggio di bias: Linearita` del Gain rispetto al voltaggio di bias fissata la Temperatura

11 SensL 8640 cells: 23.2 mv/ C ± 1.4 mv/ C SensL 1144 cells : 23.6 mv/ C ± 0.9 mv/ C

12 Gain indipendente dalla temperatura come funzione dell' over voltage

13 Dark Count Rate Soglia a 0.5 fotoni Soglia a 1.5 fotoni

14 Cross-talk ottico: Xtalk Xtalk: probabilita` che una valanga causi un'altra valanga in una cella vicina Threshold scan > 0.5 ph calcoliamo: 0.5 ph 1.5 ph 2.5 ph > 1.5 ph > 2.5 ph Xtalk non mostra dipendenze significative dalla Temperatura

15 Photo-Detection Efficiency Misurazioni ad alto flusso F, fissato

16 Rimuovere effetti di Xtalk, che altera il valore di <n>mean

17 Conclusioni Protocollo per caratterizzare i SiPM; Over voltage parametro fisico chiave della caratterizzazione; Indipendenza dalla temperatura di: Gain; PDE; Cross-talk; Sviluppi futuri Allargare il campo delle misure spettrali (luce blu, luce rossa...); Soluzione numerica della probabilita` di valanga per differenti forme di campo elettrico Misura della frequenza di afterpulse.

18 Backup slides

19 I-V Curves T = 25 C Brusco incremento a V = VBD Utile per trovare il Voltaggio di Breakdown

20 La misura della DCR puo` spiegare la corrente misurata nell' I-V plot

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