Presentazione di Fine Anno

Caratterizzazione dei Silicon Photo-Multipliers:dipendenza dalla temperatura

Marco RamilliXXIII ciclo

Outlook:

Giunzioni p-n;

i Silicon PhotoMultiplier (SiPM);

Applicazioni in RAPSODI

Caratterizzazione:

Setup sperimentale;

Procedura;

Risultati;

Conclusioni e sviluppi futuri;

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

b)Inverso

Il diodo si comporta come un conduttore (non ohmico);

la regione di svuotamento si allarga.

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

Regime Geiger-Müller

Output comune

Array di diodi p-n ⁓ 103/mm2

Medesimo Guadagno 106

Lettura Analogica

Alto Range Dinamico

Alta velocita`: Trise

1 ns, Tfall

50 ns Compattezza “Basso” voltaggio operazionale – tipico PMT ~ kV Operabilita` in campo magnetico “Basso” costo

301063 MHz2450030 x 301 x 1CPTA

203 x 105220 kHz77160017 x 141 x 1Hamamatsu

101066 MHz30864020 x 203 x 3SensL

PDE (%)

(green)(GAINDCRV workingNo. cells

Pixel size (µm)

Area (mm2)Producer

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. A 387 231-234 (1997)

Alcune applicazioni - RAPSODI

Dosimetria in mammografia - MAMMODOS

Homeland Security - Snooper

Concentrazione di Radon ambientale - RADIM 7

Fornire una misura in tempo reale della dose di radiazioni a cui viene sottoposta la paziente

Rivelatore portatile di materiale per “bombe sporche”

Rivelatore in grado di effettuare conteggi di Radon conteggio di buio nullo stabilmente;

controllo condizioni ambientali;

sensitivita` al basso flusso;Stabilita` rispetto alle condizioni ambientali;

sensibilita`;alto range dinamico;

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

Setup Sperimentale

• USB-VME Bridge CAEN• 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• 590 + 595 C-V meters QS+HF

• Contenitore in metallo sigillato;• Board prodotta da sensL;• Resistenza PT 100;

il Gain

∆peak

width ∞√count

38 picchi a temperatura ambiente

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

Cambiando voltaggio di bias:

SensL 8640 cells: 23.2 mV/°C ± 1.4 mV/°C

SensL 1144 cells : 23.6 mV/°C ± 0.9 mV/°C

Gain indipendente dalla temperatura

come funzione dell' over voltage

Dark Count Rate

Soglia a “0.5 fotoni”

Soglia a “1.5 fotoni”

> 0.5 ph

> 1.5 ph

> 2.5 ph

0.5 ph

1.5 ph

2.5 ph

Th

resho

ld sc

an

Cross-talk ottico: Xtalk

Xtalk

non mostra dipendenze significative dalla Temperatura

calcoliamo:

Xtalk

: probabilita` che una valanga causi un'altra valanga in una cella vicina

Photo-Detection Efficiency

Misurazioni ad alto flusso F, fissato

Rimuovere effetti di Xtalk

, che altera il valore di <n>mean

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.

Backup slides

I-V Curves

T = 25 °C

Brusco incremento a V = VBD

Utile per trovare il Voltaggio di Breakdown

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