[論文レビュー] Characterisation of silicon photomultipliers based on statistical analysis of pulse-shape and time distributions

Olivier Girard, G. Haefeli+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2018

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、波形形状および時間分布解析を用いた統計的手法を提示し、シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）の光子検出効率（PDE）、相関ノイズ確率、ゲイン、時間定数を正確に測定する。オシロスコープを用いた波形解析とIV曲線測定を組み合わせることで、PDEの不確かさを約3.5%まで低減した。これは従来の手法に比べ顕著な改善であり、LHCb SciFiトラッカーのような高精度応用分野におけるSiPMの正確な評価を可能にする。

ABSTRACT

A detailed and accurate characterisation of silicon photomultiplier detectors is required for a better understanding of the signal and noise in many applications. The collected information is a valuable feedback to the manufacturers in their attempt to improve the performances. In this paper, we provide a detailed description of how to characterise these photo-detectors. The correlated noise probabilities, the important time constants and the photon detection efficiency are obtained with a statistical analysis of pulse-shape and time distributions. The method is tested with different detectors. The quench resistor, the breakdown voltage and the dark count rate are measured from IV characteristics.

研究の動機と目的

• バイアスおよび温度条件の変動に応じた、信頼性の高い統計的根拠に基づくSiPM特性評価手法の開発。
• 光子検出効率（PDE）、相関ノイズ確率、時間定数といった主要パラメータの正確な測定。
• パルス周波数に基づく手法によりゲイン依存エラーを排除することで、PDE測定における系統的不確かさの低減。
• LHCb SciFiトラッカーのような高放射線環境におけるSiPM性能の信頼性ある評価を可能にする。
• 詳細なデータ駆動型特性評価を通じて、SiPM設計の改善に向けたメーカーへのフィードバック提供。

提案手法

• SiPMからの波形データは、高速プリアンプおよび1 GHzのオシロスコープを用い、EMIシールド付き筐体内で取得することで、電子的ノイズを最小限に抑える。
• 波形形状の統計的解析により、ROOTベースのフレームワークを用いて、アフターパルス、直接および遅延クロストーク、といった相関ノイズの種別が行われる。
• PDEは2通りの方法で測定される：ゲイン補正を施した電流ベース法、およびゲイン依存性を排除したパルス周波数ベース法。
• 周波数ベース法では、0.6 PE閾値における記録されたパルス周波数を用いてPDEを計算し、遅延パルスカウントによる相関ノイズ補正が行われる。
• IVスキャンを用いて、電流-電圧特性から破壊電圧（V_BD）、暗電流レート（f_DCR）、クエンチ抵抗（R_Q）が抽出される。
• ゲインのドリフトを最小限に抑えるために、温度を±0.5 Kに安定化させ、必要に応じて熱補正が施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiPMにおける光子検出効率（PDE）を、系統的不確かさを最小限に抑えて測定する方法は何か？
• RQ2 アフターパルス、クロストーク、遅延パルスといった相関ノイズが、SiPM信号歪みに与える寄与度は何か？
• RQ3 波形形状および時間分布解析により、一次パルスと相関ノイズイベントをどのように正確に分離できるか？
• RQ4 ゲイン測定依存性を排除することで、PDEの不確かさを4%未満にまで低減できるか？
• RQ5 温度およびオーバーボルテージ（ΔV）は、PDE、f_DCR、復帰時間といった主要なSiPMパラメータにどのように影響を与えるか？

主な発見

• パルス周波数ベースのPDE測定により、総不確かさが現在の電流ベース法の約6%から約3.5%にまで低下した。これは主にゲイン関連エラーの排除によるものである。
• 相関ノイズ確率測定の精度は1%に達し、H2017、KETEK、SensL、FBKを含む複数のSiPMタイプで妥当性が確認された。
• ΔV = 3.5 Vの条件下で、0.5 °Cの温度ドリフトでもゲイン変動はわずか0.8%にとどまり、高精度測定において温度安定性の重要性が示された。
• SiPMを-40 °Cに冷却することで、暗電流レートが100分の1に低下し、高放射線環境下での単一光子検出が可能になった。
• 周波数ベース法によるPDE値は、定格動作電圧下でHamamatsu HPK測定値と2%以内で一致し、クロスバリデーションの正確性が裏付けられた。
• 本手法は、ピクセルサイズが(25 μm)²にまで小さいSiPMの特性評価にも成功しており、高密度マルチチャネルアレイへの適用可能性を示した。