[論文レビュー] Describing the response of saturated SiPMs

K. Kotera, Weonseok Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Semiconductor materials and interfaces参考文献 4被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、単一の光パルス中のピクセル回復ダイナミクスを組み込むことで、低光強度および高飽和光強度の両方においてSiPM応答を正確にモデル化する修正された解析関数、NLO′_C·Aを提案する。このモデルは、7つのフィッティングパラメータのみを用いて高強度域で信号が線形に増加することを実現し、標準的なLO′モデルに比べて顕著に性能向上を図るとともに、実験的検出器キャリブレーションに実用的であることを保証する。

ABSTRACT

We have developed a function which describes SiPM response in both small signal and highly saturated regimes. The function includes the reactivation of SiPM pixels during a single input light pulse, and results in an approximately linear increase of SiPM response in the highly saturated regime, as observed in real SiPMs. This article shows that the function can accurately describe the measured response of real SiPM devices over a wide range of signal intensities.

研究の動機と目的

• 高光強度域におけるSiPMの非線形応答、特に飽和下で観測される信号の線形増加を解消すること。
• 標準的なLO′モデルが記述できないピクセル回復ダイナミクスを捉える、簡略化されつつも正確な関数の開発。
• 実験物理学における現実のSiPMキャリブレーションに適した、パラメータ効率の高い関数の提供。
• 回復ダイナミクス、クロストーク、アフターパルスの影響が、多様なデバイスおよびシンチレーター構成においてSiPM応答に与える影響の定量的評価。

提案手法

• 著者らは、LO′モデルを拡張した修正関数NLO′_C·Aを導入し、ピクセル回復比αに基づく回復項と、パルス内でのピクセルの複数発火をモデル化する時間依存係数βを組み込む。
• クロストーク（P_cross）およびアフターパルス（P_after）のパラメータを導入し、実験データにフィットさせることで、二次的および遅延的な光子検出イベントを補正する。
• 31 ps FWHMのレーザーパルスを用い、波長シフトファイバーを介したシンチレーター素子とMPPCの接続、および直接MPPC-シンチレーター接続の両方で、73個のSiPMデバイス（1600ピクセルMPPC）から実験データを収集した。
• 150 ns間の電荷積分に電荷センシティブADCを用い、出力信号を有効発火ピクセル数に変換し、既知の線形応答を示すPMTを基準としてキャリブレーションした。
• 7パラメータ関数（N_pix、ε（有効検出効率）、α（回復比）、β（緩和係数）、P_crossおよびP_after）を用いてフィッティングを実施した。
• ゲインと温度の間の事前に測定された線形関係を用いて、温度依存のゲイン補正を実施し、測定間での一貫性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なLO′モデルが観測された信号の線形増加を再現できない高飽和領域におけるSiPM応答を、どのように正確にモデル化できるか？
• RQ2 単一の光パルス内でのピクセル回復が、高光子フラックス下でのSiPM応答関数に果たす役割は何か？
• RQ3 回復比αや緩和係数βといったパラメータが、SiPMの高強度応答挙動に与える影響はどのようなものか？
• RQ4 クロストークおよびアフターパルスパラメータがフィッティング関数をどれほど歪めるか、また異なるSiPMおよびシンチレーター構成においてそれらがどのように変化するか？
• RQ5 7つのパラメータのみを用いた簡略化された関数が、実験的応用における精度と実用性を両立できるか？

主な発見

• NLO′_C·Aモデルは、広い動的範囲にわたりSiPM応答を正確に記述でき、実験的に観測された高飽和レベルにおける信号の線形増加を再現した。
• 72サンプルにおける回復比αは0.295 ± 0.04（RMS）で測定されたが、直接MPPC-シンチレーター接続では0.24 ± 0.02に低下し、パルス幅が短くなると回復が強く抑制されることを示した。
• 緩和係数βは11.7 ± 2.7（RMS）で測定されたが、直接接続では6.9 ± 0.6に低下し、パルス形状が回復ダイナミクスに強い影響を及ぼすことが示唆された。
• クロストークパラメータP_crossは72サンプルで平均0.22を示したが、直接測定値（0.11 ± 0.02）より高かったため、フィッティングに系統的歪みが生じる可能性がある。
• アフターパルスパラメータP_afterは高いばらつき（RMS 0.17、平均0.08）を示し、29%のサンプルで負の値が得られた（実際のアフターパルスでは不可能）ため、フィッティングにおける系統的不確実性が顕著に現れた。
• パラメータのばらつきが見られたが、系統的不確実性を考慮した場合、モデルは実験データと強く一致する、単位に近い減少カイ二乗値（reduced χ²）を達成した。