[論文レビュー] Recovery Time Measurements of Silicon Photomultipliers Using a Pulsed Laser

L. Gruber, Stefan Brünner+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2015

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、パルスレーザーと波形解析を用いて、ハマムツ Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) のピクセル回復時間の測定を行い、そのレート能力およびダブルヒット分解能を評価する。2つのレーザーパルス間の時間遅れ（2–100 ns）を変化させることで、回復時間定数を抽出し、25×25 μm² の MPPC が中程度のオーバーボルテージで 50 MHz の最大レート能力および 2 ns のダブルヒット分解能を達成することを明らかにした。一方、高めのバイアスではクロスタッチおよびアフターパルスの影響により回復特性が著しく劣化する。

ABSTRACT

We performed an experimental study to determine the pixel recovery time of various Multi Pixel Photon Counters (MPPCs) in order to characterize their rate capability and double-hit resolution. The recovery time constant and its dependence on the operating voltage has been evaluated by measuring the photosensor response to two consecutive laser pulses with varying relative time differences of a few ns (2-3 ns) up to some 100 ns using a waveform analysis technique. A Monte Carlo simulation tool is being developed to model the MPPC recovery process and interpret experimental data. In this context, the influence of after-pulsing, cross-talk and dark-noise on the recovery process can be studied.

研究の動機と目的

• さまざまな MPPC センサのピクセル回復時間を実験的に特定し、高レート環境下での性能を評価すること。
• 高エネルギー物理学実験への応用を想定し、MPPC のダブルヒット分解能および最大カウントレート能力を評価すること。
• オペレーティングバイアス、特にオーバーボルテージの増加がクロスタッチおよびアフターパルスの影響により回復特性に与える影響を調査すること。
• MPPC の回復ダイナミクスをモデル化し、実験データを解釈するためのモンテカルロシミュレーションツールを開発すること。

提案手法

• 404 nm、FWHM 32 ps のパルスレーザーが、変化可能な時間遅れ（2–100 ns）をもって、MPPC 全体を連続して照射する。
• 波形デジタイゼーションにより、2つのパルスに対するセンサ応答を捉え、2番目のパルスの振幅減衰から回復曲線を抽出する。
• 非線形効果を最小限に抑えるために低オーバーボルテージでの測定に基づき、回復曲線をフィッティングして、50%、80%、95% 回復における時間定数を抽出する。
• 従来の方法が10 ns 以上の遅延に限定されるアフターパルス解析に依存するのに対し、本手法は現実的な二重パルス条件下での直接的回復測定を可能にする。
• アフターパルス確率（PAP）、クロスタッチ確率（PCT）、ダークカウントレート（DCR）などのパrameterを組み込んだモンテカルロシミュレーションを開発する。
• 実験データに適合するようにシミュレーションパラメータを調整し、個々のノイズプロセスが回復ダイナミクスに与える影響を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の二重パルス照射下における MPPC ピクセルの真の回復時間定数は何か？ また、ピクセルサイズおよび動作電圧にどのように依存するか？
• RQ2 オーバーボルテージの増加が回復時間に与える影響は何か？ また、アフターパルス、クロスタッチ、ダークノイズがこの劣化に果たす役割は？
• RQ3 MPPC は2つの近接した光子をどの程度解像可能か？ また、達成可能な最小時間分解能は何か？
• RQ4 モンテカルロシミュレーションは実験的回復曲線を正確に再現できるか？ また、異なるノイズメカニズムの寄与を分離できるか？
• RQ5 測定された回復時間は、メーカー仕様と比較してどう異なるか？ そして、高レート応用に与えるインパクトは？

主な発見

• 25×25 μm² の MPPC（S10362-11-025U）は、1 V のオーバーボルテージで50%回復時間が2.5 ns、95%回復時間が11 nsに達し、最大レート能力が約50 MHzであることを示した。
• 50×50 μm² の MPPC（S10362-11-050U）は、1 V のオーバーボルテージで50%回復時間が8 ns、95%回復しが33 nsに達し、最大レート能力は約20 MHzであった。
• 100×100 μm² の MPPC（S10362-11-100U）は、1 V のオーバーボルテージで50%回復時間が30 ns、95%回復しが140 nsに達し、最大レート能力は約5 MHzであった。
• 高めのオーバーボルテージ（例：025U で4.3 V）では、95%回復に最大130 nsを要し、クロスタッチおよびアフターパルスの増加に起因する性能劣化が顕著に現れた。
• ダブルヒット分解能は、025U デバイスで実験的に2 ns まで達成可能であり、2番目のパルス到着時における回復度は約30%であった。050U デバイスでは3.5 ns の分解能が達成された。
• モンテカルロシミュレーションは実験データと良好な一致を示し、回復時間定数がオーバーボルテージにほぼ依存しないことを示唆しており、文献[6]の報告と整合的である。