[論文レビュー] SiPM Gain Stabilization Studies for Adaptive Power Supply

G. Eigen, Are Sivertsen Træet+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2016

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、CERNの気候チャンバで自動的かつ高精度な測定を実施し、4つの新しいSiPM（3つは溝構造を有する浜松光電、1つはKETEK）を対象に、温度に応じたバイアス電圧調整により、20–30°Cの範囲で±0.5%以内のSiPMゲイン安定化を実証した。この手法は、校正済みのdG/dVおよびdG/dT測定に基づき、最適なV(T)補正を導出し、アナログハドロンカルォリメータを含む大規模検出器システムにおける安定した性能を実現するものである。

ABSTRACT

We present herein gain stabilization studies of SiPMs using a climate chamber at CERN. We present results for four detectors not tested before, three from Hamamatsu and one from KETEK. Two of the Hamamatsu SiPMs are novel sensors with trenches that reduce cross talk. We use an improved readout system with a digital oscilloscope controlled with a dedicated LabView program. We improved and automized the analysis to deal with large datasets. We have measured the gain-versus-bias-voltage dependence at fixed temperature and gain-versus-temperature dependence at fixed bias voltage to determine the bias voltage dependence on temperature $V(T)$ for stable gain. We show that the gain remains stable to better than $\pm 0.5\%$ in the $20^\circ m C - 30^\circ C$ temperature range if the bias voltage is properly adjusted with temperature.

研究の動機と目的

• 大規模検出器システムへの応用を想定し、20–30°Cの温度範囲でSiPMゲインを±0.5%以内に安定化すること。
• 正確なV(T)補正のため、SiPMゲインの温度依存性（dG/dT）およびバイアス電圧依存性（dG/dV）を測定すること。
• 従来の測定実施例のない4つの新しいSiPM（クロストーク低減のための溝構造を有する新規浜松光電センサを含む）に対して、本手法の妥当性を検証すること。
• アナログハドロンカルォリメータの電源分配システムに、温度補償型バイアス電圧制御を統合すること。
• 大規模データセットのための自動制御LabView搭載オシロスコープおよび波形処理による、データ取得および解析の改善

提案手法

• CERNの気候チャンバを用いて、1–50°Cの範囲でゲイン対バイアス電圧（dG/dV）およびゲイン対温度（dG/dT）の測定を実施。
• デジタルLeCroy 6104オシロスコープ（12ビットADC、2.5 GS/s）を用い、自動データ取得およびバイアス電圧制御のためのカスタムLabViewプログラムを活用。
• 電圧操作型2段階プリアンプ（8/25 ns）と電流操作型1段階プリアンプ（2/7 ns）を用い、温度全域で安定していたのは電圧操作型のみであった。
• 光ファイバおよびミラーを介して青色光でSiPMを照射し、10 kHzの外部光パルサーでトリガーをかけ、ノイズを低減。
• 波形処理として、直流オフセットを差し引いた後、74 nsの窓内で50,000波形を積分し、光電子スペクトルを生成。
• 信号成分とバックグラウンド成分を組み合わせた尤度関数を用いて光電子スペクトルにフィッティングし、ゲインおよびアフターパルス分率を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度に応じたバイアス電圧調整を用いることで、20–30°Cの温度範囲でSiPMゲインを±0.5%以内に安定化できるか？
• RQ2 dG/dTおよびdG/dVの依存性は、新規の溝構造を有するセンサを含む、異なるSiPMタイプ間でどのように変化するか？
• RQ3 アフターパルスはゲイン安定性にどの程度影響を及ぼし、温度依存性を示すか？
• RQ4 1つのバイアス電圧調整で、大規模検出器システム内に複数の類似SiPMを同時に安定化できるか？
• RQ5 測定システムの不安定要因（例：プリアンプのドリフト）が、ゲインキャリブレーションの正確性に与える影響はいかほどか？

主な発見

• 浜松光電製SiPM B2（15 µmピッチ）では、5–45°Cの範囲で1%未満の偏差でゲイン安定化が達成された。
• 浜松光電製LCT4#6およびLCT4#9（50 µmピッチ、溝構造付き）では、浜松光電が指定するdV/dT（60 mV/°C）を用いたが、実測値の53.9 mV/°Cと乖離していたため、20–30°C範囲で±1.2%の偏差が生じた。
• KETEK W12（3×3 mm²、20 µmピッチ）では、21.3 mV/°Cを用いたが、実測値の17.2 mV/°Cと乖離していたため、±4.1 mV/°Cの誤差が生じ、安定性が低下した。
• アフターパルス分率Rは過電圧に比例して2次関数的に増加したが、温度依存性は顕著に認められず、ゲイン安定化に悪影響を及えないことが示された。
• 電流操作型プリアンプは高温度で不安定化し、使用可能なデータは電圧操作型プリアンプに限られた。
• 4つのSiPMを同時にテストするフォローアップ研究において、4台の同一仕様の電圧操作型プリアンプを用いたが、30個のSiPMで安定した性能が得られた。2つのCPTAセンサを除き、結果は最終公開を待つ。