[논문 리뷰] Characterisation of silicon photomultipliers based on statistical analysis of pulse-shape and time distributions

Olivier Girard, G. Haefeli외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 17.

Radiation Detection and Scintillator Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 파uls-형상 및 시간 분포 분석을 이용한 통계적 방법을 제시하여 실리콘 광다이오드 다이오드(SiPMs)의 광자 탐지 효율(PDE), 상관관계 노이즈 확률, 이득 및 시간 상수를 정확하게 측정한다. 오실로스코프 기반 웨이브폼 분석과 IV 곡선 측정을 조합함으로써 저자들은 PDE의 불확도를 약 ~3.5%로 감소시켰는데, 이는 이전 방법에 비해 상당한 향상이며, LHCb SciFi 트래커와 같은 고정밀 응용 분야에서 정밀한 SiPM 평가를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 편압 및 온도 조건에서 신뢰할 수 있고 통계적으로 탄탄한 SiPM 특성화 방법을 개발하는 것.
• 광자 탐지 효율(PDE), 상관관계 노이즈 확률, 시간 상수와 같은 핵심 매개변수를 정확하게 측정하는 것.
• 펄스 주파수 기반 방법을 통해 이득에 의존하는 오차를 제거함으로써 PDE 측정의 체계적 불확도를 줄이는 것.
• LHCb SciFi 트래커와 같은 고방사선 환경에서 SiPM 성능 평가의 신뢰성을 확보하는 것.
• 세부적이고 데이터 기반의 특성화를 통해 제조사에 SiPM 설계 향상에 대한 피드백을 제공하는 것.

제안 방법

• 전자기 간섭(EMI) 차폐 캐비닛 내에서 고속 프리앰프와 1 GHz 오실로스코프를 사용하여 SiPM의 웨이브폼 데이터를 확보한다.
• 펄스 형상의 통계적 분석을 통해 ROOT 기반 프레임워크를 이용해 상관관계 노이즈 유형(후속 펄스, 직접 및 지연된 크로스톁크)을 분류한다.
• PDE는 전류 기반(이득 보정 포함) 및 펄스 주파수 기반(이득 의존성 제거)의 두 가지 방법으로 측정된다.
• 주파수 기반 방법은 0.6 PE 임계값에서 기록된 펄스 주파수를 사용하여 PDE를 계산하며, 지연된 펄스 수세기 방법을 통해 상관관계 노이즈를 보정한다.
• IV 스캔을 통해 전류-전압 특성에서 분해전압(V_BD), 암전류율(f_DCR), 억제 저항(R_Q)을 추출한다.
• 이득 드리프트를 최소화하기 위해 온도를 ±0.5 K로 안정화하며, 필요에 따라 열 보정을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SiPM에서 광자 탐지 효율(PDE)을 체계적 불확도가 최소가 되도록 측정하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 후속 펄스, 크로스톁크, 지연된 펄스와 같은 상관관계 노이즈가 SiPM 신호 왜곡에 기여하는 정도는 어떻게 되는가?
• RQ3 펄스 형상 및 시간 분포 분석은 주요 신호와 상관관계 노이즈 사건을 정확히 분리하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 이득 측정 의존성을 제거함으로써 PDE 불확도를 4% 이하로 낮출 수 있는가?
• RQ5 온도 및 오버전압(ΔV)은 PDE, f_DCR 및 복구 시간과 같은 핵심 SiPM 매개변수에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이득에 의존하지 않는 펄스 주파수 기반 PDE 측정 방법은 총 불확도를 기존 전류 기반 방법의 약 ~6%에서 ~3.5%로 감소시켜 이득 관련 오차를 주로 제거함으로써 향상된 성능을 달성한다.
• 이 방법은 상관관계 노이즈 확률 측정에서 1%의 정확도를 달성하였으며, H2017, KETEK, SensL, FBK를 포함한 여러 SiPM 유형에서 검증되었다.
• ΔV = 3.5 V에서 0.5 °C의 온도 변동은 오직 0.8%의 이득 변동을 유발할 뿐이므로 고정밀 측정을 위한 온도 안정성의 중요성을 입증한다.
• SiPM를 -40 °C로 냉각하면 암전류율이 100배 감소하여 고방사선 환경에서 단일 광자 탐지가 가능해진다.
• 주어진 작동 전압에서 주파수 기반 방법으로 산출된 PDE 값은 Hamamatsu HPK 측정 결과와 2% 이내로 일치하여 상호 검증 정확도를 확인한다.
• 이 방법은 (25 μm)²의 흡수 면적을 가진 SiPM도 성공적으로 특성화하여 고밀도 다중채널 어레이 적용 가능성도 입증한다.