[논문 리뷰] SiPM Gain Stabilization Studies for Adaptive Power Supply

G. Eigen, Are Sivertsen Træet외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 29.

Particle Detector Development and Performance인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 CERN 기후 챔버에서 자동화된 고정밀 측정을 통해 네 대의 신규 SiPM(삼개 터널이 있는 세 대의 하마마츠 제품과 한 대의 케테크 제품)를 대상으로 온도에 따라 변하는 편압 전압 조절을 통해 20–30°C 범위에서 ±0.5% 이내의 SiPM 이득 안정화를 입증하였다. 이 방법은 보정된 dG/dV 및 dG/dT 측정치를 기반으로 최적의 V(T) 보정을 도출하며, 아날로그 하드론 캘로리메터와 같은 대규모 검출기 시스템에서의 안정된 성능을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모 검출기 시스템에 사용하기 위해 20–30°C 온도 범위에서 SiPM 이득 안정성을 ±0.5% 이내로 확보하는 것.
• 정확한 V(T) 보정을 위해 SiPM 이득의 온도 의존성(dG/dT)과 바이어스 전압 의존성(dG/dV)을 측정하는 것.
• 이전에 테스트되지 않은 네 대의 신규 SiPM(특히 캐리어 간섭을 줄이기 위한 터널 구조를 가진 하마마츠 신형 센서 포함)에 대해 이 방법을 검증하는 것.
• 온도 보상 바이어스 전압 제어를 아날로그 하드론 캘로리메터의 전원 분배 시스템에 구현하는 것.
• 대규모 데이터셋을 위한 자동화된 LabView 제어 오실로스코프 및 웨이브폼 처리를 통해 데이터 수집 및 분석을 향상시키는 것.

제안 방법

• 1–50°C 범위에서 CERN의 기후 챔버를 사용해 이득 대 바이어스 전압(dG/dV) 및 이득 대 온도(dG/dT) 측정을 수행하였다.
• 디지털 LeCroy 6104 오실로스코프(12비트 ADC, 2.5 GS/s)와 고유의 LabView 프로그램을 활용해 자동화된 데이터 수집 및 바이어스 전압 제어를 수행하였다.
• 전압 작동 방식의 이중단계 프리앰프(8/25 ns)와 전류 작동 방식의 단일단계 프리앰프(2/7 ns)를 사용하였으며, 전자기기의 안정성은 전적으로 전압 작동 방식 프리앰프에서만 확보되었다.
• 광섬유와 반사경을 통해 파란 빛으로 SiPM를 조명하고, 외부 빛 펄서(10 kHz)로 촉발하여 노이즈를 최소화하였다.
• 웨이브폼을 처리하기 위해 DC 오프셋을 빼내고 74 ns 윈도우 내에서 50,000개의 웨이브폼을 통합하여 광전자 스펙트럼을 생성하였다.
• 신호 및 배경 성분을 조합한 최대우도 함수를 사용해 광전자 스펙트럼을 피팅하여 이득과 후방파생 비율을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도에 따라 변하는 바이어스 전압 조절을 통해 20–30°C 온도 범위에서 SiPM 이득을 ±0.5% 이내로 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 다양한 SiPM 유형, 특히 신형 터널 구조를 가진 센서에서 dG/dT 및 dG/dV 의존성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 후방파생은 이득 안정성에 어떤 영향을 미치며, 이는 온도에 따라 변하는가?
• RQ4 단일 바이어스 전압 조절이 대규모 검출기 시스템 내에서 동일한 유형의 여러 SiPM을 동시에 안정화시킬 수 있는가?
• RQ5 측정 시스템의 불안정성(예: 프리앰프 드리프트)은 이득 캘리브레이션 정확도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 하마마츠, 15 µm 피치의 SiPM B2의 경우, 5–45°C 범위에서 이득 안정성이 1% 이내로 확보되었다.
• 하마마츠, 50 µm 피치 터널 구조를 가진 LCT4#6 및 LCT4#9의 경우, 하마마츠에서 제시한 dV/dT(60 mV/°C)를 사용한 것이 아니라 측정된 53.9 mV/°C를 사용할 경우, 20–30°C 범위에서 ±1.2%의 편차가 발생하였다.
• 케테크 W12(3×3 mm², 20 µm 피치)의 경우, 측정된 17.2 mV/°C 대비 21.3 mV/°C를 사용한 과보정으로 ±4.1 mV/°C 오차가 발생하여 안정성이 떨어졌다.
• 후방파생 비율 R은 초과 전압에 따라 제곱함수적으로 증가했지만, 온도 의존성이 유의미하게 없었으며, 이는 이득 안정화에 영향을 주지 않음을 시사한다.
• 전류 작동 방식의 프리앰프는 고온에서 불안정해져 사용 가능한 데이터는 전적으로 전압 작동 방식 프리앰프에서만 확보되었다.
• 네 대의 SiPM을 동시에 테스트한 후속 연구에서 동일한 전압 작동 방식 프리앰프 네 대를 사용한 결과, 30개의 SiPM 중 두 개의 CPTA 센서를 제외하고는 안정된 성능을 보였으며, 최종 발표를 앞두고 결과가 남아 있다.