[논문 리뷰] Recovery Time Measurements of Silicon Photomultipliers Using a Pulsed Laser

L. Gruber, Stefan Brünner외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 23.

Advanced Optical Sensing Technologies참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 펄스 레이저와 웨이브폼 분석을 이용해 하마마츠 다중 히스터리 포지티브 포톤 카운터(MPPC)의 픽셀 복구 시간을 측정하여 그 카운트율 능력과 더블히트 해상도를 평가한다. 두 레이저 펄스 간의 시간 지연(2–100 ns)을 변화시켜 복구 시간 상수를 추출한 결과, 25×25 μm² MPPC는 중간 수준의 오버볼트리지에서 최대 50 MHz 카운트율 능력과 2 ns 더블히트 해상도를 달성하지만, 고전압에서 크로스톁크 및 어퍼블링에 의해 복구 성능이 크게 떨어진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 MPPC 센서의 픽셀 복구 시간을 실험적으로 측정하여 고속도 환경에서의 성능을 평가하기 위해.
• 고에너지 물리 실험에 응용하기 위한 MPPC의 더블히트 해상도 및 최대 카운트율 능력을 평가하기 위해.
• 복구 시간이 작동 전압에 어떻게 의존하는지 조사하여, 오버볼트리지 증가가 크로스톁크 및 어퍼블링으로 인한 복구 열화에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• MPPC 복구 동역학을 모델링하고 실험 데이터를 해석하기 위한 몬테카를로 시뮬레이션 도구를 개발하기 위해.

제안 방법

• 404 nm 파장, 32 ps FWHM 펄스 레이저가 변동 가능한 시간 지연(2–100 ns)을 가진 두 개의 연속된 빛 펄스를 MPPC 전체 표면에 조사한다.
• 웨이브폼 디지털화를 통해 두 펄스에 대한 센서 반응을 기록하고, 두 번째 펄스의 진폭 감쇠에서 복구 곡선을 추출한다.
• 낮은 오버볼트리지에서 비선형 효과를 최소화하기 위해 측정된 복구 곡선에 적합하여 복구 시간 상수를 유도하며, 50%, 80%, 95% 복구에 대한 시간 상수를 추출한다.
• 이 방법은 이전의 10 ns 이상 지연을 가진 어퍼블링 분석에 의존하는 방법과 대비하여 실제 두 펄스 조건 하에서 복구를 직접 측정한다.
• 어퍼블링 확률(PAP), 크로스톁크 확률(PCT), 암전수율(DCR) 등의 매개변수를 포함한 몬테카를로 시뮬레이션을 개발하여 복구를 모델링한다.
• 실험 데이터에 맞추어 시뮬레이션 매개변수를 조정하여 모델의 타당성을 검증하고, 각각의 노이즈 과정이 복구 동역학에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 두 펄스 조명 조건 하에서 MPPC 픽셀의 진정된 복구 시간 상수는 무엇이며, 픽셀 크기와 작동 전압에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 오버볼트리지 증가가 복구 시간에 미치는 영향은 무엇이며, 어퍼블링, 크로스톁크, 암전 노이즈는 이 열화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 MPPC는 얼마나 좁은 간격의 두 광자를 해상화할 수 있으며, 도달 가능한 최소 시간 해상도는 얼마인가?
• RQ4 몬테카를로 시뮬레이션은 실험 복구 곡선을 정확히 재현할 수 있으며, 다양한 노이즈 메커니즘의 기여를 분리할 수 있는가?
• RQ5 측정된 복구 시간은 제조사 사양과 비교해 어떻게 되며, 고속 응용에 대한 함의는 무엇인가?

주요 결과

• 25×25 μm² MPPC(S10362-11-025U)는 1 V 오버볼트리지에서 50% 복구 시간이 2.5 ns, 95% 복구가 11 ns로 나타나 최대 카운트율 능력이 약 50 MHz임을 시사한다.
• 50×50 μm² MPPC(S10362-11-050U)는 1 V 오버볼트리지에서 50% 복구 시간이 8 ns, 95% 복구가 33 ns로 나타나 최대 카운트율 능력이 약 20 MHz임을 의미한다.
• 100×100 μm² MPPC(S10362-11-100U)는 1 V 오버볼트리지에서 50% 복구 시간이 30 ns, 95% 복구가 140 ns로 나타나 최대 카운트율 능력이 약 5 MHz임을 나타낸다.
• 높은 오버볼트리지(예: 025U의 경우 4.3 V)에서는 전체 복구(95%)에 최대 130 ns가 소요되어 크로스톁크 및 어퍼블링 증가로 인한 성능 열화가 뚜렷하다.
• 더블히트 해상도는 025U 장치에서 실험적으로 2 ns까지 확보되었으며, 050U 장치는 3.5 ns로 나타나 두 번째 펄스 시점에서 약 30% 복구 수준임을 의미한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션은 실험 데이터와 양호한 일치를 보이며, 복구 시간 상수가 오버볼트리지에 거의 영향을 받지 않는다는 것을 시사하며, 이는 참고문헌 [6]의 결과와 일치한다.