[论文解读] Afterpulsing in Silicon Photomultipliers: Impact on the Photodetectors Characterization

Adam Para|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用 3

一句话总结

该论文基于泊松分布的后电脉冲与指数衰减的统计框架，对硅光电倍增管（SiPMs）中的后电脉冲现象进行建模，表明后电脉冲会显著降低暗计数率、脉冲幅度分辨率和时间特性等关键性能指标。其主要贡献在于提出了一套定量框架，显示后电脉冲概率 $P_{\text{aft}}$ 随过压增加而上升，导致过量噪声因子非线性增长，并在暗计数与光子标定测量中引入系统性误差。

ABSTRACT

Novel generation of silicon-based photodetectors are attractive alternatives to the traditional phototubes. They offer significant advantages but they present new challenges too. Presence of afterpulses may affect many characteristics of the photodetectors. Simple statistical model of afterpulsing is used to evaluate the contribution to the observed dark count rates, to examine the contribution to the pulse height resolution and to demonstrate the modification of the observed timing properties of the SiPMs.

研究动机与目标

• 理解 SiPM 中的后电脉冲如何扭曲关键探测器特性，如暗计数率、脉冲幅度分辨率与时间特性。
• 利用具有指数衰减时间常数的泊松分布二次脉冲，对后电脉冲的统计行为进行建模。
• 量化后电脉冲对暗计数率测量与 SiPM 绝对光子标定精度的影响。
• 基于有效后电脉冲参数（$P_{\text{aft}}$，$\tau_{\text{aft}}$）提供实验数据的校正框架，以恢复真实的探测器本征参数。

提出的方法

• 简化统计模型将后电脉冲视为均值为 $P_{\text{aft}}$ 的泊松过程，表示每个主脉冲产生的平均后电脉冲数。
• 后电脉冲在时间上呈指数衰减，特征时间常数为 $\tau_{\text{aft}}$，以模拟陷阱释放动力学。
• 使用蒙特卡洛积分模拟 5000 万个初始后电脉冲，通过卷积泊松与指数分布生成脉冲序列统计特性。
• 模型考虑了迭代后电脉冲：每个后电脉冲本身可触发更多后电脉冲，形成事件链。
• 过量噪声因子（ENF）通过公式 $\text{ENF} = \sigma^2 / \text{mean}$ 计算，用于量化后电脉冲波动导致的脉冲幅度分辨率退化。
• 通过比较观测到的脉冲分布（如 $P(0)$）与真实热噪声速率，利用门限长度与 $P_{\text{aft}}$ 作为变量，推导出实验校正方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 后电脉冲如何影响 SiPM 测量得到的暗计数率？其与偏置电压的关系如何？
• RQ2 后电脉冲在多大程度上降低 SiPM 的脉冲幅度分辨率？该影响通过过量噪声因子（ENF）如何量化？
• RQ3 后电脉冲如何扭曲脉冲的观测时间分布？其对飞行时间测量有何影响？
• RQ4 当存在后电脉冲时，基于脉冲幅度分布宽度的标准标定方法为何失效？
• RQ5 需要何种校正措施，才能从受后电脉冲影响的测量中恢复真实的热暗计数率与光子数？

主要发现

• 过量噪声因子（ENF）随后电脉冲概率 $P_{\text{aft}}$ 非线性增加，增长速度远超线性，显著恶化脉冲幅度分辨率。
• 由于后电脉冲导致的有效增益为 $\frac{P_{\text{aft}}}{1 - P_{\text{aft}}}$，导致观测到的暗计数率随过压升高而显著增加。
• 当门限长度超过 $1\mu\text{m} \approx 20\tau_{\text{aft}}$ 时，即使 $P_{\text{aft}}$ 较高，也能以优于 20% 的精度恢复真实的热暗计数率。
• 使用标准方法 $\langle N \rangle = \text{Mean}^2 / \text{RMS}^2$ 进行光子数估计时，会因 $ (1 - P_{\text{aft}}) $ 因子而低估真实光子数，导致系统性标定误差。
• 观测到的脉冲率受后电脉冲影响而产生偏差，且估计值与真实热噪声率之比强烈依赖于门限长度与 $P_{\text{aft}}$，如图 8 和图 9 所示。
• 尽管模型采用简化假设，但由模型推导出的有效 $P_{\text{aft}}$ 与 $\tau_{\text{aft}}$ 为在不同工作条件下校正真实 SiPM 数据提供了稳健基础。