[论文解读] Characterisation of silicon photomultipliers based on statistical analysis of pulse-shape and time distributions

Olivier Girard, G. Haefeli+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2018

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用 4

一句话总结

本论文提出一种基于脉冲波形与时间分布分析的统计方法，用于精确表征硅光电倍增管（SiPMs）的光子探测效率（PDE）、相关噪声概率、增益及时间常数等关键参数。通过结合示波器波形分析与IV曲线测量，作者将PDE的不确定度降低至约3.5%，显著优于以往方法，从而实现了对LHCb SciFi追踪器等高精度应用中SiPM性能的精确评估。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在不同偏置与温度条件下均具有鲁棒性的、基于统计学的SiPM表征方法。
• 准确测量SiPM中的关键参数，如光子探测效率（PDE）、相关噪声概率及时间常数。
• 通过基于脉冲频率的方法消除增益依赖性误差，从而降低PDE测量中的系统不确定度。
• 实现在高辐射环境（如LHCb SciFi追踪器）中可靠评估SiPM性能。
• 通过详细的数据驱动表征，为制造商提供反馈以改进SiPM设计。

提出的方法

• 使用快速前置放大器与1 GHz示波器，在电磁屏蔽腔体内采集SiPM的波形数据，以最大限度降低电子噪声影响。
• 基于ROOT框架对脉冲波形进行统计分析，分类相关噪声类型，包括后脉冲、直接串串与延迟串串。
• 采用两种方法测量PDE：基于电流的方法（含增益校正）与基于脉冲频率的方法（消除增益依赖性）。
• 基于频率的方法通过记录在0.6 PE阈值下的脉冲频率计算PDE，并通过延迟脉冲计数法校正相关噪声。
• 利用IV扫描提取击穿电压（V_BD）、暗计数率（f_DCR）及淬灭电阻（R_Q）等参数，基于电流-电压特性。
• 实施温度稳定控制，精度达±0.5 K，以最小化增益漂移，必要时应用热补偿校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在SiPM中以最小的系统不确定度测量光子探测效率（PDE）？
• RQ2 相关噪声（包括后脉冲、串串与延迟脉冲）对SiPM信号失真的贡献程度如何？
• RQ3 脉冲波形与时间分布分析如何实现对主事件与相关噪声事件的精确分离？
• RQ4 通过消除增益测量依赖性，能否使PDE不确定度降低至4%以下？
• RQ5 温度与过压（ΔV）如何影响PDE、f_DCR与恢复时间等关键SiPM参数？

主要发现

• 基于脉冲频率的PDE测量方法将总不确定度降低至约3.5%，相比基于电流的方法（约6%）有显著改善，主要归因于消除了增益相关误差。
• 该方法在相关噪声概率测量中实现了1%的精度，已在H2017、KETEK、SensL与FBK等多种SiPM型号上得到验证。
• 在ΔV = 3.5 V条件下，0.5 °C的温度漂移仅引起0.8%的增益变化，凸显了温度稳定性对高精度测量的重要性。
• 将SiPM冷却至-40 °C可使暗计数率降低100倍，从而在高辐射环境中实现单光子探测。
• 在标称工作电压下，基于频率的PDE测量结果与Hamamatsu HPK测量值在2%以内一致，证实了交叉验证的准确性。
• 该方法成功表征了像素尺寸小至(25 μm)²的SiPM，证明其适用于高密度多通道阵列。