[论文解读] Dynamic Range of SiPMs with High Pixel Densities

Zhiyu Zhao, Baohua Qi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2024

Luminescence and Fluorescent MaterialsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究通过激光校准和自定义玩具蒙特卡洛模拟，评估了高像素密度SiPM的动态范围，表明一个具有244,719个像素的6 μm像素SiPM在高达350,000个光电子时实现接近100%的线性度，满足CEPC希格斯工厂量能器的严格要求。模拟可校正饱和效应，即使在像素数较少的SiPM上也能实现高能测量的准确性。

ABSTRACT

This study investigates the characteristics of Silicon Photomultipliers (SiPMs) with different pixel densities, focusing on their response across a wide dynamic range. Using an experimental setup that combines laser source and photomultiplier tubes (PMTs) for accurate light intensity calibration, we evaluated SiPMs with pixel counts up to 244,719 and pixel sizes down to 6 micrometers. To complement the experimental findings, a "Toy Monte Carlo" was developed to replicate the SiPMs' reponses under different lighting conditions, incorporating essential parameters such as pixel density and photon detection efficiency. The simulations aligned well with the experimental results for laser light, demonstrating similar nonlinearity trends. For BGO scintillation light, the simulations, which included multi-firing effect of pixels, showed significantly higher photon counts compared to the laser simulations. Furthermore, the simulated response derived in this research offer a method to correct for SiPM saturation effect, enabling accurate measurements in high-energy events even with SiPMs having a limited number of pixels.

研究动机与目标

• 确定在面向未来高能物理实验的强光条件下，高像素密度（6–25 μm节距）SiPM的动态范围。
• 解决在传统传感器（PMT或SiPD）存在线性度或动态范围限制时，对SiPM进行宽动态范围校准的挑战。
• 开发并验证一种玩具蒙特卡洛模拟，准确模拟SiPM响应，包括多脉冲效应和非线性特性，针对BGO闪烁光。
• 为SiPM饱和效应提供校正框架，即使在像素数有限的情况下，也能实现在高能事件中的准确能量测量。
• 评估SiPM是否能满足CEPC晶体量能器中每个通道约350,000个光电子的动态范围要求。

提出的方法

• 使用可调偏置电压的PMT扩展其线性范围，以校准宽光强谱下的入射光子通量。
• 采用已知脉冲能量的激光源和经过校准的PMT输出，建立光子计数测量的线性参考。
• 设计了一款玩具蒙特卡洛模拟，整合了关键SiPM参数：像素密度、光子探测效率（PDE）、填充因子、串串效应（crosstalk）以及雪崩触发概率。
• 模拟SiPM对激光光和BGO闪烁光的响应，后者因较长的衰减时间而包含多脉冲效应。
• 将实验测得的SiPM输出与模拟结果进行对比，以验证模型准确性并识别非线性趋势中的差异。
• 从模拟响应曲线中推导出校正函数，以补偿饱和效应，从而实现在像素数有限的SiPM上对高能信号的准确测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高光子通量条件下，6 μm、10 μm和25 μm节距的SiPM的动态范围是多少？
• RQ2 为何6 μm像素SiPM（244,719个像素）的饱和点约为其标称像素数的一半，与预期相反？
• RQ3 玩具蒙特卡洛模拟在激光和BGO闪烁光激发下，能否准确再现SiPM的非线性响应？
• RQ4 能否利用模拟响应对SiPM饱和效应进行校正，从而实现在高能事件中的准确能量测量？
• RQ5 当探测BGO晶体的闪烁光时，SiPM像素的多脉冲效应在多大程度上影响其动态范围？

主要发现

• 6 μm像素尺寸、244,719个像素的SiPM在高达350,000个光电子时表现出接近100%的线性度，满足CEPC晶体量能器的动态范围要求。
• 10 μm像素尺寸、89,984个像素的SiPM在350,000个光电子时表现出约20%的非线性，表明存在显著的饱和效应。
• 玩具蒙特卡洛模拟准确再现了SiPM在激光照射下的非线性响应，与实验数据趋势一致。
• 对于BGO闪烁光，由于较长的衰减时间和多脉冲效应，模拟预测的线性区域明显宽于激光照射情况。
• 模拟结果提供了可靠的SiPM饱和校正框架，即使在像素数较少的器件上，也能实现对高能信号的准确测量。
• 25 μm和10 μm SiPM的饱和点略低于其标称像素数，而6 μm SiPM的饱和点约为其标称值的一半，表明存在复杂的恢复与串串效应动力学，需进一步研究。