[论文解读] Recovery Time Measurements of Silicon Photomultipliers Using a Pulsed Laser

L. Gruber, Stefan Brünner+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2015

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 6被引用 3

一句话总结

本研究利用脉冲激光与波形分析，测量了滨松多像素光子计数器（MPPCs）的像素恢复时间，以评估其计数速率能力与双光子分辨能力。通过调节两束激光脉冲之间的时间延迟（2–100 ns），作者提取了恢复时间常数，发现25×25 μm² MPPCs在中等过偏压下可实现50 MHz的最大计数速率与2 ns的双光子分辨能力，但随着偏压升高，由于串串talk和后脉冲效应，恢复性能显著下降。

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.

研究动机与目标

• 通过实验测定不同MPPC传感器的像素恢复时间，以评估其在高计数率环境下的性能。
• 评估MPPCs在高能物理实验中应用的双光子分辨能力与最大计数率能力。
• 研究恢复时间与工作电压的依赖关系，特别是过偏压增加对恢复性能退化的影响，以及串串talk与后脉冲效应的作用。
• 开发蒙特卡洛模拟工具，以模拟MPPC恢复动力学并解释实验数据。

提出的方法

• 使用波长为404 nm、脉宽为32 ps（FWHM）的脉冲激光，以可变时间延迟（2–100 ns）向整个MPPC表面照射两束连续光脉冲。
• 通过波形数字化捕获传感器对两束脉冲的响应，从而从第二束脉冲的幅度衰减中提取恢复曲线。
• 在低过偏压条件下（以最小化非线性效应）对测量得到的恢复曲线进行拟合，提取50%、80%和95%恢复时间常数。
• 该方法直接在真实双脉冲条件下测量恢复性能，与以往依赖于>10 ns延迟的后脉冲分析方法形成对比。
• 开发蒙特卡洛模拟以模拟恢复过程，引入参数如后脉冲概率（PAP）、串串talk概率（PCT）和暗计数率（DCR）。
• 通过与实验数据拟合调整模拟参数，以验证模型并研究各类噪声过程对恢复动力学的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实双脉冲照射条件下，MPPC像素的真实恢复时间常数是多少？其随像素尺寸与工作电压如何变化？
• RQ2 增加过偏压如何影响恢复时间？后脉冲、串串talk与暗噪声在这一退化过程中起什么作用？
• RQ3 MPPCs在多大程度上能够分辨两个时间间隔很近的光子？可实现的最小时间分辨率是多少？
• RQ4 蒙特卡洛模拟能否准确再现实验恢复曲线，并有效分离不同噪声机制的贡献？
• RQ5 测量得到的恢复时间与制造商规格相比如何？这对高计数率应用有何影响？

主要发现

• 25×25 μm² MPPC（S10362-11-025U）在1 V过偏压下，50%恢复时间为2.5 ns，95%恢复时间为11 ns，表明其最大计数速率能力约为50 MHz。
• 50×50 μm² MPPC（S10362-11-050U）在1 V过偏压下，50%恢复时间为8 ns，95%恢复时间为33 ns，对应最大计数速率能力约为20 MHz。
• 100×100 μm² MPPC（S10362-11-100U）在1 V过偏压下，50%恢复时间为30 ns，95%恢复时间为140 ns，最大计数速率能力约为5 MHz。
• 在较高过偏压下（如025U器件的4.3 V），完全恢复（95%）需长达130 ns，表明由于串串talk与后脉冲效应增强，性能显著退化。
• 实验验证了025U器件的双光子分辨能力可达到2 ns，050U器件为3.5 ns，对应第二束脉冲到达时恢复程度约为30%。
• 蒙特卡洛模拟与实验数据高度吻合，结果表明恢复时间常数几乎与过偏压无关，与文献[6]中的发现一致。