[论文解读] SiPM Gain Stabilization Studies for Adaptive Power Supply

G. Eigen, Are Sivertsen Træet+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2016

Particle Detector Development and Performance被引用 4

一句话总结

本研究通过基于温度调节的偏置电压调整，在20–30°C范围内实现了±0.5%的SiPM增益稳定性，该方法在四个新型SiPM上得到验证（三个带沟槽结构的滨松SiPM，一个KETEK SiPM），测量在CERN气候室中通过自动化、高精度手段完成。该方法依赖于经过校准的dG/dV与dG/dT测量，以推导出最优的V(T)校正曲线，从而实现在大型探测器系统（如模拟强子量能器）中的稳定性能。

ABSTRACT

We present herein gain stabilization studies of SiPMs using a climate chamber at CERN. We present results for four detectors not tested before, three from Hamamatsu and one from KETEK. Two of the Hamamatsu SiPMs are novel sensors with trenches that reduce cross talk. We use an improved readout system with a digital oscilloscope controlled with a dedicated LabView program. We improved and automized the analysis to deal with large datasets. We have measured the gain-versus-bias-voltage dependence at fixed temperature and gain-versus-temperature dependence at fixed bias voltage to determine the bias voltage dependence on temperature $V(T)$ for stable gain. We show that the gain remains stable to better than $\pm 0.5\%$ in the $20^\circ m C - 30^\circ C$ temperature range if the bias voltage is properly adjusted with temperature.

研究动机与目标

• 在20–30°C温度范围内实现SiPM增益稳定性在±0.5%以内，以适用于大型探测器系统。
• 测量SiPM增益的温度依赖性（dG/dT）和偏置电压依赖性（dG/dV），以实现精确的V(T)校正。
• 在四个此前未测试过的新型SiPM上验证该方法，包括新型带沟槽结构的滨松传感器，以减少串串扰。
• 将温度补偿的偏置电压控制集成至模拟强子量能器的电源分配系统中。
• 通过LabView控制的示波器和波形处理实现数据采集与分析的自动化，以应对大规模数据集。

提出的方法

• 在CERN的气候室中，对1–50°C范围内的SiPM增益-偏置电压（dG/dV）和增益-温度（dG/dT）关系进行测量。
• 采用数字LeCroy 6104示波器（12位ADC，2.5 GS/s）并配合自定义LabView程序，实现自动化数据采集与偏置电压控制。
• 使用电压型双级前置放大器（8/25 ns）和电流型单级前置放大器（2/7 ns），仅前者在所有温度下保持稳定。
• 通过光纤和反光镜用蓝色光照射SiPM，以10 kHz的外部光脉冲触发，以最小化噪声。
• 通过减去直流偏移并积分50,000个波形，在74 ns窗口内生成光电子能谱。
• 采用结合信号与背景成分的似然函数对光电子能谱进行拟合，以提取增益和后电离分数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过温度依赖的偏置电压调节，在20–30°C温度范围内将SiPM增益稳定在±0.5%以内？
• RQ2 不同类型的SiPM（包括新型沟槽结构传感器）的dG/dT和dG/dV依赖性如何变化？
• RQ3 后电离在多大程度上影响增益稳定性？其是否具有温度依赖性？
• RQ4 单一偏置电压调节是否能够同时稳定大型探测器系统中多个相似的SiPM？
• RQ5 测量系统不稳定（如前置放大器漂移）对增益标定精度有何影响？

主要发现

• 对于SiPM B2（滨松，15 µm节距），在5–45°C范围内增益稳定性偏差小于1%。
• 对于LCT4#6和LCT4#9（滨松，50 µm节距带沟槽结构），由于使用滨松指定的dV/dT（60 mV/°C）而非实测值53.9 mV/°C，导致在20–30°C范围内出现±1.2%的过补偿。
• 对于KETEK W12（3×3 mm²，20 µm节距），由于使用21.3 mV/°C而非实测值17.2 mV/°C，导致±4.1 mV/°C的误差，稳定性下降。
• 后电离分数R随过压的增加呈二次方增长，但未表现出显著的温度依赖性，表明其不会影响增益稳定性。
• 电流型前置放大器在较高温度下变得不稳定，因此仅电压型前置放大器可提供可用数据。
• 后续研究中，通过四个相同的电压型前置放大器同时测试四个SiPM，确认了30个SiPM的稳定性能，仅两个CPTA传感器表现异常，结果待最终发表。