[论文解读] SiPM Response Functions Representing Wide Range Including Linear Behavior After Saturation

K. Kotera, Weonseok Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis参考文献 1被引用 1

一句话总结

本文提出了一种新型硅光电倍增管（SiPM）响应函数，能够精确建模小信号和高度饱和状态下的行为，包括单个光脉冲期间像素重新激活导致的饱和后线性行为。该函数可实现对真实SiPM在广泛输入光强动态范围内的精确表征。

ABSTRACT

We have developed a function which describes SiPM response in both small signal and highly saturated regimes. The function includes the reactivation of SiPM pixels during a single input light pulse, and results in an approximately linear increase of SiPM response in the highly saturated regime, as observed in real SiPMs. This article shows that the function can accurately describe the measured response of real SiPM devices over a wide range of signal intensities.

研究动机与目标

• 解决缺乏统一模型准确描述SiPM在低光强和高度饱和光强下响应的问题。
• 捕捉实验观测到的SiPM输出在饱和后的线性增加，该现象与传统模型相矛盾。
• 开发一个包含单个光脉冲期间像素重新激活物理机制的函数。
• 提供一个单一的解析表达式，能够拟合广泛信号幅度范围内的实测SiPM响应。

提出的方法

• 所提出的函数整合了单个SiPM像素的统计行为，包括其概率性激活与恢复动态特性。
• 建模了单个光脉冲持续期间先前已触发像素的重新激活，从而解释了饱和区域观测到的线性响应。
• 该函数基于SiPM中盖革模式雪崩过程的物理基础推导得出，整合了死时间和恢复时间常数。
• 通过在多个输入光强水平下测量的SiPM响应数据进行校准，确保经验准确性。
• 通过将模型输出与真实SiPM器件的实验测量结果进行比较，对模型进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过单一解析函数描述SiPM在线性区与高度饱和区的响应？
• RQ2 何种物理机制可解释饱和后观测到的SiPM输出线性增加？
• RQ3 单个脉冲期间像素重新激活在饱和区域线性行为中所起的作用有多大？
• RQ4 所提出的函数能否准确再现广泛动态范围内的实测SiPM响应？

主要发现

• 所提出的函数成功捕捉了SiPM在高度饱和区域的线性响应，而传统模型无法预测该现象。
• 在单个光脉冲期间引入像素重新激活机制，可解释实验观测到的饱和后线性行为。
• 该函数能精确描述真实SiPM器件在广泛输入光强范围内的实测响应。
• 该模型统一描述了SiPM从微弱信号到完全饱和的全部行为，显著提升了实际应用中校准与信号重建的性能。