caratterizzazione dei silicon photo-multipliers...
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Presentazione di Fine Anno
Caratterizzazione dei Silicon Photo-Multipliers:dipendenza dalla temperatura
Marco RamilliXXIII ciclo
Outlook:
Giunzioni p-n;
i Silicon PhotoMultiplier (SiPM);
Applicazioni in RAPSODI
Caratterizzazione:
Setup sperimentale;
Procedura;
Risultati;
Conclusioni e sviluppi futuri;
Richiami sul funzionamento delle giunzioni p-n
Cristalli (ad es. Si) drogati con impurita` Accettori (drogaggio “p” - ad es. B); Donatori (drogaggio “n”- ad es. P);
Potenziale esterno (biasing):
a)Diretto
b)Inverso
Il diodo si comporta come un conduttore (non ohmico);
la regione di svuotamento si allarga.
Aumentando il bias inverso si raggiunge un Voltaggio di Breakdown (VBD
)
Per V > VBD
probabilita` per una carica che attraversi la regione di svuotamento di generare una valanga Geiger-Müller
La “fisica” e` contenuta in α:
dipendenza dai parametri tecnologici;
dipendenza dall' over voltage;
dipendenza dal profilo di campo elettrico;
Figura ed equazioni da: Oldham et al. IEEE TED Vol. Ed-19, N˚ 9 (1972)
SiPM: introduzione
Regime Geiger-Müller
Output comune
Array di diodi p-n ⁓ 103/mm2
Medesimo Guadagno 106
Lettura Analogica
Alto Range Dinamico
Alta velocita`: Trise
1 ns, Tfall
50 ns Compattezza “Basso” voltaggio operazionale – tipico PMT ~ kV Operabilita` in campo magnetico “Basso” costo
301063 MHz2450030 x 301 x 1CPTA
203 x 105220 kHz77160017 x 141 x 1Hamamatsu
101066 MHz30864020 x 203 x 3SensL
PDE (%)
(green)(GAINDCRV workingNo. cells
Pixel size (µm)
Area (mm2)Producer
F. Zappa, S. Cova; M. Ghioni, A. Lacaita, C. Samori Applied Optics 35 (12) 1956-1976 (1996)
A. Adikinov et al. Nucl. Inst. And Meth. A 387 231-234 (1997)
Alcune applicazioni - RAPSODI
Dosimetria in mammografia - MAMMODOS
Homeland Security - Snooper
Concentrazione di Radon ambientale - RADIM 7
Fornire una misura in tempo reale della dose di radiazioni a cui viene sottoposta la paziente
Rivelatore portatile di materiale per “bombe sporche”
Rivelatore in grado di effettuare conteggi di Radon conteggio di buio nullo stabilmente;
controllo condizioni ambientali;
sensitivita` al basso flusso;Stabilita` rispetto alle condizioni ambientali;
sensibilita`;alto range dinamico;
Protocollo di caratterizzazione
Parametri geometrici (numero di celle, area totale, area utile);
Misure di I – V (corrente di svuotamento, voltaggio di breakdown);
Misure di rumore – dipendenza da voltaggio e da temperatura;
Dark Count Rate (DCR);
Cross-talk ottico;
Linearita` e Range dinamico – dipendenza da voltaggio e temperatura;
Potere di risoluzione;
Gain;
Ottimizzazione (a basso ed alto flusso)
Risposta spettrale: Photon Detection Efficiency (PDE) in funzione di λ e della temperatura
Setup Sperimentale
• USB-VME Bridge CAEN• V171816ch QDC CAEN V792N• DC power supply Agilent 6645A• Scope Agilent 54624A• Pulse Generator Agilent 33250A [50 MHz]• Lecroy 821 NIM discriminator • CAEN NIM level translators• ZFL-500-BNC [20 dB gain]• PDL800-B PicoQuant (green LED) • OZ optics coupler & focuser • Keithley 4200 SCA• 590 + 595 C-V meters QS+HF
• Contenitore in metallo sigillato;• Board prodotta da sensL;• Resistenza PT 100;
Linearita` del Gain rispetto al voltaggio di bias fissata la Temperatura
Cambiando voltaggio di bias:
> 0.5 ph
> 1.5 ph
> 2.5 ph
0.5 ph
1.5 ph
2.5 ph
Th
resho
ld sc
an
Cross-talk ottico: Xtalk
Xtalk
non mostra dipendenze significative dalla Temperatura
calcoliamo:
Xtalk
: probabilita` che una valanga causi un'altra valanga in una cella vicina
Conclusioni
Protocollo per caratterizzare i SiPM;
Over voltage parametro fisico chiave della caratterizzazione;
Indipendenza dalla temperatura di:
Gain;
PDE;
Cross-talk;
Sviluppi futuri
Allargare il campo delle misure spettrali (luce blu, luce rossa...);
Soluzione numerica della probabilita` di valanga per differenti forme di campo elettrico
Misura della frequenza di afterpulse.