SiPm: Attivita´ e risultati a Tor Vergata.

1
st
workshop on “Photon Detection”
Perugia 2007
SiPm: Attività e risultati a Tor Vergata
Roberto Messi
Studio per applicazioni spaziali e… non
• Caratterizzazione in regime stazionario
• Caratterizzazione sistema SiPm – BC408:
» Test cosmici
» Test BTF (lnf)
• Sviluppo elettronica:
» Amplificatori discreti per test
» Alimentazione a singolo chip: MAX1932
» ASIC per TOF
• Applicazioni in altri campi: necessario uno studio
sulla radiation demage
Misure sui Silicon Photomultiplier (SiPM) del MEPHI
• Sviluppati dal MEPHI;
• Caratterizzazioni e Test
INFN Tor Vergata , MEPHI
• 1x1 mm2 con circa 1000 pixel
• 3x3 mm2 con circa 5600 pixel
• 5x5 mm2 con circa 3500 pixel
Misure di caratterizzazione in regime stazionario sui 3x3 mm2
• La prima parte si presentano le misure di invecchiamento in funzione della
carica integrata (circa 1 C).
• La seconda parte si esaminano le curve I-V e quindi le caratteristiche del
rumore integrato in funzione della temperatura.
Guadagno, curve corrente vs. tensione (I-V) e invecchiamento: Setup
Misure in “continua”
• Setup sperimentale: il SiPM è polarizzato con un alimentatore
programmabile.
• Un diodo LED posto di fronte ai tre SiPm in misura viene
utilizzato per accelerare il tempo di integrazione: 80mC/20min
Scelta di un parametro funzionale per la stima delle variazioni di guadagno in funzione
dell’invecchiamento.
• Per fotodiodi operanti in avalanche (|V| < |Vbreakdown|) vale la: Gavalanche 
Iout(light  dark)
IG  1(light  dark)
IOUT(ligth-dark) è la differenza tra corrente tra diodo illuminato e al buio alla tensione
inversa di lavoro.
(IG=1(ligth-dark) ) è la stessa differenza per valori piccoli della tensione (Karar et. al NIM,
A428:413 431, 1999).
• SiPM: guadagno dell’ordine di 106 e lavorano in geiger mode limitato (|V| > |Vbreakdown|)
• È possibile ridefinire un parametro di guadagno con la stessa
definizione: Parametro di guadagno 
Iout(light  dark)
IG  1(light  dark)
questo permette, in prima
approssimazione di mettere in evidenza variazioni di guadagno.
Guadagno, curve corrente vs. tensione (I-V) e invecchiamento - Curve
Il MEPHI fornisce il grafico a destra: stabilità del funzione
del tempo di funzionamento per 20 elementi:
A sinistra: andamenti delle curve caratteristiche
par. guad. vs. I (dark) e in basso a sinistra il par.
guad. vs. I(light-dark) in funzione della carica
integrata.
Sotto: relazione tra il parametro di guadagno e
carica integrata.
Dipendenza dalla temperatura - Setup
• Si è usato un piccolo criostato ad azoto liquido,
dentro il quale il SiPM è stato fissato sul supporto
freddo di rame-oro tramite colla ‘silver paint’ per
assicurare un buon contatto termico.
• La temperatura è controllata tramite un
termometro al platino, e la temperatura assoluta
reale del SiPM è stata misurata tramite un
termometro al silicio (DT470 della CryPhysics)
fissato in prossimità del fotodiodo stesso.
Nella foto a destra viene mostrato il dito freddo con
sopra incollato il SiPm con a fianco il termometro
DT470.
Le misure delle caratteristiche I-V in buio (di rumore), sono state effettuate sempre con lo
stesso apparato sperimentale illustrato nella sezione delle misure di aging.
Dipendenza dalla temperatura - Curve
Corrente dark in funzione della tensione di bias
Da 118K a 293K
Da 118K a 293K
• Si osserva che il rumore decade di un fattore 2 ogni 8 K .
Parametro di guadagno vs.
tensione di bias
Da 118K a 293K
della
Le quattro curve rappresentano le
amplificazioni in funzione della
temperatura.
Set up sperimentale BTF
Rivelatore A-PM
Rivelatore A-PM e A-SiPM
E detector
H6780-3
H6780-3
E
H6780-3
H6780-3
E-detector 80x80x5 mm3 fore
PM with light pad but without
light guide and SiPM’s
Attenuation - 12 db
<Epm>
One electron
Sigma_Epm
188.1±0.3
7.0±0.2
Pedestal
100.7
<Nphotoel>
156.8
F detector
(Tow 5x5-SiPM’s)
5x5 SiPM
3
F
5x5 SiPM
3
“F” - detector 75x75x5 mm3 with
tow 5x5 SiPM’s
One electron
<Fsipm>
123.6 ±0.4
Sigma_Fsipm
8.9 ±0.2
Pedestal
77.5
Sigma_Ped
4. 1
< Nphotoel >
34.3
I-detector
(1x1-SiPM)
WLS Y11
H and I
1x1 SiPM
3
“H”- detectors 30x30x5 mm3 with
1x1 SiPM’s, WLS technology (Y11)
These detectors were produced in
the middle of 2004.
One electron
<Isipm>
95.6 ±0.5
Sigma_Isipm
5.7 ±0.3
Pedestal
78.1
< Nphotoel >
15.7
Carica Rivelata da SiPm 3x3 e 5x5 mm 2
in funzione del numero di elettroni incidenti
F(5*5Sipm)
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
<A>
<A>
ASipm
y = 16.036x + 78.066
400
350
300
y = 63.45x + 55.69
250
R = 0.9967
2
200
2
R = 0.9988
150
100
1
2
3
4
5
Number of electrons
1
2
3
4
5
Number of electrons
Carica Rivelata
in funzione del numero di elettroni incidenti
I(1*1Sipm)
<A>
<A>
G(3*3Sipm)
240
220
180
160
200
180
140
160
120
140
y = 28.22x + 81.56
2
120
R = 0.9999
y = 19.26x + 74.87
R2 = 0.9982
100
80
100
1
2
3
4
5
Number of electrons
1
2
3
4
5
Number of electrons
Detector response vs beam positions
One electron
E-detector
X
y
+12
mm
0
mm
-12
mm
-30
mm
186.8
184.2
-
0
mm
189.3
188.9
+30
mm
F-detector
X
-30
mm
0
mm
+30
mm
188.0
+12
mm
119.1
123.6
120.4
185.2
0
mm
120.6
124.6
120.4
186.4
-12
mm
y
-
118.7
1x1 mm
2
con W.S. e preamp x5
SiPm 5x5
( da cosmico)
Traccia n.1 = apertura del gate dell’ADC
Traccia n.2 = somma SiPM1 + SiPM2
Traccia n.3 = SiPM1 (5x5mm)
Traccia n.4 = SiPM2 (5x5mm)