Учебный эксперимент: определение характеристик кремниевого фотоумножителя

Комплект оборудования:

Цель эксперимента:

Определение характеристик детектора на основе кремниевого фотоумножителя (SiPM) с использованием сверхбыстрого импульсного светодиода.
Определение основных параметров детектора при фиксированном напряжении смещения.

Основа эксперимента:

Кремниевые фотоумножители (SiPM) представляют собой высокоплотную (до ~10⁴/мм²) матрицу диодов, соединённых параллельно на общем кремниевом подложке. Каждый диод — это лавинный фотодиод (APD), работающий в ограниченном режиме Гейгера–Мюллера, и последовательно соединённый с гасящим резистором для достижения усиления на уровне около 10⁶.

В результате такие детекторы чувствительны к одиночным фотонам (даже при комнатной температуре), обладают динамическим диапазоном свыше 100 фотонов за импульс и высокой эффективностью регистрации фотонов (PDE) до 50%. SiPM измеряют интенсивность света просто по числу сработавших ячеек.

Однако эта информация может быть искажена стохастическими эффектами, характерными для сенсора и происходящими в пределах временного окна:
– спонтанные лавины, вызванные тепловыми носителями (так называемые тёмные счёты);
– задержанные лавины, возникающие в результате высвобождения носителей из метастабильных состояний (так называемые послеимпульсы);
– избыточное количество сработавших ячеек из-за фотонов, порождённых в первичной лавине, распространяющихся в кремнии и возбуждающих соседние ячейки (оптические перекрёстные срабатывания).

Типичный отклик SiPM на световой импульс представляет собой множество пиков, каждый из которых соответствует различному числу сработавших ячеек и, следовательно, числу падающих фотонов. Благодаря высокому усилению по сравнению с уровнем шума, пики хорошо разделены, что позволяет регистрировать число фотонов, попавших в сенсор.

Проведение эксперимента:

Световой импульс от сверхбыстрого драйвера светодиода SP5601 подаётся через прозрачное оптоволокно в держатель сенсора SP5650C, содержащий исследуемый SiPM, подключённый к модулю SP5600.
Выходной сигнал от SP5600 направляется во входной канал настольного оцифровщика DT5720A, оснащённого встроенной прошивкой для интеграции заряда, и запускается драйвером светодиода SP5601.
Модули SP5600 и DT5720A подключаются к компьютеру через USB. Используйте значения по умолчанию в программном обеспечении или оптимизируйте напряжение смещения и порог дискриминатора.
Горизонтальная ось полученного спектра соответствует каналам АЦП, поэтому коэффициент пересчёта АЦП (ADC conversion factor, ADC c.r.) можно вычислить для выполнения эксперимента и определения основных характеристик SiPM.

Результаты эксперимента:

Усиление SiPM оценивается по выходному заряду сенсора.
После определения коэффициента пересчёта АЦП (ADC c.r.) и расстояния между соседними пиками (в каналах АЦП), усиление SiPM можно оценить по следующему соотношению:

Вот перевод формулы на русский язык:

где:

• ΔPP(каналы АЦП) — расстояние между соседними пиками в спектре, выраженное в каналах АЦП,

• коэффициент пересчёта АЦП(ADC c.r.) — заряд, соответствующий одному каналу АЦП (например, в кулонах),

• e— заряд электрона (1.602×10−191.602  10^{-19} Кл),

• Усиление— количество электронов, генерируемых на один фотон.

Разрешающая способность системы может быть оценена, построив отношение FWHM (ширина на половине высоты пика) к положению пика.
Частота пиков, в отсутствие света, на низком напряжении смещения (например, 27,0 В), представляет тёмные счёты (DCR).
Значения на более высоком напряжении, например, 27,5 В и 28,0 В, демонстрируют эффект перекрёстных срабатываний  — появление дополнительных сработавших ячеек, вызванных фотонами внутри кремния.

Результаты эксперимента:

Спектр Hamamatsu S10362-11-100C:

Ширина пика (σ) в зависимости от номера пика для Hamamatsu S10362-11-100C:

Частота тёмных счётов сенсора в зависимости от порога дискриминатора: