1 1 stst workshop on “Photon workshop on “Photon Detection”Detection”

Perugia 2007Perugia 2007

SiPm: Attività e risultati a Tor Vergata

Roberto Messi

Studio per applicazioni spaziali e… nonStudio per applicazioni spaziali e… non

• Caratterizzazione in regime stazionarioCaratterizzazione in regime stazionario

• Caratterizzazione sistema SiPm – BC408:Caratterizzazione sistema SiPm – BC408:» Test cosmiciTest cosmici» Test BTF (lnf)Test BTF (lnf)

• Sviluppo elettronica:Sviluppo elettronica:» Amplificatori discreti per testAmplificatori discreti per test» Alimentazione a singolo chip: MAX1932Alimentazione a singolo chip: MAX1932» ASIC per TOFASIC per TOF

• Applicazioni in altri campi: necessario uno Applicazioni in altri campi: necessario uno studio sulla radiation demagestudio sulla radiation demage

Misure sui Silicon Photomultiplier (SiPM) del Misure sui Silicon Photomultiplier (SiPM) del MEPHI MEPHI

• Sviluppati dal MEPHI;Sviluppati dal MEPHI;• Caratterizzazioni e Test Caratterizzazioni e Test INFN Tor Vergata , MEPHI INFN Tor Vergata , MEPHI

• 1x1 mm1x1 mm22 con circa 1000 pixel con circa 1000 pixel• 3x3 mm3x3 mm22 con circa 5600 pixel con circa 5600 pixel• 5x5 mm5x5 mm22 con circa 3500 pixel con circa 3500 pixel

Misure di caratterizzazione in regime stazionario sui 3x3 mmMisure di caratterizzazione in regime stazionario sui 3x3 mm22

• La prima parte si presentano le misure di invecchiamento in funzione La prima parte si presentano le misure di invecchiamento in funzione della carica integrata (circa 1 C).della carica integrata (circa 1 C).

• La seconda parte si esaminano le curve I-V e quindi le caratteristiche del La seconda parte si esaminano le curve I-V e quindi le caratteristiche del rumore integrato in funzione della temperatura.rumore integrato in funzione della temperatura.

Guadagno, curve corrente vs. tensione (I-V) e Guadagno, curve corrente vs. tensione (I-V) e invecchiamento: Setupinvecchiamento: Setup

Scelta di un parametro funzionale per la stima delle variazioni di guadagno in Scelta di un parametro funzionale per la stima delle variazioni di guadagno in funzione dell’invecchiamento.funzione dell’invecchiamento.

• Per fotodiodi operanti in avalanche (|V| < |VPer fotodiodi operanti in avalanche (|V| < |Vbreakdownbreakdown|) vale la:|) vale la:

IIOUT(ligth-dark) OUT(ligth-dark) è la differenza tra corrente tra diodo illuminato e al buio alla tensione è la differenza tra corrente tra diodo illuminato e al buio alla tensione inversa di lavoro. inversa di lavoro.

(I(IG=1(ligth-dark) G=1(ligth-dark) ) ) èè la stessa differenza la stessa differenza per valori piccoli della tensione per valori piccoli della tensione (Karar et. al NIM, (Karar et. al NIM, A428:413 431, 1999).A428:413 431, 1999).

• SiPM: guadagnoSiPM: guadagno dell’ordine di dell’ordine di 101066 e lavorano in geiger mode limitato e lavorano in geiger mode limitato (|V| > |(|V| > |VVbreakdownbreakdown|)|)

)(1

)(

darklightG

darklightout

I

IguadagnodiParametro

)(1

)(

darklightG

darklightoutavalanche

I

IG

• È possibile ridefinire un parametro di guadagno con la stessa È possibile ridefinire un parametro di guadagno con la stessa

definizione: definizione: questo permette, in prima questo permette, in prima

approssimazione di mettere in evidenza variazioni di guadagnoapprossimazione di mettere in evidenza variazioni di guadagno..

• Setup sperimentale: il SiPM Setup sperimentale: il SiPM è polarizzato con un è polarizzato con un alimentatore programmabile.alimentatore programmabile.

• Un diodo LED posto di fronte ai tre SiPm in misura viene Un diodo LED posto di fronte ai tre SiPm in misura viene utilizzato per accelerare il tempo di integrazione: utilizzato per accelerare il tempo di integrazione: 80mC/20min80mC/20min

Misure in “continua”Misure in “continua”

Guadagno, curve corrente vs. tensione (I-V) e Guadagno, curve corrente vs. tensione (I-V) e invecchiamento - Curveinvecchiamento - Curve

A sinistra: andamenti delle curve caratteristiche A sinistra: andamenti delle curve caratteristiche par. guad. vs. I (dark) e in basso a sinistra il par. guad. vs. I (dark) e in basso a sinistra il par. guad. vs. I(light-dark) in funzione della par. guad. vs. I(light-dark) in funzione della carica integrata.carica integrata.

Il MEPHI fornisce il grafico a destra: stabilità del Il MEPHI fornisce il grafico a destra: stabilità del funzione del tempo di funzionamento per 20 elementi: funzione del tempo di funzionamento per 20 elementi:

Sotto: relazione tra il parametro di guadagno e Sotto: relazione tra il parametro di guadagno e carica integrata.carica integrata.

Dipendenza dalla temperatura - SetupDipendenza dalla temperatura - Setup

• Si Si èè usato un piccolo criostato ad azoto liquido, usato un piccolo criostato ad azoto liquido, dentro il quale il SiPM è stato fissato sul supporto dentro il quale il SiPM è stato fissato sul supporto freddo di rame-oro tramite colla ‘silver paint’ per freddo di rame-oro tramite colla ‘silver paint’ per assicurare un buon contatto termico.assicurare un buon contatto termico.

• La temperatura La temperatura èè controllata tramite un controllata tramite un termometro al platino, e la temperatura assoluta termometro al platino, e la temperatura assoluta reale del SiPM è stata misurata tramite un reale del SiPM è stata misurata tramite un termometro al silicio (DT470 della CryPhysics) termometro al silicio (DT470 della CryPhysics) fissato in prossimità del fotodiodo stesso.fissato in prossimità del fotodiodo stesso.

Le misure delle caratteristiche I-V in buio (di rumore), sono state effettuate sempre 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.con lo stesso apparato sperimentale illustrato nella sezione delle misure di aging.

Nella foto a destra viene mostrato il dito freddo Nella foto a destra viene mostrato il dito freddo con sopra incollato il SiPm con a fianco il con sopra incollato il SiPm con a fianco il termometro DT470.termometro DT470.

Dipendenza dalla temperatura - CurveDipendenza dalla temperatura - Curve

• Si osserva che il rumore decade di un fattore 2 ogni 8 K . Si osserva che il rumore decade di un fattore 2 ogni 8 K .

Da 118K a 293KDa 118K a 293K

Da 118K a 293KDa 118K a 293K Da 118K a 293KDa 118K a 293K

Le quattro curve rappresentano Le quattro curve rappresentano le amplificazioni in funzione le amplificazioni in funzione della temperatura.della temperatura.

Parametro di guadagno vs. Parametro di guadagno vs. della tensione di biasdella tensione di bias

Corrente dark in funzione della tensione di biasCorrente dark in funzione della tensione di bias

Set up sperimentale BTFSet up sperimentale BTF

Rivelatore A-PM e A-SiPMRivelatore A-PM

E detectorE detector

<Epm> 188.1±0.3Sigma_Epm 7.0±0.2

Pedestal 100.7 <Nphotoel> 156.8

Attenuation - 12 db

H6780-3

H6780-3

H6780-3

H6780-3

E

E-detector 80x80x5 mm3 fore PM with light pad but without light guide and SiPM’s

One electron

F detectorF detector (Tow 5x5-SiPM’s)

<Fsipm> 123.6 ±0.4

Sigma_Fsipm 8.9 ±0.2

Pedestal 77.5

Sigma_Ped 4. 1

< Nphotoel > 34.3

5x5 SiPM 3

5x5 SiPM 3

F

“F” - detector 75x75x5 mm3 with tow 5x5 SiPM’s

One electron

I-detectorI-detector (1x1-SiPM)

<Isipm> 95.6 ±0.5

Sigma_Isipm 5.7 ±0.3

Pedestal 78.1

< Nphotoel > 15.7

1x1 SiPM 3

H and I

WLS Y11

“H”- detectors 30x30x5 mm3 with 1x1 SiPM’s, WLS technology (Y11) These detectors were produced in the middle of 2004.

One electron

Carica Rivelata da SiPm 3x3 e 5x5 mm Carica Rivelata da SiPm 3x3 e 5x5 mm 2 2

in funzione del numero di elettroni incidenti

F(5*5Sipm)

y = 63.45x + 55.69

R2 = 0.9967

100

150

200

250

300

350

400

1 2 3 4 5

Number of electrons

<A>

ASipm

y = 16.036x + 78.066

R2 = 0.9988

8090

100110120130140150160170

1 2 3 4 5

Number of electrons

<A>

Carica Rivelata Carica Rivelata in funzione del numero di elettroni incidentiin funzione del numero di elettroni incidenti

G(3*3Sipm)

y = 28.22x + 81.56

R2 = 0.9999

100

120

140

160

180

200

220

240

1 2 3 4 5

Number of electrons

<A>

I(1*1Sipm)

y = 19.26x + 74.87

R2 = 0.9982

80

100

120

140

160

180

1 2 3 4 5

Number of electrons<A

>

Detector response vs beam positionsOne electron

X

y

-30

mm

0

mm

+30

mm

+12

mm 186.8 189.3 188.0

0

mm 184.2 188.9 185.2

-12

mm - 186.4

E-detector F-detector

X

y

-30

mm

0

mm

+30

mm

+12

mm 119.1 123.6 120.4

0

mm 120.6 124.6 120.4

-12

mm - 118.7

1x1 mm 1x1 mm 2 2 con W.S. e preamp x5con W.S. e preamp x5

SiPm 5x5SiPm 5x5 ( da cosmico ( da cosmico)

Traccia n.1 = apertura del gate dell’ADCTraccia n.2 = somma SiPM1 + SiPM2Traccia n.3 = SiPM1 (5x5mm)Traccia n.4 = SiPM2 (5x5mm)