Attività di Gruppo Napoli Preventivi 2014 Iaia Masullo 1CSN Luglio 2013

Sviluppo di nuovo fotomoltiplicatore a semiconduttore VSiPMT (Vacuum Silicon PhotoMulTiplier) Obiettivo della ricerca: Superare i limiti degli attuali PMT Disegno concettuale: Fotocatodo e SiPM usato stadio di amplificazione dei fotoelettroni Responsabile Nazionale: Giancarlo Barbarino (NA) Sezioni coinvolte: NA Durata del progetto: due anni

CSN Luglio Il perché della proposta I rivelatori di fotoni sono strumenti indispensabili in molti campi della fisica fondamentale, dalla fisica delle astroparticelle, a quella nucleare, alla diagnostica medica. I futuri esperimenti, sia che essi indaghino fenomeni altamente energetici o estremamente rari, richiederanno ai fotomoltiplicatori sempre maggiori miglioramenti tecnologici in termini di linearità̀, guadagno e soprattutto sensibilità (efficienza quantica e risposta a singoli fotoelettroni).

-Struttura complessa -Consumo del divisore -Integrale dei fotoni: fluttuazioni al primo dinodo non consentono Il photon counting -Linearità funzione del guadagno Limiti dei PMT a dinodi Fotomoltiplicatore a vuoto (VPMT) : nasce nel 1913 ed è commerciale RCA nel 1936 E’, al momento, il fotorivelatore ad alto guadagno più utilizzato negli esperimenti. Linearita’ diminuisce all'aumentare del guadagno

CSN Luglio Il perché della proposta Un metodo per superare queste difficoltà consiste nell’utilizzo di rivelatori di fotoni basati su dispositivi a semiconduttore con amplificazione interna. Lo sviluppo della tecnologia CMOS applicata a giunzioni p-n operanti in regime di Geiger avalanche (G-APD) rappresenta l'evoluzione più promettente per la rivelazione e il conteggio di singoli fotoni con elevata velocità di risposta, elevato guadagno (dell’ordine di 10 6 ) e linearità̀.

Amplificazione corrente luce Fotomoltiplicatore a vuoto SiPM corrente luce Amplificazione Fotomoltiplicatore a stato solido con SiPM per elettroni Per concentrare luce da medie/grandi superfici Focalizzazione di fotoelettroni emessi da superfici di fotocatodo su SiPM. SiPM sostituisce i dinodi di un PMT Equivalente aumento area sensibile di un SiPM

Vari tentativi di ibridi con scarso successo regione di amplificazione in alta tensione G=E phe /E e,h ≈ Svantaggi Basso guadagno Costoso isolamento HV Alta stabilizzazione HV Guadagno dipende da HV Soluzione proposta 2/3 KV solo per trasportare fotoelettroni al SiPM. Non occore stabilizzazione In plateau entrano per range in SiPM. Amplificazione in bassa tensione nel silicio Geiger > 10 6 Guadagno non critico dipende da bassa tensione nel silicio. Debole stabilizzazione tensione silico Normale isolamento HV Comparison between the previous one silicon PMT (APD) and the new one (MPPC) A different approach: to transfer the High Voltage bombarding Gain, photocatode- APD to Low Voltage Geiger MPPC.

8 pedestal 1 pe 2 pe 3 pe 4 pe 5 pe 6 pe With APD electron multiplication depends on first ionization fluctuations pe No fluctuation in geiger regime Sum of digital pixel. Pe’s better separated.

Nuovo layout di un PMT: Fotocatodo+sipm come moltiplicatore di elettroni (10 6 ) Dal 2007 estensivi test per risposta a elettroni. Risultati oltre le aspettative. Precisa ionizzazione dei phe rispetto ai fotoni. Valanga indotta sempre dagli elettroni Vantaggi: dimensioni, semplicita’ costruttiva, assenza di divisore, consumo 0, timing, risposta singolo fotone/fotoelettrone Giugno 2012 Hamamatsu chiede collaborazione con il nostro gruppo. Realizza per noi 2 prototipi. 1°incontro con Hamamatsu: 31/5 Roma, 2°incontro con Hamamatsu: 17/7 Napoli In corso contatti con Saes Getter, FBK…per prototipo europeo. VSiPMT (Vacuum-Silicon-PMT) Storia del lavoro del gruppo napoletano In corso pratiche di brevetto; ceduti diritti a INFN

Goal: SiPM surface increase D. Vivolo VSiPMT Test report - Napoli, 17/07/ Vacuum Silicon PhotoMultiplier Tube (VSiPMT) An innovative design for a modern hybrid photodetector based on the combination of a Silicon PhotoMultiplier (SiPM) with a hemispherical vacuum glass PMT standard envelope The classical dynode chain of a PMT is replaced with a SiPM, acting as an electron multiplying detector. Photocathode Focusing grid Focusing ring SiPM

Prototipo realizzato da Hamamatsu per il gruppo D. Vivolo VSiPMT Test report - Napoli, 17/07/ p + n n + configuration, special non-windowed series for  optimization. Lower voltage required (-2,5/3 kV expected).

Si vede bene la capacità di photon counting del dispositivo. Sono chiaramente visibili già all’interno dell’impulso la separazione dei fotoelettroni/fotoni nonché negli spettri di carica la distribuzione dei picchi corrispondenti al numero dei fotoelettroni rivelati.

Measure of the charge corresponding to 1 pe (peaks in area hystogram) x AMP. G=7-10 4mV/phe

Efficiency VSiPMT Test report - Napoli, 17/07/

Efficiency: VSiPMT vs PMT VSiPMT Test report - Napoli, 17/07/  =  photocathode x  SiPM (50) 0,23 ≈ 0,38 x 0,61  =  photocathode x  SiPM (100) 0,30 ≈ 0,38 x 0,78  =  photocathode x  1st dynode 0,30 ≈ 0,38 x 0,8 VSiPMT EfficiencyPMT Efficiency The expected efficiencies for PMT and VSiPMT are equivalent VSiPMT efficiency further improvable with fill factor Fill factor

Efficiency VSiPMT Test report - Napoli, 17/07/ Efficiency is highly stable over 3200 V. No need for high voltage stabilization. VSiPMT (ZJ5025) measured efficiency  = 0.23 Reducing the SiO 2 coating layer it will be possible to reach the plateau region at even lower voltages. The HV implies NO power consumption (NULL current) unlike PMTs. Moreover, for PMTs the power consumption increases with the rate! in agreement with expectations

17 pedestal1 phe 2 phe 3 phe 4 phe 5 phe SPE spectra peak valley Excellent photon counting capabilities Photon counting and dark count VSiPMT (single), new SiPM 800 2,5 phe (80 Hz) 10 1,5 phe (<1 kHz) 100 0,5 phe (<10 Khz) Dark count for different thresholds when VSiPMT is used in single mode: over the threshold it has in any case an excellent photon counting capabilities. Important last news: dark count reduced by more than a factor 10! comparable with classical PMT

D. Vivolo VSiPMT Test report - Napoli, 17/07/ PMTVSiPMTcomparison EfficiencyPhotocathode x 1 st dynode (0,8) Photocathode x Fill factor MPPC (vs..1) ≈ equivalent Gain ≈ equivalent Timingnsecfractions of nsec (no spread dynodes) + VSiPMT Linearitydepending on gain-spot over all MPPC surface -dim. MPPC and n. of cells not depending on gain to be improved Power ConsumptionDivider DissipationNo dissipation: just amp. G=10-20 (<5mW) +VSiPMT Stability H.V.H.V. stabilization for stable gain No H.V. stability (plateau) +VSiPMT Dark counts≈ 0.5pe≈ pe≈ equivalent Photon countingdifficultexcellent+VSiPMT Peak-to-valley ratio≈ 3> 60+VSiPMT Afterpulse≈ 0.5pe ≈ equivalent SPE resolution≈ 30.5% (Hamamatsu R11065) ≈ 17.8%+VSiPMT VSiPMT wins the challenge with classical PMTs in (almost) all fields

Timeline D. Vivolo VSiPMT Test report - Napoli, 17/07/

Il futuro VSiPMT Test report - Napoli, 17/07/ Le misure sino ad ora effettuate sono propedeutiche alla realizzazione di un prototipo completo di PMT ibrido a giunzione Geiger. La giunzione Geiger in questione va ottimizzata e riconfigurata per avere la massima efficienza per la rivelazione di elettroni. Va ridotto al minimo lo strato superficiale di protezione della giunzione in modo da ridurre l’alta tensione fra il fotocatodo ed il SiPM che serve per trasportare il fotoelettroni al SiPM. Con Hamamatsu e/o con altre realtà italiana/europee si intendono realizzare due tipi di prototipi di VSiPMT: da 1” e 3”. Migliorare la linearità lavorando sul SiPM e sulla struttura di campo focalizzante Lavorare sugli “afterpulse”, cioè gli impulsi spuri che appaiono nella scia degli impulsi veri e che sono con essi correlati. Lavorare in sinergia con Hamamatsu, FBK ed altre ditte con l’idea di costruire collaborazioni che creino anche prospettive di lavoro

SezioneMissioniLicenzeManutenzioneConsumoInventarioSpese servizi Trasport o Totale NA Piano finanziario per il 2014 ANAGRAFICAFTE Napoli1,8 Napoli-tecnologi0,1 21 CSN Luglio 2013