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: 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: 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 . Le quattro curve rappresentano le amplificazioni in funzione della temperatura. Parametro di guadagno vs. della tensione di bias Da 118K a 293K

Set up sperimentale BTF Rivelatore A-PM e A-SiPM Rivelatore A-PM

100.7 156.8 E detector 188.1±0.3 7.0±0.2 <Epm> Sigma_Epm H6780-3 E E-detector 80x80x5 mm3 fore PM with light pad but without light guide and SiPM’s Attenuation - 12 db <Epm> 188.1±0.3 Sigma_Epm 7.0±0.2 Pedestal 100.7 <Nphotoel> 156.8 One electron

F detector (Tow 5x5-SiPM’s) “F” - detector 75x75x5 mm3 with 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 One electron

I-detector (1x1-SiPM) <Isipm> 95.6 ±0.5 Sigma_Isipm 5.7 ±0.3 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. <Isipm> 95.6 ±0.5 Sigma_Isipm 5.7 ±0.3 Pedestal 78.1 < Nphotoel > 15.7 One electron

Carica Rivelata da SiPm 3x3 e 5x5 mm 2 in funzione del numero di elettroni incidenti

Carica Rivelata in funzione del numero di elettroni incidenti

Detector response vs beam positions One electron E-detector F-detector X y -30 mm +30 +12 186.8 189.3 188.0 184.2 188.9 185.2 -12 - 186.4 X y -30 mm +30 +12 119.1 123.6 120.4 120.6 124.6 -12 - 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)