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Caracterización de un fotomultiplicador de silicio

Objetivos de la práctica

  • Determinar algunos de los parámetros óptimos de digitalización de señales provenientes de SiPMs.
  • Obtener la respuesta espectral del sensor Hamamatsu S10362‐11‐100C utilizando un LED pulsado ultra rápido.
  • Comprobar experimentalmente la dependencia de la tasa de cuentas oscuras (Dark Count Rate - DCR) obtenidas en función del voltaje umbral del discriminador (Threshold)
  • Determinar la ganancia del fotomultiplicador
  • Comprobar experimentalmente la dependencia de la ganancia del fotomultiplicador con el voltaje de polarización (BIAS)
  • Obtener la resolución del SiPM

Materiales y equipos

  • Módulo digitalizador DT5720A
  • Módulo de alimentación y amplificación SP5600
  • Módulo LED Driver SP5601
  • Soporte para montaje de fotomultiplicador SP5650C
  • Cable de fibra óptica con conectores SMA

  • Cables diversos MCX, LEMO, USB

  • Jupyter notebook: https://gitmilab.redclara.net/sarmientoc/scripts_varios/-/blob/master/SiPM_peaks.ipynb

  • Repositorio: https://gitmilab.redclara.net/laconga/tareas-modulo-de-instrumentacion-2022

Montaje experimental y toma de datos

Este montaje experimental está compuesto de los siguientes elementos,

  • Módulo digitalizador DT5720A
  • Módulo de alimentación y amplificación SP5600
  • Módulo LED Driver SP5601
  • Soporte para montaje de fotomultiplicador SP5650C
  • Cable de fibra óptica con conectores SMA
  • Cables diversos MCX, LEMO, USB

Parte 0: Preparación

  • Revisitar el material (slides + videos) discutido durante la clase
  • Leer la guía 0 con los detalles para el acceso remoto a los laboratorios
  • Un jupyter notebook disponible con los datos de los espectros cargados que necesitarás para las partes 2,3,4 de la práctica
    • Conéctate a tu cuenta gitlab
    • Has un fork de este repositorio: https://gitmilab.redclara.net/laconga/tareas-modulo-de-instrumentacion-2022/practica-espectroscopia-fotones-2022/-/tree/main/
    • Clona el fork de tu repositorio en https://jupyter.redclara.net
  • Trabajaremos en grupos (de 3 personas)
  • Los horarios de conexión de cada grupo están disponibles en las slides discutidas durante la clase. Por favor respetar los horarios de conexión establecidos!

Apuntarnos a un solo notebook por grupo para la corrección!

Parte 1: Parámetros de digitalización.

Como se menciona en el video, el Digitizer Panel tiene la opción de programar parámetros como Gate y PreGate que son necesarios para la digitalización de las señales. Estos parámetros determinan ventanas de tiempo necesarias para integrar señales generadas por las celdas de los SiPMs y el tiempo en avance que hay entre la señal de trigger que el led provee y el rising edge del Waveform. En esta primera parte vamos a tratar de entender mejor el significado de estos valores y su efecto en los histogramas recolectados.

  1. En el panel del Digitizer identifique dónde está el parámetro Gate y Pregate. Fije un Gate de 500 ns y un Pregate aproximadamente del 40 % del valor del gate, los valores son aplicados por el digitalizador al presionar el botón UPDATE ubicado en la parte inferior de dicho panel. En el panel de HERA busque la ventana Waveform, seleccione y ejecute START, que observa? Detenga la toma de datos usando el botón PAUSE, describa lo que observa. Modifique el valor de Pregate y en el panel de HERA use Single Shot para ir observando lo que pasa. Finalmente, registre un histograma usando los parámetros de Gate y Pregate iniciales, tome datos durante 5 minutos.
  2. Ejecuta el procedimiento anterior para un Gate de 100 ns.
  3. Realice el mismo procedimiento descrito en el punto 1 para un Gate de 200 ns.

Parte 2: Respuesta Espectral del SiPM

A partir de la comparación de los histogramas tomados en la parte 1, responda: Cuál cree Ud que son los valores de los parámetros Gate y Pregate a ser usados?

  1. Con los valores definidos tome un histograma con un tiempo de adquisición de 10 minutos. Note el valor de ganancia del PSUA.
  2. En el panel del PSAU identifique dónde puede modificar el BIAS aplicado al SiPM.
  3. Realice un barrido de voltajes empezando en 55V y terminando en 57V (Nunca sobrepase los 57 V de lo contrario puede dañar permanente el SiPM) y tome histogramas siguiendo el procedimiento descrito en el ítem 1 de esta Parte 2. Use por lo menos tres valores de voltaje.

Parte 3: Medida del Dark Count rate

En este apartado vamos a usar la función Staircase disponible en el HERA en la pestaña frequency vs threshold para determinar la cantidad de eventos producidos en la ausencia de luz (Dark count) como función del umbral de detección (Trigger Threshold).

  1. Use la función Staircase para determinar la Dark Count rate como función del threshold.
  2. Haga un barrido de voltajes empezando en 55V y terminando en 58V (Nunca sobrepase los 57 V de lo contrario puede dañar permanente el SiPM)

Parte 4: Análisis

  1. Ganancia del SiPM. Calcule la ganancia del sensor para cada uno de los histogramas obtenidos en la Parte 2. Use la siguiente fórmula para el cálculo de la ganancia:
\[ Gain = {\Delta Peaks_{ADC} \cdot ADC_{c.r}\over e} \]

Donde \(\Delta Peaks_{ADC}\) es la separación entre picos adyacentes en el espectro expresados en canales \(ADC\) y \(ADC_{c.r}\) es el factor de conversión de \(ADC\)

\[ ADC_{c.r} = {V_{pp}\over R_{IN}} \cdot {1\over 2^{N bit}} \cdot \Delta t \cdot {1\over G_{PSAU}} \]

Donde \(V_{pp}\) es 2 Voltios, \(R_{IN}\) es la impedancia de entrada equivalente a 50 ohmios, \(N bit\) es 12, la resolución del digitalizador y el tiempo de sampleo es 4 ns (\(\Delta t\)). La ganancia de \(PSAU\) es el valor seleccionado para la toma de datos registrado en el numeral 1 de la parte 2.

  1. Haga una gráfica de la ganancia como función del voltaje BIAS
  2. Resolución de SiPM: Para cada histograma obtenido en la parte 2 determine el poder de resolución del sensor como función del número de pico. Para ello, haga un fit gaussiano a cada pico observable en el espectro y haga una gráficos del sigma obtenido del fit como función de número de pico.
  3. Dark Count Rate

    Para plot obtenido en la sección 1 de la Parte 3, determine el valor medio del primer y segundo plateau. Estos valores corresponden al Dark Count Rate para el 0.5e y 1.5e pico. El Cross Talk Óptico se puede calcular usando esos valores mediante la ecuación:

\[ C.T = {DCR_{1.5e}\over DCR_{0.5e}} \]
  1. Determine el Crosstalk como función del Bias.

Parte 5: Conclusiones

  • Conclusiones, observaciones, comentarios adicionales