eng
Выпуск #1/2016
С.Каталанотти, А Кокко, Дж.Ковоне, М. Инкекко, Дж.Фиорилло, Дж. Корга, Б. Росси, С.Уолкер
Характеристики кремниевого фотоумножителя SensL-30035-16p при температуре жидкого аргона
Характеристики кремниевого фотоумножителя SensL-30035-16p при температуре жидкого аргона
Просмотры: 2566
Поиск частицы темной материи с энергией ТэВ экспериментаторы связывают с использованием детекторов, способных обнаружить WIMP-нуклоны (Weakly Interactive Massive Particles – слабовзаимодействующие массивные частицы).
Теги: registration of the high energy cosmic particles silicon photomultiplier array кремниевые фотоумножители регистрация высокоэнергетичных космических частиц
В
проводимых ранее экспериментах по поиску частиц темной материи (например, Xenon, LUX, Darkside, AtDM) в качестве фотоприемников использовали фотоэлектронные умножители (ФЭУ), охлажденные до криогенных температур. Однако, в качестве альтернативы им привлекательным инструментом являются матрицы кремниевых фотоумножителей (Si-ФЭУ матрицы), которые показывают непревзойденные результаты при детектировании одиночных фотонов. В статье описаны характеристики матрицы кремниевого фотоумножителя SensL-30035-16P и выполненного на заказ криогенного интерфейса, работающего при температуре жидкого аргона. Представлены следующие характеристики, демонстрирующие максимальную эффективность обнаружения фотонов: VOV = 3,5 В (перенапряжение), разрешение одного фотоэлектрона (около 8%), скорость темнового счета (около 250 Гц для всей матрицы) и коррелированные импульсы (30%).[1]
Введение
По всему миру было проведено несколько экспериментов с целью наблюдения низкой энергии отдачи ядра, вызванной рассеянием WIMP-нуклона на ядре-мишени в сверхчувствительных, низкофоновых детекторах.
В последние несколько десятилетий детекторы на инертной жидкости, предназначенные для поиска темной материи в виде WIMP-нуклона, установили новые пределы путем повышения чувствительности. Текущие детекторы темной материи, использующие инертные жидкости, имеют эффективную целевую массу в диапазоне от 100 кг до величин, кратных тонне (например, LUX [1], Xenon-1T [2], DarkSide [3–5]). Сотни трехдюймовых ФЭУ используются в этих детекторах для точного измерения сцинтилляционного света от жидкого аргона (128 нм смещается до 420 нм) и жидкого ксенона (170 нм).
Привлекательной альтернативой использования ФЭУ является использование кремниевого ФЭУ (Si-ФЭУ). Si-ФЭУ – это лавинный фотодиод, работающий в режиме Гейгера, который имеет гораздо меньший внутренний радиоактивный фон [6] и меньший вес, в дополнение к непревзойденным характеристикам при детектировании одного фотона. Si-ФЭУ обладают линейной характеристикой с высоким усилением м.б. 106-107, им свойственны также низкий внутренний радиационный фон, низкое рабочее напряжение и малая потребляемая мощность. Si-ФЭУ могут серийно изготавливаться для недорого массового производства.
Экспериментальная установка и сбор данных
На рис.1 показана схема экспериментальной установки. Матрица Si-ФЭУ, установленная на внешнем интерфейсе криогенной платы, расположена в сосуде Дьюара из нержавеющей стали диаметром 25 см и высотой 100 см, с внутренним объемом приблизительно 50 литров. Сосуд Дьюара закрыт фланцем из нержавеющей стали и оснащен набором фланцев меньшего размера со сквозными соединениями, предназначенными для подачи жидкого аргона (LAr), для канала ввода, охладительного элемента, считывания сигналов Si-ФЭУ, подачи напряжения смещения на Si-ФЭУ, соединения датчиков температуры и для передачи лазерного излучения через оптическое волокно.
Опорная конструкция для крепления матрицы Si-ФЭУ состоит из набора трех медных пластин (рис.2). Верхняя пластина привинчивается к охладительному элементу для обеспечения хорошего теплового контакта. Помимо этого, расположенные на разных высотах три медных стержня поддерживают пластину, на которой размещается волоконно-оптический соединитель (средняя пластина), и плату считывания Si-ФЭУ матрицы с датчиком температуры (нижняя пластина). Для освещения всех Si-ФЭУ матриц пластина содержит волоконно-оптический соединитель, закрепленный приблизительно в 10 см над матрицами. Световые импульсы генерируются генератором импульсов Hamamatsu PLP10, оснащенным 408-нм лазером с длительностью импульса 70 пс. Для выбора величины освещенности, падающей на фотодатчик, лазерный луч проходит через оптический аттенюатор с дискретными фильтрами с различными коэффициентами затухания.
Перед тем как начинать принимать данные, сначала откачивают криостат до достижения остаточного давления в 10–4 мбар, а затем заполняют его жидким аргоном. Уровень жидкого аргона в криостате контролируется при помощи двух датчиков температуры PT1000 и откалиброванного контроллера CRYOCON 32. Первый датчик PT1000 (низкий уровень) располагается на той же высоте, что и матрица Si-ФЭУ, а второй (высокий уровень) на несколько сантиметров выше вывода оптического волокна. Операция наполнения жидкого аргона прекращается через 15 мин после достижения высокого уровня. Охладитель поддерживает постоянный уровень жидкого аргона для того, чтобы обеспечить постоянные термодинамические условия на всем протяжении работы аппарата.
Напряжение смещения подается через малошумящий источник питания (TTi QL355TP) и через 10-кОм резистор. Плата считывания сигнала с матрицы Si-ФЭУ, описанная в ыше, имеет два выхода, которые передают выходной сигнал из криостата через сигнальный фланец со сквозным соединением на внешний (сделанный на заказ) NIM-усилитель (усиление в 10 раз). Выходной сигнал с усилителя поступает на АЦП с дискретизацией в 4 нм и разрешением 12 бит. АЦП подключен через оптический канал связи к ПК для обработки, хранения и анализа данных.
Криогенная плата считывания
До недавнего времени главным препятствием использования Si-ФЭУ в качестве альтернативы ФЭУ в экспериментах по поиску черной материи с помощью инертной жидкости считался их малый размер активной области.
В последние годы был достигнут значительный прогресс за счет увеличения эффективной площади кремниевых детекторов путем объединения чипов Si-ФЭУ в массивы (матрицы Si-ФЭУ). На данный момент массивы уже имеют размер порядка 5 Ч 5 см 2 [7].Серийно выпускаемые большие матрицы кремниевых фотоумножителей обычно снабжены общим разъемом для контроля всех чипов Si-ФЭУ и числа выходных контактов к эквивалентному числу Si-ФЭУ, установленных в матрице. В большой криогенной аппаратуре О (10 т) необходимо минимизировать количество каналов приема сигнала с фотодатчика по нескольким причинам. Количество выходных сигнальных кабелей следует уменьшать, так как они увеличивают тепловую нагрузку системы и тем самым влияют на увеличение расходов, связанных с уменьшением радиоактивного фона. Кроме того, большое количество каналов усложняет конструкцию детектора и криогенной системы. Крайне важно найти решение для снижения количества каналов с целью обеспечения стабильной работы матрицы Si-ФЭУ.
Для решения этой проблемы было решено использовать активную интерфейсную плату, расположенную рядом с матрицей Si-ФЭУ, работающую при криогенной температуре. Интерфейсная плата использовалась для суммирования выходных сигналов от нескольких чипов Si-ФЭУ без искажения формы импульса (например, время перезарядки должно быть постоянным).
Интерфейсная плата связана с матрицей SensL 30035–16P (рис.3), которая состоит из чипов Si-ФЭУ, расположенных в формате 4 Ч 4, размером 3 Ч 3 мм 2 каждый (см. таблицу). Интерфейсная плата передает выходные сигналы с восьми чипов Si-ФЭУ через электрическую схему (рис.4), в результате чего суммируются два выходных канала восьми Si-ФЭУ чипов. Интерфейсная плата и матрица Si-ФЭУ продемонстрировали хорошую механическую прочность и работу без отказа в режиме охлаждения и нагревания.
Сбор данных
Исследование характеристик платы считывания в сочетании с матрицей Si-ФЭУ осуществляли при температуре жидкого аргона. Были исследованы следующие характеристики: напряжение пробоя, время восстановления, спектр и разрешение одного фотоэлектрона, скорость темнового счета, коррелированные импульсы и относительная эффективность обнаружения фотонов. Полученные характеристики были представлены графически в зависимости от напряжения смещения Vbias. Каждый этап получения данных состоял из 100000 импульсов при приложенном напряжении смещения с буферной памятью 5 мкс и временем до запуска 2 мкс. Для исследования одного фотоэлектрона был использован импульсный лазер с частотой повторения 10 кГц. Для отправки нескольких фотонов для каждого запуска на фотодатчик лазерное излучение проходило через систему дискретных аттенюаторов.
Спектр одного фотоэлектрона был реконструирован путем интеграции области сигнала в округ триггера 800 нс. Отклик одного фотоэлектрона матрицы Si-ФЭУ для каждого значения напряжения смещения Vсм считывался путем интерполяции первого фотоэлектронного пика однофотоэлектронного спектра по форме Гаусса, как показано на рис.5. Разрешение одного фотоэлектрона определялось как
,
где – среднеквадратичное отклонение гауссовой интерполяции первого фотоэлектронного спектра.
Результаты
Отклик и разрешение
одного фотоэлектрона
На рис.6 показан график зависимости отклика одного фотоэлектрона для платы считывания матрицы Si-ФЭУ (рабочая функция) от напряжения смещения Vbias при температуре жидкого аргона. Полученные значения хорошо интерполируются. Рабочий режим демонстрирует линейную зависимость напряжения смещения. Как и ожидалось, результат интерполяции демонстрирует значение напряжения пробоя меньше, чем значение напряжения пробоя при комнатной температуре.
Низкое разрешение одного фотоэлектрона является важным параметром, демонстрирующим преимущество матриц Si-ФЭУ перед ФЭУ. Суммирование нескольких каналов матрицы Si-ФЭУ через плату считывания может испортить разрешение одного фотоэлектрона по двум причинам: во‑первых, существует разброс напряжения пробоя Vbd среди чипов Si-ФЭУ, установленных на матрицу, что дает разное усиление для каждого канала; во‑вторых, большая входная емкость каждого чипа Si-ФЭУ (около 1 нФ) может увеличить электронный шум и уменьшить отношение сигнал-шум.
На рис.7 показан график зависимости разрешения одного фотоэлектрона от перенапряжения (Vov = Vbias – Vbd). Видно, что этот показатель уменьшается при значении перенапряжения VOV ≈ 5 B и составляет 5%. Эффективность работы платы считывания подтверждается результатами наших измерений. На данном этапе становится возможной интеграция матриц Si-ФЭУ еще больших размеров с большим количеством каналов, выполненных по аналогичной технологии.
Исследование формы импульса
Время восстановления – важный параметр Si-ФЭУ, влияющим на форму импульса. Время восстановления определяется как τrec=Cd·Rq, где Cd – емкость диода и Rq – сопротивление шунтирующего резистора. Для поликристаллического кремния сопротивление шунтирующего резистора Rq увеличивается с уменьшением температуры. Таким образом, длительность импульса при температуре жидкого аргона больше, чем при комнатной температуре. Указанное свойство может повлиять на эксперименты по определению темной материи с использованием жидкого аргона, искажая качество дискриминации импульсов по форме. Это происходит тогда, когда время восстановления слишком велико по отношению к быстрой компоненте сцинтилляционного света. Обычно время интегрирования составляет 90 нс [5].
Мы провели точную оценку постоянной времени восстановления с выхода восьми просуммированных каналов матрицы Si-ФЭУ путем интерполяции заднего фронта усредненного сигнала (100 000 импульсов). Результатом интерполяции стало построение экспоненциальной кривой. Результаты интерполяции показаны на рис.8, где время восстановления может быть оценено как τ = 343 ± 5 нс. Данный результат согласуется со значением, полученным при измерении времени восстановления одного единственного чипа Si-ФЭУ из всей матрицы при температуре жидкого аргона.
Параллельные емкости восьми суммированных чипов Si-ФЭУ снижают пропускную способность усилителя. На рис.9 крупным планом показан передний фронт усредненного сигнала (100 000 импульсов). Полученный передний фронт слегка замедляется (около ~20 нс) по отношению к времени нарастания одного чипа Si-ФЭУ (несколько наносекунд).
Относительная эффективность обнаружения фотонов и коррелированные импульсы
Каждое конкретное применение Si-ФЭУ требует оптимального выбора рабочего напряжения для регулировки характеристик сигнала (усиление, эффективность обнаружения фотона, временное разрешение и т. д.) с шумом (скорость темного счета, перекрестные помехи и остаточная пульсация). Далее будут рассмотрены эксперименты, определяющие влияние перекрестных помех и остаточной пульсации на характеристики фотоприемника, которые будут полезны для оптимизации метода, описанного в работе [8].
Спектр одного фотоэлектрона является типичным экспериментальным результатом обнаружения нескольких фотонов путем детектирования коротких импульсов. На рис.5 показан пример гистограммы спектра одного фотоэлектрона, где распределение выходного заряда отражает вероятности обнаружения импульсов фотоотклика, равные 0, 1, 2, и более провзаимодействовавших пикселов (именуемые как фотоэлектроны). Узкие пики гистограммы, связанные с низким избыточным шумом умножения заряда, делают Si-ФЭУ прекрасным устройством для подсчета фотонов. При отсутствии коррелированных импульсов распределение вероятности происходит по закону Пуассона. Однако когда перекрестные помехи и остаточная пульсация преобладают, от пуассоновского распределения вероятности.
Проведенные измерения относительной эффективности показали отклонение фотона PDE (λ) и коррелированных импульсов относительно напряжения смещения Vbias. Измерения выполнялись в следующей последовательности. Сначала проводилась дискретизация спектра одного фотоэлектрона при каждом значении напряжения и при различных температурах, а затем рассчитывались среднее значение и дисперсия исследуемой величины. Согласно работе [8], среднее значение дискретного распределения спектра () одного фотоэлектрона может быть представлено в:
,
причем дисперсия рассчитывалась как
,
где р – вероятность дублирования, с учетом отклонения спектра одного фотоэлектрона от закона Пуассона; λ – длина волны, широко используется в оценке эффективности обнаружения фотонов, когда известно среднее число фотонов детектируемых в импульсе (Nph) λ = Nph · PDE.
Абсолютную оценку эффективности обнаружения фотонов невозможно было осуществить в нашей экспериментальной установке. Тем не менее мы провели измерение эффективности обнаружения фотонов в зависимости от перенапряжения (рис. 10). В частности, мы построили отношение λ при заданном перенапряжении к λ при значении перенапряжения в 0,8 В (самое малое полученное значение перенапряжения). График рис.10 показывает, что эффективность обнаружения фотонов возрастает до определенного значения перенапряжения. Стоит отметить, что максимальное значение эффективности обнаружения фотонов достигается примерно при VОV = 3,5 В.
Измерение вероятности появления коррелированного импульса проводилось при максимальном значении эффективности обнаружения фотонов путем установки значения перенапряжения. На рис.11 показана вероятность появления коррелированного импульса в зависимости от перенапряжения. Значение этой величины возрастает при увеличении перенапряжения и при значении перенапряжения VOV =3,5 В составляет 30%.
Скорость темнового счета при температуре жидкого аргона
Скорость темнового счета была рассчитана через алгоритм поиска максимума, который заключался в поиске максимума в диапазоне времени захвата для кажлого тригеррного сигнала для каждого периода. Максимумы, обнаруженные до начала запуска опорного лазерного импульса, были подсчитаны. Скорость темнового счета рассчитывалась согласно формуле
,
где Tpre = 2 ∙ 10–6 – время до пуска, – количество триггерных событий для каждого пуска, A = 9 мм2 – активная площадь поверхности чипа Si-ФЭУ и Ndies = 8 количество чипов Si-ФЭУ, суммированных на плате считывания. Зависимость скорости темного счета (выраженная в Гц/мм2) от перенапряжения Vov = Vbias – Vbd при температуре жидкого аргона показана на рис.12. Полученные данные превзошли все ожидания, демонстрируя скорость темнового счета на четыре порядка ниже при сравнении со скоростью темнового счета при комнатной температуре (~МГц/мм2). Для сравнения матрица Si-ФЭУ, эквивалентная по размеру 3-дюймовому ФЭУ (3000 мм2), будет иметь скорость темнового счета около 10 кГц при температуре жидкого аргона. Этот результат демонстрирует перспективные возможности Si-ФЭУ, позволяя провести замену криогенных ФЭУ на матрицы Si-ФЭУ больших размеров.
Заключение
Кремниевые фотоумножители становятся перспективными устройствами следующего поколения для поиска темной материи на базе инертных жидкостей. Размеры матриц Si-ФЭУ в настоящее время сопоставимы с размерами 3-дюймовых ФЭУ. Производственный прогресс за последние годы сделал Si-ФЭУ очень привлекательными для замены ФЭУ при использовании в криогенной среде, как показано в работе [9]. В частности, матрица SensL-30035–16P может работать при температуре жидкого аргона в сочетании с платой считывания, усиливающей сигнал для уменьшения количества выходных каналов без искажения формы импульса. Помимо этого, характеристики матрицы Si-ФЭУ при VOV = 3,5 В (что соответствует коэффициенту усиления примерно в 3 ∙ 106 раз) демонстрируют максимальную эффективность обнаружения фотонов, разрешение одного фотоэлектрона (около 8%), скорость темнового счета (около 250 Гц для всей матрицы Si-ФЭУ) и коррелированные импульсы (30%) [10].
Литература
1. LUX collaboration, Akerib D.S. et al. First results from the LUX dark matter experiment at the Sanford Underground Research Facility. – Phys. Rev. Lett., 112 (2014) 091303 [arXiv: 1310.8214].
2. XENON 100 collaboration, Aprile E. et al. Limits on spin-dependent WIMP-nucleon cross sections from 225 live days ofXENON100 data. – Phys. Rev Lett., 111, 2013, 021301 [arXiv: 1301.6620].
3. DarkSide collaboration, Alexander et T. et al. DarkSide search for dark matter. – JINST, 2013, 8 C11021.
4. Aalseth C.E. et al. The DarkSide multiton detector for the direct dark matter search. – Adv. High Energy Phys., 2015, 541362.
5. DarkSide collaboration, Agnes P. et al. First results from the DarkSide-50 dark matter experiment at Laboratori Nazionali del Gran Sasso. – Phys. Lett., В 743, 2015, 456 [arXiv: 1410. 0653].
6. NEXT collaboration, Cebrian S. et al. Radiopurity assessment of the tracking readout for the NEXT double beta decay experiment. – JINST, 2015, 10 P05006 [arXiv: 1411. 1433].
7. SensL Array-SMT specifications webpage.
8. http://sensl.com/products/silicon-photomultipliers/array-smt/array-smt-speciflcations/.
9. Vinogradov S. et al. Probability distribution and noise factor of solid state photomultiplier signals with cross-talk and afterpulsing. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf Rec., 2009, N25, v.111, p.1496.
10. Whittington D. and Mufson S. Scintillation light from cosmic-ray muons in liquid argon. – submitted to Phys. Rev D, 2014, [arXiv: 1408.1763].
--------------------------------------------------------------------------------
[1] Перевод статьи Performance of a SensL-30035-16P Silicon Photomultiplier array at liquid argon temperature – JINST, 2015, 10/08/PO8013; doi: 10.1088/1748–0221/10/08/PO8013. Предоставлен компанией ЗАО "НТК "АЗИМУТ ФОТОНИКС".
проводимых ранее экспериментах по поиску частиц темной материи (например, Xenon, LUX, Darkside, AtDM) в качестве фотоприемников использовали фотоэлектронные умножители (ФЭУ), охлажденные до криогенных температур. Однако, в качестве альтернативы им привлекательным инструментом являются матрицы кремниевых фотоумножителей (Si-ФЭУ матрицы), которые показывают непревзойденные результаты при детектировании одиночных фотонов. В статье описаны характеристики матрицы кремниевого фотоумножителя SensL-30035-16P и выполненного на заказ криогенного интерфейса, работающего при температуре жидкого аргона. Представлены следующие характеристики, демонстрирующие максимальную эффективность обнаружения фотонов: VOV = 3,5 В (перенапряжение), разрешение одного фотоэлектрона (около 8%), скорость темнового счета (около 250 Гц для всей матрицы) и коррелированные импульсы (30%).[1]
Введение
По всему миру было проведено несколько экспериментов с целью наблюдения низкой энергии отдачи ядра, вызванной рассеянием WIMP-нуклона на ядре-мишени в сверхчувствительных, низкофоновых детекторах.
В последние несколько десятилетий детекторы на инертной жидкости, предназначенные для поиска темной материи в виде WIMP-нуклона, установили новые пределы путем повышения чувствительности. Текущие детекторы темной материи, использующие инертные жидкости, имеют эффективную целевую массу в диапазоне от 100 кг до величин, кратных тонне (например, LUX [1], Xenon-1T [2], DarkSide [3–5]). Сотни трехдюймовых ФЭУ используются в этих детекторах для точного измерения сцинтилляционного света от жидкого аргона (128 нм смещается до 420 нм) и жидкого ксенона (170 нм).
Привлекательной альтернативой использования ФЭУ является использование кремниевого ФЭУ (Si-ФЭУ). Si-ФЭУ – это лавинный фотодиод, работающий в режиме Гейгера, который имеет гораздо меньший внутренний радиоактивный фон [6] и меньший вес, в дополнение к непревзойденным характеристикам при детектировании одного фотона. Si-ФЭУ обладают линейной характеристикой с высоким усилением м.б. 106-107, им свойственны также низкий внутренний радиационный фон, низкое рабочее напряжение и малая потребляемая мощность. Si-ФЭУ могут серийно изготавливаться для недорого массового производства.
Экспериментальная установка и сбор данных
На рис.1 показана схема экспериментальной установки. Матрица Si-ФЭУ, установленная на внешнем интерфейсе криогенной платы, расположена в сосуде Дьюара из нержавеющей стали диаметром 25 см и высотой 100 см, с внутренним объемом приблизительно 50 литров. Сосуд Дьюара закрыт фланцем из нержавеющей стали и оснащен набором фланцев меньшего размера со сквозными соединениями, предназначенными для подачи жидкого аргона (LAr), для канала ввода, охладительного элемента, считывания сигналов Si-ФЭУ, подачи напряжения смещения на Si-ФЭУ, соединения датчиков температуры и для передачи лазерного излучения через оптическое волокно.
Опорная конструкция для крепления матрицы Si-ФЭУ состоит из набора трех медных пластин (рис.2). Верхняя пластина привинчивается к охладительному элементу для обеспечения хорошего теплового контакта. Помимо этого, расположенные на разных высотах три медных стержня поддерживают пластину, на которой размещается волоконно-оптический соединитель (средняя пластина), и плату считывания Si-ФЭУ матрицы с датчиком температуры (нижняя пластина). Для освещения всех Si-ФЭУ матриц пластина содержит волоконно-оптический соединитель, закрепленный приблизительно в 10 см над матрицами. Световые импульсы генерируются генератором импульсов Hamamatsu PLP10, оснащенным 408-нм лазером с длительностью импульса 70 пс. Для выбора величины освещенности, падающей на фотодатчик, лазерный луч проходит через оптический аттенюатор с дискретными фильтрами с различными коэффициентами затухания.
Перед тем как начинать принимать данные, сначала откачивают криостат до достижения остаточного давления в 10–4 мбар, а затем заполняют его жидким аргоном. Уровень жидкого аргона в криостате контролируется при помощи двух датчиков температуры PT1000 и откалиброванного контроллера CRYOCON 32. Первый датчик PT1000 (низкий уровень) располагается на той же высоте, что и матрица Si-ФЭУ, а второй (высокий уровень) на несколько сантиметров выше вывода оптического волокна. Операция наполнения жидкого аргона прекращается через 15 мин после достижения высокого уровня. Охладитель поддерживает постоянный уровень жидкого аргона для того, чтобы обеспечить постоянные термодинамические условия на всем протяжении работы аппарата.
Напряжение смещения подается через малошумящий источник питания (TTi QL355TP) и через 10-кОм резистор. Плата считывания сигнала с матрицы Si-ФЭУ, описанная в ыше, имеет два выхода, которые передают выходной сигнал из криостата через сигнальный фланец со сквозным соединением на внешний (сделанный на заказ) NIM-усилитель (усиление в 10 раз). Выходной сигнал с усилителя поступает на АЦП с дискретизацией в 4 нм и разрешением 12 бит. АЦП подключен через оптический канал связи к ПК для обработки, хранения и анализа данных.
Криогенная плата считывания
До недавнего времени главным препятствием использования Si-ФЭУ в качестве альтернативы ФЭУ в экспериментах по поиску черной материи с помощью инертной жидкости считался их малый размер активной области.
В последние годы был достигнут значительный прогресс за счет увеличения эффективной площади кремниевых детекторов путем объединения чипов Si-ФЭУ в массивы (матрицы Si-ФЭУ). На данный момент массивы уже имеют размер порядка 5 Ч 5 см 2 [7].Серийно выпускаемые большие матрицы кремниевых фотоумножителей обычно снабжены общим разъемом для контроля всех чипов Si-ФЭУ и числа выходных контактов к эквивалентному числу Si-ФЭУ, установленных в матрице. В большой криогенной аппаратуре О (10 т) необходимо минимизировать количество каналов приема сигнала с фотодатчика по нескольким причинам. Количество выходных сигнальных кабелей следует уменьшать, так как они увеличивают тепловую нагрузку системы и тем самым влияют на увеличение расходов, связанных с уменьшением радиоактивного фона. Кроме того, большое количество каналов усложняет конструкцию детектора и криогенной системы. Крайне важно найти решение для снижения количества каналов с целью обеспечения стабильной работы матрицы Si-ФЭУ.
Для решения этой проблемы было решено использовать активную интерфейсную плату, расположенную рядом с матрицей Si-ФЭУ, работающую при криогенной температуре. Интерфейсная плата использовалась для суммирования выходных сигналов от нескольких чипов Si-ФЭУ без искажения формы импульса (например, время перезарядки должно быть постоянным).
Интерфейсная плата связана с матрицей SensL 30035–16P (рис.3), которая состоит из чипов Si-ФЭУ, расположенных в формате 4 Ч 4, размером 3 Ч 3 мм 2 каждый (см. таблицу). Интерфейсная плата передает выходные сигналы с восьми чипов Si-ФЭУ через электрическую схему (рис.4), в результате чего суммируются два выходных канала восьми Si-ФЭУ чипов. Интерфейсная плата и матрица Si-ФЭУ продемонстрировали хорошую механическую прочность и работу без отказа в режиме охлаждения и нагревания.
Сбор данных
Исследование характеристик платы считывания в сочетании с матрицей Si-ФЭУ осуществляли при температуре жидкого аргона. Были исследованы следующие характеристики: напряжение пробоя, время восстановления, спектр и разрешение одного фотоэлектрона, скорость темнового счета, коррелированные импульсы и относительная эффективность обнаружения фотонов. Полученные характеристики были представлены графически в зависимости от напряжения смещения Vbias. Каждый этап получения данных состоял из 100000 импульсов при приложенном напряжении смещения с буферной памятью 5 мкс и временем до запуска 2 мкс. Для исследования одного фотоэлектрона был использован импульсный лазер с частотой повторения 10 кГц. Для отправки нескольких фотонов для каждого запуска на фотодатчик лазерное излучение проходило через систему дискретных аттенюаторов.
Спектр одного фотоэлектрона был реконструирован путем интеграции области сигнала в округ триггера 800 нс. Отклик одного фотоэлектрона матрицы Si-ФЭУ для каждого значения напряжения смещения Vсм считывался путем интерполяции первого фотоэлектронного пика однофотоэлектронного спектра по форме Гаусса, как показано на рис.5. Разрешение одного фотоэлектрона определялось как
,
где – среднеквадратичное отклонение гауссовой интерполяции первого фотоэлектронного спектра.
Результаты
Отклик и разрешение
одного фотоэлектрона
На рис.6 показан график зависимости отклика одного фотоэлектрона для платы считывания матрицы Si-ФЭУ (рабочая функция) от напряжения смещения Vbias при температуре жидкого аргона. Полученные значения хорошо интерполируются. Рабочий режим демонстрирует линейную зависимость напряжения смещения. Как и ожидалось, результат интерполяции демонстрирует значение напряжения пробоя меньше, чем значение напряжения пробоя при комнатной температуре.
Низкое разрешение одного фотоэлектрона является важным параметром, демонстрирующим преимущество матриц Si-ФЭУ перед ФЭУ. Суммирование нескольких каналов матрицы Si-ФЭУ через плату считывания может испортить разрешение одного фотоэлектрона по двум причинам: во‑первых, существует разброс напряжения пробоя Vbd среди чипов Si-ФЭУ, установленных на матрицу, что дает разное усиление для каждого канала; во‑вторых, большая входная емкость каждого чипа Si-ФЭУ (около 1 нФ) может увеличить электронный шум и уменьшить отношение сигнал-шум.
На рис.7 показан график зависимости разрешения одного фотоэлектрона от перенапряжения (Vov = Vbias – Vbd). Видно, что этот показатель уменьшается при значении перенапряжения VOV ≈ 5 B и составляет 5%. Эффективность работы платы считывания подтверждается результатами наших измерений. На данном этапе становится возможной интеграция матриц Si-ФЭУ еще больших размеров с большим количеством каналов, выполненных по аналогичной технологии.
Исследование формы импульса
Время восстановления – важный параметр Si-ФЭУ, влияющим на форму импульса. Время восстановления определяется как τrec=Cd·Rq, где Cd – емкость диода и Rq – сопротивление шунтирующего резистора. Для поликристаллического кремния сопротивление шунтирующего резистора Rq увеличивается с уменьшением температуры. Таким образом, длительность импульса при температуре жидкого аргона больше, чем при комнатной температуре. Указанное свойство может повлиять на эксперименты по определению темной материи с использованием жидкого аргона, искажая качество дискриминации импульсов по форме. Это происходит тогда, когда время восстановления слишком велико по отношению к быстрой компоненте сцинтилляционного света. Обычно время интегрирования составляет 90 нс [5].
Мы провели точную оценку постоянной времени восстановления с выхода восьми просуммированных каналов матрицы Si-ФЭУ путем интерполяции заднего фронта усредненного сигнала (100 000 импульсов). Результатом интерполяции стало построение экспоненциальной кривой. Результаты интерполяции показаны на рис.8, где время восстановления может быть оценено как τ = 343 ± 5 нс. Данный результат согласуется со значением, полученным при измерении времени восстановления одного единственного чипа Si-ФЭУ из всей матрицы при температуре жидкого аргона.
Параллельные емкости восьми суммированных чипов Si-ФЭУ снижают пропускную способность усилителя. На рис.9 крупным планом показан передний фронт усредненного сигнала (100 000 импульсов). Полученный передний фронт слегка замедляется (около ~20 нс) по отношению к времени нарастания одного чипа Si-ФЭУ (несколько наносекунд).
Относительная эффективность обнаружения фотонов и коррелированные импульсы
Каждое конкретное применение Si-ФЭУ требует оптимального выбора рабочего напряжения для регулировки характеристик сигнала (усиление, эффективность обнаружения фотона, временное разрешение и т. д.) с шумом (скорость темного счета, перекрестные помехи и остаточная пульсация). Далее будут рассмотрены эксперименты, определяющие влияние перекрестных помех и остаточной пульсации на характеристики фотоприемника, которые будут полезны для оптимизации метода, описанного в работе [8].
Спектр одного фотоэлектрона является типичным экспериментальным результатом обнаружения нескольких фотонов путем детектирования коротких импульсов. На рис.5 показан пример гистограммы спектра одного фотоэлектрона, где распределение выходного заряда отражает вероятности обнаружения импульсов фотоотклика, равные 0, 1, 2, и более провзаимодействовавших пикселов (именуемые как фотоэлектроны). Узкие пики гистограммы, связанные с низким избыточным шумом умножения заряда, делают Si-ФЭУ прекрасным устройством для подсчета фотонов. При отсутствии коррелированных импульсов распределение вероятности происходит по закону Пуассона. Однако когда перекрестные помехи и остаточная пульсация преобладают, от пуассоновского распределения вероятности.
Проведенные измерения относительной эффективности показали отклонение фотона PDE (λ) и коррелированных импульсов относительно напряжения смещения Vbias. Измерения выполнялись в следующей последовательности. Сначала проводилась дискретизация спектра одного фотоэлектрона при каждом значении напряжения и при различных температурах, а затем рассчитывались среднее значение и дисперсия исследуемой величины. Согласно работе [8], среднее значение дискретного распределения спектра () одного фотоэлектрона может быть представлено в:
,
причем дисперсия рассчитывалась как
,
где р – вероятность дублирования, с учетом отклонения спектра одного фотоэлектрона от закона Пуассона; λ – длина волны, широко используется в оценке эффективности обнаружения фотонов, когда известно среднее число фотонов детектируемых в импульсе (Nph) λ = Nph · PDE.
Абсолютную оценку эффективности обнаружения фотонов невозможно было осуществить в нашей экспериментальной установке. Тем не менее мы провели измерение эффективности обнаружения фотонов в зависимости от перенапряжения (рис. 10). В частности, мы построили отношение λ при заданном перенапряжении к λ при значении перенапряжения в 0,8 В (самое малое полученное значение перенапряжения). График рис.10 показывает, что эффективность обнаружения фотонов возрастает до определенного значения перенапряжения. Стоит отметить, что максимальное значение эффективности обнаружения фотонов достигается примерно при VОV = 3,5 В.
Измерение вероятности появления коррелированного импульса проводилось при максимальном значении эффективности обнаружения фотонов путем установки значения перенапряжения. На рис.11 показана вероятность появления коррелированного импульса в зависимости от перенапряжения. Значение этой величины возрастает при увеличении перенапряжения и при значении перенапряжения VOV =3,5 В составляет 30%.
Скорость темнового счета при температуре жидкого аргона
Скорость темнового счета была рассчитана через алгоритм поиска максимума, который заключался в поиске максимума в диапазоне времени захвата для кажлого тригеррного сигнала для каждого периода. Максимумы, обнаруженные до начала запуска опорного лазерного импульса, были подсчитаны. Скорость темнового счета рассчитывалась согласно формуле
,
где Tpre = 2 ∙ 10–6 – время до пуска, – количество триггерных событий для каждого пуска, A = 9 мм2 – активная площадь поверхности чипа Si-ФЭУ и Ndies = 8 количество чипов Si-ФЭУ, суммированных на плате считывания. Зависимость скорости темного счета (выраженная в Гц/мм2) от перенапряжения Vov = Vbias – Vbd при температуре жидкого аргона показана на рис.12. Полученные данные превзошли все ожидания, демонстрируя скорость темнового счета на четыре порядка ниже при сравнении со скоростью темнового счета при комнатной температуре (~МГц/мм2). Для сравнения матрица Si-ФЭУ, эквивалентная по размеру 3-дюймовому ФЭУ (3000 мм2), будет иметь скорость темнового счета около 10 кГц при температуре жидкого аргона. Этот результат демонстрирует перспективные возможности Si-ФЭУ, позволяя провести замену криогенных ФЭУ на матрицы Si-ФЭУ больших размеров.
Заключение
Кремниевые фотоумножители становятся перспективными устройствами следующего поколения для поиска темной материи на базе инертных жидкостей. Размеры матриц Si-ФЭУ в настоящее время сопоставимы с размерами 3-дюймовых ФЭУ. Производственный прогресс за последние годы сделал Si-ФЭУ очень привлекательными для замены ФЭУ при использовании в криогенной среде, как показано в работе [9]. В частности, матрица SensL-30035–16P может работать при температуре жидкого аргона в сочетании с платой считывания, усиливающей сигнал для уменьшения количества выходных каналов без искажения формы импульса. Помимо этого, характеристики матрицы Si-ФЭУ при VOV = 3,5 В (что соответствует коэффициенту усиления примерно в 3 ∙ 106 раз) демонстрируют максимальную эффективность обнаружения фотонов, разрешение одного фотоэлектрона (около 8%), скорость темнового счета (около 250 Гц для всей матрицы Si-ФЭУ) и коррелированные импульсы (30%) [10].
Литература
1. LUX collaboration, Akerib D.S. et al. First results from the LUX dark matter experiment at the Sanford Underground Research Facility. – Phys. Rev. Lett., 112 (2014) 091303 [arXiv: 1310.8214].
2. XENON 100 collaboration, Aprile E. et al. Limits on spin-dependent WIMP-nucleon cross sections from 225 live days ofXENON100 data. – Phys. Rev Lett., 111, 2013, 021301 [arXiv: 1301.6620].
3. DarkSide collaboration, Alexander et T. et al. DarkSide search for dark matter. – JINST, 2013, 8 C11021.
4. Aalseth C.E. et al. The DarkSide multiton detector for the direct dark matter search. – Adv. High Energy Phys., 2015, 541362.
5. DarkSide collaboration, Agnes P. et al. First results from the DarkSide-50 dark matter experiment at Laboratori Nazionali del Gran Sasso. – Phys. Lett., В 743, 2015, 456 [arXiv: 1410. 0653].
6. NEXT collaboration, Cebrian S. et al. Radiopurity assessment of the tracking readout for the NEXT double beta decay experiment. – JINST, 2015, 10 P05006 [arXiv: 1411. 1433].
7. SensL Array-SMT specifications webpage.
8. http://sensl.com/products/silicon-photomultipliers/array-smt/array-smt-speciflcations/.
9. Vinogradov S. et al. Probability distribution and noise factor of solid state photomultiplier signals with cross-talk and afterpulsing. – IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf Rec., 2009, N25, v.111, p.1496.
10. Whittington D. and Mufson S. Scintillation light from cosmic-ray muons in liquid argon. – submitted to Phys. Rev D, 2014, [arXiv: 1408.1763].
--------------------------------------------------------------------------------
[1] Перевод статьи Performance of a SensL-30035-16P Silicon Photomultiplier array at liquid argon temperature – JINST, 2015, 10/08/PO8013; doi: 10.1088/1748–0221/10/08/PO8013. Предоставлен компанией ЗАО "НТК "АЗИМУТ ФОТОНИКС".
Отзывы читателей
