Presso l’Osservatorio Astrofisico di Catania, Laboratorio Rivelatori (COLD) dell’INAF, è stato sviluppato un setup di caratterizzazione che permette di misurare i principali parametri caratteristici dei rivelatori di fotoni e in particolare dei Silicon PhotoMultipliers (SiPM) come la Photon Detection Efficiency (PDE), il Cross Talk Ottico (OCT) e la Dark Count Rate (DCR).
Setup
Lo schema utilizzato per determinare questi parametri è mostrato nella seguente figura:
Sorgenti di luce
Nel laboratorio COLD sono disponibili 3 sorgenti laser (405 nm, 450 nm, 635 nm) e 16 sorgenti LED (285-851 nm). Per pilotare le sorgenti LED è stato progettato e costruito un opportuno circuito elettronico che gestisce segnali ultraveloci. Ciò consente di fornire una opportuna tensione di polarizzazione per ciascun LED nonché modularla su diversi livelli per avere un flusso di fotoni appropriato all’interno della sfera di integratrice (che rende omogeneo il flusso di luce sulla superficie dei rivelatori ad essa interfacciati).
Filtri a densità neutra
I Filtri (attenuatori ottici) sono necessari per avere un corretto livello luminoso sul SiPM, che da un lato non porta alla saturazione del rivelatore e dall’altro è sufficientemente alto per avere un buon segnale di corrente rilevato dal fotodiodo campione. Vengono utilizzati filtri neutri (ND30B, ND20B, ND13B, ND10B della Thorlabs) di diversa trasmittanza ottica che sono stati calibrati con elevata precisione per determinare il valore di trasmittanza per ciascuna lunghezza d’onda.
Elettronica front-end
Viene utilizzata la stessa elettronica di front-end utilizzata nel progetto ASTRI, basata sul chip ASIC CITIROC 1A della WEEROC. Usando questa elettronica, il cross talk ottico può essere valutato attraverso misure di Dark Stairs e per la misura della PDE viene valutata attraverso la distribuzione della altezza degli impulsi.
Ulteriori dettagli sulle metodologie di misura e sulla configurazione dell’elettronica possono essere trovati in questo documento: Characterization of the recently manufactured LCT5 and LVR Hamamatsu SiPMs suitable for the preproduction telescopes.
Esempio di risultati sperimentali
I risultati qui mostrati sono ottenuti per i SiPM Hamamatsu serie LCT5. I rivelatori appartenenti a questa serie differiscono per le dimensioni della microcella e per il diverso rivestimento protettivo deposto sulla parte sensibile del sensore. Ulteriori risultati, anche per la serie LVR, sono riportati nel documento sopra citato.
Cross-Talk ottico in funzione della tensione di overvoltage per tutti i SiPM della serie LCT5
PDE a 405 nm in funzione della tensione di overvoltage per la serie LCT5 SiPM
Confronto tra la PDE, nel range spettrale 300-850 nm, per i SiPM della serie LCT5 con microcelle da 75μm e LVR2 con microcelle da 50μm
Risposta rispetto all’angolo di incidenza
Presso il laboratorio COLD dell’INAF di Catania, può essere eseguita anche la misura della risposta fotonica dei rivelatori rispetto all’angolo di incidenza del flusso luminoso utilizzando il set-up sperimentale illustrato di seguito.
Una descrizione dettagliata della configurazione e dei risultati può essere trovata in questo documento: Characterization of a 6×6-mm2 75-μm cell MPPC suitable for the Cherenkov Telescope Array project.
Vista 3D del sistema: 1. Tubo di collimazione; 2. sfera integratrice e sorgente; 3. il sistema di alimentazione e amplificazione del sensore.
Fotografia del sistema attuale.
Esempio di risultati sperimentali
Segnale rilevato a 568 nm rispetto agli angoli di incidenza (punti blu scuro) per il rivelatore di area 6×6 mm2 LCT5 prodotto da Hamamatsu.