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Fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM)

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I SiPM, acronimo di Silicon Photomultipliers, costituiscono la più moderna tipologia di fotorivelatori a stato solido. Sono costituiti da una matrice di fotodiodi a valanga, detti pixel, operanti in modalità Geiger e collegati in parallelo su un comune substrato di Silicio.

Un fotodiodo operante in regime Geiger è un fotodiodo a valanga polarizzato ad una tensione inversa maggiore della tensione di breakdown. In questo modo, nella zona svuotata, si ha un forte campo elettrico tale da trasferire al singolo portatore un grandissimo valore d’energia cinetica che rende sufficiente anche solo una singola coppia elettrone-lacuna per innescare il processo di ionizzazione per impatto e la moltiplicazione a valanga dei portatori.
E’ chiaro che un fotodiodo in cui l’arrivo di un fotone ha innescato la valanga in regime Geiger, non ha possibilità di apprezzare l’arrivo di un secondo fotone. E’ necessario dunque un processo che arresti la valanga, abbassando il campo elettrico ai capi della regione di svuotamento ad un valore tale da non permettere più la moltiplicazione per impatto dei portatori.
Questo si ottiene con l’utilizzo di un circuito di spegnimento detto, in inglese, quenching circuit. Il più semplice circuito di quenching è costituito da una resistenza in serie alla giunzione del fotodiodo :

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Schema semplificato di un SiPM
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Andamento di un impulso prodotto da un SiPM

Nella immagine sopra è riportato l’andamento della corrente e della tensione per un impulso prodotto da un SiPM. Il fronte di salita è molto rapido, dell’ordine dei 10ns. Il fronte di discesa dipende dalla capacità della giunzione e dalla resistenza di quenching, e vale nell’ordine dei 100ns. Il SiPM va polarizzato con una tensione Vbias maggiore della tensione Vbd (Breakdown voltage). La tensione di “overvoltage” va dai 2 ai 4 V. La Vbd ha un valore di circa 28V, ne consegue che la tensione di polarizzazione ha un valore che va dai 28V ai 32V.

Vbd = 28 V
Vov = 2-4 V
Vbias = 30-32 V

I SiPM presentano un rumore non trascurabile, denominato “dark current”. Il fenomeno della dark current è spiegato dalla generazione spontanea, per effetto termico, di coppie elettrone-lacuna nella regione svuotata. Questo è dovuto alla presenza di centri di generazione-ricombinazione che hanno un livello energetico posto circa a metà gap fra la banda di valenza e la banda di conduzione. La presenza dei centri di ricombinazione nasce dalle imperfezioni presenti nel reticolo cristallino che introducono livelli energetici all’interno del gap.

Sonda a Scintillazione Gamma con SiPM e cristallo LYSO

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Il cristallo LYSO ed il SiPM sono stati accoppiati come si vede nella prima immagine a destra, utilizzando una colla ottica per fissare il cristallo alla superficie del sensore. Nella immagine non si vede, ma il cristallo LYSO è stato avvolta con nastro di teflon bianco in modo da aumentare la riflettività e quindi l’efficienza.
SiPM e LYSO sono stati poi inseriti in un tubo di plastica ricoperto con nastro adesivo e nastro di alluminio, in modo da assicurare la tenuta alla luce.
All’interno del tubo di plastica è stata inserita della gommapiuma al fine di mantenere “in battuta” il cristallo sulla finestra anteriore e proteggere il sensore da urti accidentali.

SiPM Adapter

Il segnale prodotto dal SiPM è molto breve e di ampiezza limitata (50-100mV). Per essere acquisito daun sistema MCA deve essere opportunamente sagomato e successivamente amplificato. Il primo stadio del SiPM adapter è costituito dal circuito di polarizzazione ed estrazione dell’impulso. La resistenza di carico R1 è posta verso Vbias, mentre l’anodo del SiPM è collegato a massa, questo permette di ottenere impulsi negativi, in modo che, dopo l’inversione prodotta dallo stadio di amplificazione, si ottengano impulsi positivi da inviare al sistema MCA.

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Circuito di polarizzazione ed estrazione dell’impulso

Le due celle passa-basso R2C2 ed R3C3 hanno lo scopo di allungare l’impulso fino a 100-200 μsec ed arrotondare la punta in modo che durante il successivo campionamento dell’ADC sia più semplice determinare il valore di picco dell’impulso. In uscita allo “shaper” l’impulso si è però molto ridotto in ampiezza e quindi è necessario inserire uno stadio di amplificazione.

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Circuito di amplificazione

 Il valore in ampiezza ed in durata del segnale in uscita dipende da svariati fattori :

  • Vbias : all’aumentare della Vbias (28-32V) aumenta anche l’ampiezza del segnale in uscita. Da prove effettuate si è visto che per un valore attorno ai 30V si ottengono i migliori risultati in termini di risoluzione energetica.
  • R1 : questa resistenza converte l’impulso di corrente in un impulso di tensione. Valori troppo elevati possono mandare in saturazione la catena di amplificazione. Valori bassi (50ohm) permettono di ottenere tempi di durata dell’impulso molto brevi. Nel nostro caso risulta conveniente alzare R1 proprio per allungare l’impulso.
  • C2, C3 : aumentando il valore di queste capacità l’ampiezza del segnale scende e la durata aumenta.
  • R5 : il valore di questa resistenza determina il guadagno dello stadio di amplificazione

I valori dei componenti presenti negli schemi consentono di avere uno spettro gamma con le energie abbastanza corrispondenti ai valori reali. Per la calibrazione si consiglia di variare la tensione Vbias all’interno del range 29-31V, mentre la calibrazione fine viene fatta all’interno del sistema MCA.
Particolare cura va fatta nel controllo del rumore / ripple presente nelle alimentazioni dello shaper (30V) e dell’amplificatore (5V). Per ottenere buoni risultati il rumore finale non dovrebbe essere superiore ad 1mv. Possono anche essere utilizzate delle batterie per ottenere le tensioni richieste.

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Impulso prodotto dal SiPM e all’uscita dell’adapter
SiPMBox
Prototipo di Spettrometro Gamma con SiPM e scheda Audio di acquisizione dati

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