Preamplificatore per SiPM

In questo post descriviamo l’utilizzo del preamplificatore per fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) che viene proposto dalla AdvanSiD. I SiPM sono stati oggetto del seguente post : Fotomoltiplicatori al silicio (SiPM), nel quale la parte di amplificazione del segnale era stata realizzata a componenti discreti.

Il preamplificatore AdvanSiD (ASD-EP-PZ) è una scheda di valutazione per SiPM AdvanSiD che consente una facile interfaccia con sistemi di acquisizione segnali per la valutazione ed il test ottico ed elettrico del dispositivo.
La scheda è stata specificamente progettata per soddisfare ed ottimizzare le prestazioni dei SiPM AdvanSiD . Esso rappresenta il modo più adatto ed affidabile per iniziare a utilizzare i rilevatori AdvanSiD e può essere utilizzato in ambienti di laboratorio per la caratterizzazione del dispositivo, le misure a bassa illuminazione e per prototipazione di prodotto.
La Scheda di valutazione si basa su uno stadio amplificatore non invertente a transimpedenza a basso guadagno (Z = 248) seguito da due stadi di uscita indipendenti (OUT 1, OUT 2). OUT 1 fornisce una uscita bufferata con un guadagno totale a transimpedenza G1 = 50, quando è terminata con 50 ohm di carico. OUT 2 implementa una rete di compensazione Pole-Zero (PZ) seguita da un buffer invertente che fornisce la versione differenziale del segnale generato dal SiPM.
OUT 2 non conserva la forma e la ampiezza del segnale originale, ma permette una soppressione efficace delle fluttuazioni della base line a causa dei conteggi di rumore “dark event”. Questo è particolarmente importante per misure di temporizzazione.

Setup Sperimentale

Per le misure è stato utilizzato un SiPM NUV da 4x4mm accoppiato ad un cristallo scintillatore LYSO, come mostrato nella figura sotto :

La scheda preamplificatore è stata collegata alla alimentazione (+30V, +5V, -5V), inoltre è stato collegato il SiPM, inserito in un apposito contenitore a tenuta di luce. Le uscite del preamplificatore, OUT 1 e OUT 2, sono state visualizzate ed acquisite con un oscilloscopio.

Risultati delle Misure

Dark Event

La prima traccia è stata acquisita senza cristallo scintillatore in modo da valutare il rumore dovuto ai “dark event”. Come è noto nei SiPM vi è una generazione casuale di rumore di fondo dovuto ai “dark event”, indistinguibili dagli eventi causati dalla interazione con un fotone reale, questo rumore è causato dalla agitazione termica. Per fortuna questi eventi corrispondono alla “accensione” di un solo “pixel” e quindi sono facilmente filtrabili.

Fast Light Pulse

Utilizzando come sorgente di brevi impulsi luminosi le scintillazioni su di uno schermo di ZnS(Ag) colpito da particelle alfa si ottengono dal SiPM impulsi di ampiezza diversa. Si parte dall’impulso corrispondente ad un fotone, indistinguibilee dal rumore, fino ad arrivare ad impulsi di ampiezza circa quattro volte maggiore, corrispondenti a quattro fotoni. In pratica l’ampiezza dell’impulso è quantizzata e corrisponde al numero dei fotoni incidenti sul SiPM.

Misure con cristallo LYSO

Le tracce seguenti corrispondo invece ad eventi di scintillazione dovuti a radiazione di fondo oppure alla radioattività intrinseca del cristallo LYSO. Sono state acquisite entrambe le uscite del preamplificatore, OUT 1 per la valutazione dell’energia del segnale e OUT 2 per la valutazione esatta del timing. OUT 2 viene ottenuta differenziando l’impulso prodotto dal SiPM.

Traccia gialla : OUT 1 – proporzionale alla energia dell’evento
Traccia azzurra : OUT 2 – timing dell’evento

L’uscita OUT 1 può essere convenientemente utilizzata per valutare l’energia del fotone gamma che ha prodotto la scintillazione. L’ampiezza del segnale è di 100 – 200mV con durata di 200 – 400nsec e quindi, dopo una seconda amplificazione, può essere inviata ad un apparato MCA per la spettrometria.

L’uscita OUT 2 è molto più rapida perchè è legata soltanto al fronte di salita dell’impulso ed ha una durata di 10 – 20 nsec, può quindi essere utilizzata per il timing preciso dell’evento, ad esempio in tutte quelle applicazioni, come la PET, che utilizzano la coincidenza degli impulsi.

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