Alimentazione Regolabile per SiPM

Struttura e Funzionamento del SiPM

Come sappiamo un dispostitivo SiPM consiste in una matrice di elementi sensibili di ridotta dimensione chiamati micro-celle (o pixel) tutti connessi in parallelo fra di loro. Ogni micro-cella è un fotodiodo a valanga in Geiger-Mode (GM-APD) polarizzato inversamente oltre la tensione di breakdown (Vbd). Il fotodiodo è integrato con un resistore per il quenching passivo della scarica a valanga.

Lo schema sotto mostra il circuito equivalente per una micro-cella GM-APD. Cd è la capacità del diodo polarizzato inversamente, Rs è la resistenza serie del substrato di silicio, mentre Rq è la resistenza di quenching (Rq >> Rs). Il fotodiodo GM-APD ha tre modalità principali di funzionamento : modalità quiescente, fase di scarica, fase di recovery.

In modalità quiescente, il diodo è polarizzato inversamente al valore Vbias = Vbd +Vov (Vov è la sovra-tensione, cioè la tensione di polarizzazione oltre Vbd). L’interruttore nel circuito equivalente è aperto e a meno che un fotone venga assorbito (o capiti un evento di rumore – dark event – ), il diodo rimane in questa condizione senza conduzione di corrente (si trascurano le correnti di perdita).

Quando un fotone viene assorbito (o capita un dark event), il modello equivalente  prevede che l’interruttore si chiuda e Cd si scarichi da Vbias a Vbd attraverso Rs: durante questa fase all’interno del GM-APD avviene la moltiplicazione a valanga della corrente. Dopo l’innesco, il processo della moltiplicazione a valanga si auto-sostiene e quindi, senza un quenching, una corrente costante circolerebbe indefinitamente nel dispositivo. Con la resistenza Rq, il processo di moltiplicazione a valanga viene arrestato e l’interruttore nel circuito equivalente si apre nuovamente.

Il dispositivo GM-APD entra così nella fase di recovery: Cd si ricarica alla Vbias attraverso Rq ed il GM-APD ritorna in modalità quiescente, pronto per la rilevazione di un nuovo fotone.

La Tensione di Breakdown

La tensione di breakdown (Vbd) è la tensione minima (inversa) di polarizzazione che consente il verificarsi auto-sostenuto del processo di moltiplicazione a valanga nei dispositivi GM-APD. In pratica è la minima tensione di polarizzazione che consente l’ottenimento degli impulsi da parte del dispositivo. Va detto però, che per Vbias=Vbd sia l’efficienza di rilevazione che il guadagno dei SiPMs sono (per definizione) ancora nulli. Solo per Vbias > Vbd in uscita vengono prodotti gli impulsi di corrente. Il valore di tensione di polarizzazione oltre la tensione di breakdown è denominato sovra-tensione (Vov), definito come :

Vov = Vbias – Vbd

In principio, maggiore è la sovratensione, più alte dovrebbero essere le prestazioni dei SiPM. In realtà, dato che l’efficienza di rilevazione tende a saturare al salire di Vov mentre il rumore continua a crescere (anche più che linearmente) all’aumentare di Vov, esiste un limite superiore per la tensione di polarizzazione ottime dei SiPM.

La tensione di breakdown è determinata dalle caratteristiche fisiche della giunzione p/n nella tecnologia SiPM. I SiPM da noi utilizzati (prodotti AdvanSid) hanno una Vbd nel range 25-29 V a temperatura ambiente, e sono progettati per lavorare con una sovratensione da 2 a 5 V.

Inoltre va detto che la tensione di breakdown dipende dalla temperatura, in particolare aumenta al crescere della temperatura del dispositivo.

Da quanto detto sopra appare evidente l’importanza della tensione di polarizzazione Vbias. Dato che il guadagno del SiPM dipende fortemente da questo parametro è di fondamentale importanza avere la possibilità di regolare la tensione all’interno del range permesso, anche per compensare la variazione della tensione di breakdown al variare della temperatura. La tensione di polarizzazione deve poi avere un basso ripple (<1mV) in modo da non influire significativamente sul rapporto segnale / rumore.

Lo Step-Up Voltage Converter MAX5026

Il progetto che proponiamo in questo post è basato sul convertitore di tensione di tipo step-up MAX5026, utilizzato attraverso la sua scheda di valutazione (Evaluation Kit).
Il chip MAX5026 è un convertitore di tensione step-up, current-mode di tipo PWM a frequenza costante con uno switch interno che opera a 500 kHz. Noi abbiamo utilizzato il suo kit di valutazione MAX5026 EV kit. Questo circuito fornisce una uscita di +30 V con un ripple ad alta frequenza inferiore a 2 mVp-p, partendo da una tensione di ingresso da +3 V a +11 V, ed è in grado di fornire fino a 6 mA.
Il MAX5026 EV kit è progettato specificatamente per prestazioni a basso rumore. Un filtro RC sulla uscita del regolatore riduce il rumore ulteriormente. Sono proviste piazzole per altri due condensatori (C4 and C5) per la ulteriore riduzione del rumore a bassa frequenza. Su queste piazzole abbiamo collegato due condensatori elettrolitici SMD da  10μF.

La tensione di uscita di default per il MAX5026 EV kit è di +30 V. Per generare tensioni di uscita diverse da +30 V è sufficiente cambiare le resistenze di feedback R1 ed R2, limitando la corrente attraverso R1 ed R2 a circa 200μA. R1, R2 e Vout sono legati dalla seguente relazione :

R1 = R2 [(Vout /1.25V) – 1]

Noi abbiamo scelto R1 = 180 KΩ ed R2 = 6.8 KΩ, al fine di ottenere una tensione di uscita pari a + 34 V, mentre la tensione di ingresso vale +5 V. La tensione di uscita a 34 V ci permette di ottenere, utilizzando un ulteriore circuito di regolazione, tensioni di lavoro regolabili tra 0 – 34 V. L’immagine sotto mostra lo schema della scheda di valutazione.

Il Circuito di Regolazione

Per ottenere la tensione di polarizzazione nell’intervallo richiesto abbiamo utilizzato un amplificatore operazionale adatto ad essere alimentato a tensioni elevate : il componente LT6015. Lo abbiamo alimentato alla tensione di + 34 V ed utilizzato nella configurazione di amplificatore non-invertente con un fattore di guadagno pari a 10.
Al terminale non invertente viene inviata una tensione stabilizzata e filtrata nel range 0 – 3.3 V, ad esempio prodotta da un DAC oppure da un trimmer di regolazione, questa tensione viene amplificata e produce in uscita una tensione di 0 – 33 V, adatta quindi a polarizzare un dispositivo SiPM. La tensione di uscita è ulteriormente stabilizzata da un filtro RC che elimina il ripple a bassa frequenza.

L’immagine sotto mostra lo schema del regolatore.

L’immagine sotto mostra il prototipo del regolatore.

Vbias Ottimale

Abbiamo fatto alcune prove di conteggio e spettrometria con diversi valori di Vbias. La sorgente è costituita da una sorgente campione di 0.25μCi di Cs137. La sonda è costituita da un sensore SiPM accoppiato ad un piccolo cristallo BGO (la sonda è stata descritta nel post SiPM con Cristallo Scintillatore BGO). Il setup per le misure è rappresentato nella immagine sotto, mentre la parte di acquisizione dati verrà descritta in post successivi.

Abbiamo variato con continuità la tensione di polarizzazione Vbias del SiPM, da 28 V a 32 V, registrando il valore del conteggio in CPM, tenendo costante la soglia di accettazione del segnale a 150 mV (corrispondente a 15 mV sul SiPM). Il risultato viene descritto nel grafico sotto.
Si vede come il segnale generato dal SiPM diventa di ampiezza misurabile a partire da 29 V, il conteggio cresce fino a 31 V, a partire dai quali il conteggio cresce esponenzialmente, segno che vengono acquisiti impulsi spuri dovuti al rumore. Da queste prove risulta evidente che la zona di lavoro si colloca tra 29 V e 31 V.

Il valore ottimale di Vbias è quello che permette di massimizzare il rapporto segnale / rumore che si ottiene dagli impulsi generati dal SiPM. Il rapporto segnale / rumore può essere stimato attraverso la risoluzione che si ottiene nella costruzione dello spettro gamma della sorgente. Le immagini sotto mostrano lo spettro gamma della sorgente Cs137 (acquisito mediante PSoC) per Vbias = 30 V e Vbias = 31 V.
Si vede come la risoluzione del picco a 660 KeV migliora leggermente passando da 30 V a 31 V. Da questi dati possiamo stabilire che la tensione ottimale di polarizzazione si colloca tra 30 V e 31 V.

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