Fast LED Pulser & SiPM

Introduzione

Generare impulsi ultra-brevi (nel nostro caso impulsi di luce) non è semplice. Ci sono tecniche avanzate per produrre impulsi di luce ultra-corti, nel range dei femtosecondi o addirittura attosecondi, però richiedono laser ed apparecchiatura sofisticate che non sono alla portata di uno sperimentatore “casalingo”. Senza contare il fatto che anche rilevare e misurare impulsi così brevi è di per sè una sfida tecnologica.

In questo post descriveremo i nostri tentativi per realizzare un “Fast Pulser“, in grado di produrre impulsi di luce con durate inferiori a 10ns.

Fast Pulser

Come sorgente luminosa è stato utilizzato un normale diodo LED blu che emette a 460nm pilotato da un circuito per la generazione di impulsi ultra-brevi. Dallo schema mostrato sotto si vede che il LED viene pilotato da un transistor a valanga ZTX415 polarizzato a 270V. La carica viene accumulata nel condensatore C1 e poi rilasciata in un tempo molto breve quando arriva un impulso alla base del transistor. Sulla resistenza R2, da 0.1Ω, può essere prelevato il segnale che corrisponde all’impulso di corrente che fluisce nel diodo LED.
Nella immagine “di copertina” si vede la traccia all’oscilloscopio dell’impulso di corrente : è uno spike da circa 0.5V e una durata inferiore a 10ns, quindi estremamente breve. La durata e l’ampiezza dell’impulso dipendono fortemente dal valore di capacità del condensatore C1. Aumentando il valore di C1 la durata dell’impulso aumenta, mentre diminuendola si può ridurre ulteriormente la durata dell’impulso. Nelle nostre prove abbiamo provato a ridurre la capacità fino ad un valore di 5pF.
Al fine di ridurre al massimo la durata dell’impulso è necessario mantenere minime le induttanze parassite del percorso seguito dalla corrente, in particolare la resistenza R2 ed i collegamenti tra C1, il transistor, il LED, R3 e D1. Questo si ottiene facendo collegamenti elettrici molto corti ed utilizzando una ampia area di massa. Le resistenze vanno inoltre scelte con bassa induttanza parassita.
R3, da 50Ω ha la funzione di permettere il ricircolo della corrente che attraversa il LED, in modo da contribuire al veloce spegnimento dell’impulso.
Come si vede dalla traccia dell’oscilloscopio l’impulso positivo è seguito da un impulso negativo, questo contribuisce a svuotare la giunzione del LED dai portatori di carica facendo sì che dopo l’impulso il LED si spenga velocemente.

Le immagini sotto mostrano il circuito del “fast pulser” realizzato su breadboard. Il componente scuro sulla sinistra è l’elevatore di tensione che, a partire da 5V stabilizzati, provvede a generare i 270V necessari per la polarizzazione del transistor a valanga. Si noti la basetta di rame, collegata al comune, sul quale sono collocati i componenti che realizzano l’impulso ultra-breve.

SiPM

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. Abbiamo già lavorato con i SiPM :

Fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM)
Alimentazione Regolabile per SiPM
Elettronica di Acquisizione per SiPM
Spettroscopia Gamma con SiPM-BGO

L’immagine sotto mostra il componente fissato al suo supporto con del nastro adesivo trasparente. Il suo utilizzo è relativamente semplice ed ha il vantaggio di essere più maneggevole rispetto al classico fotomoltiplicatore, per questo motivo abbiamo deciso di utilizzarlo per misurare e monitorare l’impulso di luce prodotto dal LED pilotato dal nostro Fast Pulser.

Il LED, insieme al Fast Pulser, viene collocato in una “dark box”. Il LED viene schermato lateralmente e frontalmente viene posto un pin-hole in modo da ridurre la luce emessa dal LED che raggiunge il sensore SiPM, posto davanti al LED, come si vede nella immagine sotto.

Quanti Fotoni Vengono Generati in un Impulso ?

Possiamo facilmente calcolare quanti fotoni vengono generati in un impulso.
L’energia accumulata nel condensatore e liberata durante l’impulso vale : E = 1/2CV²
Sapendo che V = 270 V e C = 5 pF, otteniamo Ep = 0.18 μJ.

Come generatore di luce abbiamo utilizzato un LED blu che emette a 460 nm.
Dalla relazione di Planck, ogni fotone trasporta l’energia : E = hν = hc/λ
Dove c è la velocità della luce e λ è la lunghezza d’onda della radiazione, sostituendo i valori e facendo il calcolo si ottiene che l’energia del singolo fotone vale E = 4.32 x 10^-19 J

Ipotizzando per il LED una efficienza del 10% possiamo calcolare il numero di fotoni prodotti :
N = (Ep / E) x 10% = 4.2 x 10¹⁰ fotoni

Naturalmente non tutti i fotoni prodotti raggiungono il sensore SiPM : vi è la schermatura laterale, il pin-hole e la distanza alla quale è posto il sensore. Fare con esattezza questo calcolo non è facile perchè non conosciamo esattamente le dimensioni del pin-hole che è stato realizzando “a mano” semplicemente forando con un ago la sottile lamina di alluminio posta davanti al LED.
Possiamo fare una stima che il fattore geometrico di riduzione sia compreso tra 1/1000 ed 1/10000, quindi il numero di fotoni che raggiungono il sensore dovrebbe essere dell’ordine di 10⁶– 10⁷ fotoni.
Si tratta di un numero enorme che manda immediatamente in saturazione il sensore, è necessario quindi ridurre ulteriormente il numero dei fotoni che colpiscono il sensore. Questo si può fare interponendo tra il LED ed il sensore dei filtri di attenuazione oppure dei filtri polarizzatori che hanno il medesimo effetto.
Conviene utilizzare dei filtri a densità neutra (filtro ND) che riducano l’intensità della luce in maniera uniforme su tutte le lunghezze d’onda.
L’immagine a lato mostra i filtri che abbiamo utilizzato per ridurre l’intensità luminosa. Si tratta di filtri a densità neutra di tipo D2, D4, D8, D16 che riducono la luce rispettivamente di un fattore 2, di un fattore 4, di un fattore 8 e di un fattore 16.

Rilevazione Impulsi

La rilevazione degli impulsi prodotti dal sensore SiPM viene realizzata mediante un amplificatore a trans-impedenza già descritto nel post Amplificatore a Trans-Impedenza. L’impedenza vista dal SiPM è di 50Ω e l’operazionale scelto è ad alta velocità in modo da produrre in uscita impulsi brevi. Va tenuto presente che il SiPM genera impulsi anche in condizioni di buio, questi impulsi sono dovuti alla scarica di un “pixel” per generazione termica di portatori di carica. Questo comportamento non è eliminabile anche se può essere mitigato facendo lavorare a bassa temperatura il sensore SiPM. L’impulso generato in un pixel causato da un elettrone termico non è distinguibile da quello prodotto dalla interazione di un fotone. Dato che l’attivazione contemporanea di impulsi per elettroni termici in più pixel ha probabilità molto bassa il rumore può essere facilmente individuato perchè gli impulsi corrispondenti hanno ampiezza molto bassa.
Nel grafico sotto viene mostrato l’impulso corrispondente alla scarica di un pixel (dark pulse). Nella nostra elettronica l’ampiezza di un “dark pulse” è di circa 4mV.

Abbiamo fatto la rilevazione degli impulsi di luce variando l’attenuazione con i filtri ND descritti nel paragrafo precedente. L’immagine sotto mostra l’impuslo che viene prodotto senza alcuna attenuazione. In giallo c’è l’impulso di corrente sul LED mentre in azzurro il segnale generato dal SiPM. Si vede come il SiPM vada in saturazione generando un impulso tagliato, segno che la quantità di luce è eccessiva.

Inserendo i filtri attenuatori tra il LED ed il SiPM si può ridurre di molto l’ampiezza del segnale  prodotto dal SiPM, segno che il numero di fotoni ricevuti dal detector è molto minore. L’immagine sotto mostra un impulso di luce con ampiezza contenuta ed una durata di circa 100ns. La durata effettiva dell’impulso di luce è difficile da stimare perchè l’elettronica di front-end del SiPM inserisce dei ritardi nella salita e soprattutto nella discesa dell’impulso.

L’immagine sotto mostra l’impulso del SiPM prodotto con filtri ad elevata attenuazione. Vi è molto rumore anche a causa degli accoppiamenti (ringing) dovuti al forte impulso di corrente sul LED. E’ comunque riconoscibile un impulso (segnato in bianco) di circa 4-6mV immediatamente successivo all’impulso di corrente sul LED.
Questo è un impulso prodotto da uno o due fotoni emessi dal LED !

Una caratteristica dei SiPM è che gli impulsi prodotti sono “quantizzati” : l’impulso di corrente che viene prodotto è pari al prodotto del numero di pixel attivati per la corrente prodotta da un singolo pixel. Ipotizzando che ogni pixel attivato corrisponda alla interazione di un fotone si deduce che dall’ampiezza dell’impulso di corrente si può ottenere il numero dei fotoni che hanno colpito la superifice del SiPM.
Con la nostra strumentazione è difficile ottenere una rappresentazione chiara della quantizzazione degli impulsi, comunque dalla immagine mostrata sotto si vede come gli impulsi si concentrano su ampiezza vicine tra loro, corrispondenti al medesimo numero di fotoni.

Conclusioni

Dai risultati ottenuti si vede come il circuito testato, nonostante la sua semplicità, sia in grado di produrre efficacemente impulsi ultra-corti, nel range dei nanosecondi. Il fast pulser può essere convenientemente accoppiato con un rivelatore SiPM per effettuare misurazioni correlate di photon-counting.

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