SiPM探测器实验报告

实验报告PAGE2实验目的为确定SiPM探测器性能参数校准规范中的计量性能，利用三窗积分球，以信号发生器驱动LED作为光源，以硅光电探测器作为参照，对北京师范大学新器件实验室研发的SiPM器件的暗计数、光子探测效率、增益和单光子时间分辨率进行校准。实验地点及时间北京师范大学天文系光电探测研究室/新器件实验室环境条件实验室为暗室，附近无明显影响仪器稳定性的干扰源温度：20℃相对湿度：50%校准设备校准过程中使用的主要校准设备包括：已知响应度的硅光电池、三窗积分球、发光二极管（LED）、信号发生器、微电流计、高速示波器、稳压电源、高压电源（见表1）。PIN衰减片66.7倍LEDSTC420-5C10420nm+420nm滤光片LED驱动源LeCroy函数发生器2022LED驱动源1Mhz，17ns脉宽pulse脉冲波形（驱动电压视PIN电流大小以及SiPM信号波形而定）SiPM器件型号EQR1511-3030D-S3x3mm窄死边器件表1主要校准设备设备名称规格/型号校准项备注标准硅光电池S1227-1010BQ暗计数三窗积分球Ф150mm光子探测效率发光二极管STC420-5C10增益420nm滤光片信号发生器LeCroy函数发生器2022单光子时间分辨率SiPM偏压源keithley2400PIN电流测试仪keithley2635B高速示波器TBS102B/254HD校准人：曾洋、谢港被校样品信息：被校样品为北京师范大学光电仪器厂生产的SiPM器件型号EQR1511-3030D-S3mm×3mm窄死边器件，其标称主要性能如下：暗计数：≤400kHz/mm2光子探测效率：≥40%（420nm处）增益：≥4×105单光子时间分辨率：≤400ps校准方法及结果：装有待测SiPM的样品夹具被安装在积分球样品座中；由信号发生器驱动LED发出的准单色光，通过积分球入射窗进入积分球，形成的均匀辐照同时照射到硅光电池(PIN)和SiPM上。PIN的信号由微电流计读取，SiPM的信号经放大后由高速示波器读取。高速示波器与信号发生器同步。1暗计数打开为SiPM提供反向偏置电压的电源，逐步调节偏压至36V，打开高速示波器，将触发阈值设置为0.5p.e.，待SiPM输出稳定后，用高速示波器的“Area”函数测量脉冲面积，使用“hist”函数对测量到的脉冲面积作直方图统计获取暗计数（DCR）。表2暗计数率DCR/(MHz)样品尺寸/(mm2)暗计数率/(kHz/mm2)3.133×33482光子探测效率打开为SiPM提供反向偏置电压的电源，调节偏压至器件正常工作状态，即最大过偏压之前的所需偏压；打开信号发生器，选定一个通道用作同步触发，选定另一个通道触发LED发光，在积分球中形成的均匀辐照同时照射到PIN和SiPM上；信号发生器输出电压波形选为方波，频率选择1MHz，同步通道电压幅设为2V，触发通道电压用以调节光强；打开微电流计，使PIN输出的电流稳定显示在微电流计上；打开高速示波器，高速示波器选用DC50Ω耦合SiPM信号，使SiPM输出的脉冲波形稳定呈现在示波器面板上；通过改变触发通道电压调节光强，使示波器呈现出(4-6)个单光子谱峰位，在微电流计上读取PIN输出的电流Itotal；用高速示波器的“Area”函数测量脉冲面积，使用“hist”函数对测量到的脉冲面积作直方图统计；关闭信号发生器触发通道，使LED熄灭，在微电流计上读取PIN输出的电流Idark；用高速示波器的“Area”函数测量脉冲面积，使用“hist”函数对测量到的暗脉冲面积作直方图统计；利用Spyder软件中的“高斯拟合”分别由脉冲面积作直方图统计和暗脉冲面积作直方图统计得到相应的平均光电子数μlight和μdark；最后利用测定的μlight、μdark和Itotal、Idark计算光子探测效率：式中RPIN为PIN的响应度，λ为波长，f是信号发生器触发LED的频率，h为普朗克常量，c为真空光速，SPIN和SSiPM分别为PIN和SiPM的有效面积，均为已知量。表3光子探测效率波长λ(nm)触发频率f(Hz)PIN输出电流(nA)SiPM光电子数[注]有效面积(mm2)IdarkItotalμdarkμlightSPINSSiPM4201M4.82×10-50.1170.1651760.8446210×103×3响应度RPIN(A/W)0.199探测效率PDE(%)40.51[注]SiPM前加有透射率为1.50%的减光板。3增益关闭高压电源和微电流计，确认示波器呈现出(4-6)个单光子谱峰位，用高速示波器的“Area”函数测量脉冲面积，使用“hist”函数对测量到的脉冲面积作直方图统计。求出单光子谱两个峰之间的平均间隔，得到单光子事件响应的平均面积S1p.e.，即得到器件响应的电荷量。由于测量使用100倍放大器，输入阻抗50Ω，e=1.6×10-19C，计算器件增益：G表4增益单光子事件响应的平均面积S1p.e增益3.54×10-104.43×105单光子时间分辨率将测试装置中的积分球移去，LED用激光器代替，光束导入分束镜上使激光输入到两个同型号被测硅光电倍增器上；打开为SiPM提供反向偏置电压的电源，调节偏压至器件正常工作状态，即最大过偏压之前的所需偏压；打开信号发生器，选定一个通道用作同步触发，选定另一个通道触发Laser发光，将同时照射到特性相同两个探测器SiPM1和SiPM2上；信号发生器输出电压波形选为方波，频率选择1MHz，同步通道电压幅设为2V，触发通道电压用以调节光强；调整阈值水平为0.5p.e的高度，观察此时两通道计数率值的大小变化，在计数率较高的通道增加中性衰减片，衰减光强，至两通道的计数率误差在5%以内，判断两通道光强水平基本一致。打开高速示波器，高速示波器选用DC50Ω、1GHz测量带宽、无噪声滤波的方式耦合SiPM信号，使SiPM输出的脉冲波形稳定呈现在示波器面板上；用高速示波器的“Area”函数测量脉冲面积，“RMS”函数测量基线噪声的均方根，“slew”函数测量脉冲上升沿斜率，“Skew”函数测量两路脉冲的时间间隔，“hist”函数进行直方统计图，“trend”函数统计记录；二元数组选择1000，采集数目50k；处理数据光信号面积直方图、实时统计记录，上升沿斜率的实时统计记录，符合时间的直方图、实时统计记录。利用MATLAB筛选不同信号强度的事件，挑选1p.e事件符合时间；直方图统计进行高斯拟合，得到FWHM值为系统时间分辨率tTotalt式中tLaser2为激光到达时间的抖动，由激光器的脉宽与抖动决。tn22、tn12为两只器件电子学噪声贡献的时间抖动的半高全宽，tn=2.355*σn。σn是电子学噪声贡献的时间抖动的标准不确定度，等于基线幅值的均方根值除以脉冲前沿斜率。由此计算得表5单光子时间分辨ttotaltn1tn2tlasertSiPM361.9ps106.5ps106.4ps20ps232ps校准结果的不确定度评定不确定度输入量包括η校准测量重复性、η标准PIN响应度溯源、η标准驱动LED电压、η标准微电流计、η标准高速示波器、η标准PIN有效面积和η标准SiPM有效面积等7项，逐一对它们进行评定（见表6）。上述不确定度分量各不相关，因此合成相对标准不确定度uc按下式计算：表6不确定度评定序号不确定度项u1自由度ν类型1η校准测量重复性的不确定度u1(η校准)0.4%9A2η标准PIN响应度溯源的不确定度u1(η标准)1.0%12B3η标准驱动LED电压的不确定度u2(η标准)0.1%∞B4η标准微电流计的不确定度u3(η标准)0.1%∞B5η标准高速示波器的不确定度u4(η标准)0.5%∞B6η标准PIN有效面积的不确定度u5(η标准)1.0%∞B7η标准SiPM有效面积的不确定度u6(η标准)2.0%∞B合成相对标准不确定度uc(η校准)2..54%3×106本次SiPM器件的光子探测效率校准扩展不确定度为：U95=