Описание экспериментальной установки

Аннотация

Измерение фактора избыточного шума лавинного фотодиода Hamamatsu APD S8664-1010.

Усков Артём Александрович, группа № 15322.

Физический факультет. Практикум «Электричество и магнетизм»,

3 семестр, 2016 г.

Научный руководитель: снс ИЯФ СО РАН, к. ф.-м. н. Д. А. Епифанов

Одной из главных подсистем детектора Belle II является электромагнитный калориметр на основе сцинтилляционных кристаллов CsI(Tl). В торцевых частях этого калориметра планируется заменить кристаллы CsI(Tl) на кристаллы чистого CsI. В качестве фоточувствительных элементов в новых счётчиках калориметра планируется использовать кремниевые лавинные фотодиоды (ЛФД) Hamamatsu APD S8664-1010.

В данной работе были проведены измерения основных характеристик лавинных фотодиодов Hamamatsu APD S8664-1010: темнового тока, коэффициента усиления и фактора избыточного шума для двух длин волн детектируемого света, 400 нм и 630 нм.

Проведенные измерения нужны для определения рабочей точки фотодиода. Также, по результатам измерений фактора избыточного шума планируется выработать требования к внутренней структуре оптимизированных ЛФД.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОСИБИРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ».

Физический факультет

Кафедра физики элементарных частиц

Усков Артём Александрович

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Измерение фактора избыточного шума лавинного фотодиода Hamamatsu APD S8664-1010»

Практикум электричества и магнетизма, 2 курс, группа 15322

	Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН Научный руководитель: ________________ снс ИЯФ СО РАН, к. ф.-м. н. Д. А. Епифанов «___»___________2016 г. (оценка научного руководителя ________________)
Преподаватель практикума «Электричество и магнетизм» ________________ Ю. Ю. Чопорова «___»___________2016 г. Оценка за курсовую работу _________________________
Рекомендации:

Новосибирск 2016 г.

Аннотация

Одной из главных подсистем детектора Belle II является электромагнитный калориметр на основе сцинтилляционных кристаллов CsI(Tl). В торцевых частях этого калориметра планируется заменить кристаллы CsI(Tl) на кристаллы чистого CsI. В качестве фоточувствительных элементов в новых счётчиках калориметра планируется использовать кремниевые лавинные фотодиоды (ЛФД) Hamamatsu APD S8664-1010.

В данной работе были проведены измерения основных характеристик лавинных фотодиодов Hamamatsu APD S8664-1010: темнового тока, коэффициента усиления и фактора избыточного шума для двух длин волн детектируемого света, 400 нм и 630 нм.

Проведенные измерения нужны для определения рабочей точки фотодиода. Также, по результатам измерений фактора избыточного шума планируется выработать требования к внутренней структуре оптимизированных ЛФД.

Оглавление

1. Введение и цели работы.. 4

2. Описание экспериментальной установки. 6

3. Спектрометрический тракт с лавинным фотодиодом, электронный шум….9

4. Методика проведения и результаты эксперимента. 12

5. Выводы и заключение……………….…………….………………………….21

6. Список использованной литературы.. 25

Введение и цели работы

В 2018 году в Японии (лаборатория КЕК, г. Цукуба) начнутся эксперименты

на Супер В-фабрике (детектор Belle II на асимметричном e+ e- коллайдере SuperKEKB) [1].

Проектная светимость фабрики, 8 · 10³⁵ 1 / (см² · с), позволит в десятки раз увеличить объём экспериментальной информации, набранной в области Upsilon(4S)-мезонного резонанса (энергия в системе центра масс 2E = 10.58 ГэВ) на предыдущих В-фабриках Belle и BABAR [2]. Широкая программа исследований на Супер В-фабрике включает всестороннее изучение физики тяжёлых b- и c-кварков, а также тау-лептона.

На новом уровне точности будет изучено нарушение СР симметрии в распадах В- и D-мезонов, а также тау-лептонов. Одной из основных задач Супер В-фабрики является поиск эффектов, которые не объясняются в рамках Стандартной Модели, поиск т.н. Новой Физики. Работы на Супер В-фабрике будут не только конкурировать, но и дополнять исследования, которые проводятся в экспериментах на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРН.

Высокая светимость Супер В-фабрики, и, как следствие, высокий уровень пучкового фона предъявляют очень жёсткие требования к детектору Belle II.

Одной из главных подсистем Belle II является электромагнитный калориметр на основе сцинтилляционных кристаллов CsI(Tl), в создании и эксплуатации которого принимают активное участие физики из ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН.

Для уменьшения шумов наложения (т.н. pile-up шумов) было предложено заменить кристаллы CsI(Tl) (с временем высвечивания около 1 мкс) на кристаллы чистого CsI (с временем высвечивания около 30 нс) в торцевых частях калориметра.

Световыход кристаллов чистого CsI на порядок меньше чем у CsI(Tl), поэтому для преобразования световой вспышки в электрический сигнал приходится использовать фоточувствительные элементы с внутренним усилением. Рассматривались два варианта фоточувствительных элементов: вакуумные фотопентоды и кремниевые лавинные фотодиоды (ЛФД).

В работе [3] исследовались характеристики счётчика на основе кристалла чистого CsI (с размерами 6 x 6 x 30 см³), пластины со спектросмещающим люминофором NOL-9 [4] и четырёх ЛФД Hamamatsu APD S8664-55 [5]. Были измерены электронные шумы счётчика (в энергетических единицах) на уровне 400 кэВ с 4-канальным зарядочувствительным предусилителем CAEN A1422B045F3 и усилителем-формирователем (CR-4RC) с временем

формирования 30 нс, что удовлетворяет проектным требованиям к калориметру.

Люминофор NOL-9 эффективно переизлучает сцинтилляционный свет кристалла чистого CsI (с длиной волны 320 нм) в область видимого света с длиной волны 588 нм, где квантовая эффективность ЛФД S8664-55 максимальна. Исторически характеристики ЛФД S8664-1010 приводятся компанией Hamamatsu для света с длиной волны 420 нм (длина волны

сцинтилляционного света кристалла вольфрамата свинца (PbWO₄)).

Целью данной работы было измерить фактор избыточного шума (F) ЛФД Hamamatsu S8664-1010 в зависимости от напряжения смещения для длин волн детектируемого света 400 нм и 630 нм.

Фактор избыточного шума кремниевого ЛФД может сильно зависеть от длины волны детектируемого света и вносить заметный вклад в энергетическое разрешение калориметра на основе кристаллов

чистого CsI, спектросместителя с NOL-9 и ЛФД Hamamatsu S8664-1010 в области малых энергий гамма-квантов [6]. По результатам измерений F планируется выработать требования к внутренней структуре оптимизированных ЛФД (а именно расстоянию от входного окна ЛФД

до плоскости p-n-перехода с высоким электрическим полем) с целью минимизации F.

Описание экспериментальной установки

В измерениях использовались: лавинный фотодиод Hamamatsu S8664-1010, произведённые в ИЯФ - высоковольтный источник напряжения (ВВИ), аттенюатор (АТТ), АЦП, дискриминатор (Д), линия задержки, формирователь импульсов; а также вольтметр B7-22A, вольтметр B7-40/4, источник питания постоянного тока GW Instek GPD-74303S, 2 светодиода: ARL-3214URC-6cd (красный, 620 – 635 nm) и L-7104UVC (ультрафиолето-вый, 385-415 nm), черная металлическая коробка, большая металлическая коробка, два резистора по 10 МОм, один резистор 100 МОм, генератор калибровочного импульса GW Instek AFG-72225, осциллограф Tektronix TDS 220, усилитель-формирователь (УФ) Ortec 570, зарядово-чувствительный предусилитель ORTEC 142IH (ЗЧПУ) (Рис. 1, 2, 3, 4).

Рис. 1. Блок-схема установки

Генератор калибровочного импульса GW Instek AFG-72225

Осциллограф Tektronix TDS 220

Вольтметр B7-40/4

Источник питания постоянного тока GW Instek GPD-74303S

Вольтметр B7-22A

Рис. 2. Экспериментальная установка

Рис. 3. Модули, входящие в состав спектрометрического тракта

светодиод

e [3201]" strokecolor="#70ad47 [3209]" strokeweight="1pt">

Лавинный фотодиод

Рис. 4. Лавинный фотодиод, подключенный в цепь для измерений

Спектрометрический тракт с лавинным фотодиодом, электронный шум

Фотодиод – детектор оптического излучения, преобразующий свет в электрический сигнал. Особенностью ЛФД является эффект внутреннего усиления, появляющийся за счёт лавинного умножения заряда. При подаче достаточно большого напряжения обратного смещения на p-n переход, на длине свободного пробега электроны (дырки) успевают набрать энергию достаточную для выбивания новых электронов из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом нарастает лавинный эффект.

Одними из важнейших характеристик фотодиода являются: темновой ток, коэффициент усиления ( ) и напряжение пробоя.

Темновой ток - ток, протекающий через фотодиод в отсутствие поглощенных фотонов, возникающий из-за тепловой генерации электронов или дырок в полупроводнике.

Коэффициент усиления при данном напряжении на ЛФД, показывает во сколько раз фототок (ток через фотодиод, возникающий из-за попадания света) больше фототока при малом напряжении, когда лавинного усиления нет. Известно, что при малом усиление действительно отсутствует.

Напряжение пробоя ЛФД – это такая величина напряжения, при приближении к которой ток, протекающий через фотодиод резко возрастает. Таким образом p-n переход может быть уничтожен, при превышении напряжения пробоя.

Для измерения электронных шумов в схеме с ЛФД был собран спектрометрический тракт, показанный на Рис.1.

Принцип измерения шумов такой: калибровочный генератор создаёт прямоугольные импульсы (Рис. 5), которые через емкость подаются на калибровочный вход предусилителя. Рис. 5. Схематичное изображение калибровочного импульса

Таким образом в предусилитель инжектируется в течение нескольких
наносекунд известный заряд .

Предусилитель интегрирует входной токовый импульс (осуществляет преобразование импульса тока в импульс напряжения) и импульс напряжения на выходе имеет вид – функция Хэвисайда, емкость и сопротивление обратной связи предусилителя соответственно.

После этого сигнал поступает на УФ (усилитель формирователь), схема которого показана на Рис.6.

U ВЫХ

U ВХ

Рис. 6. Схема простейшего CR-RC усилителя-формирователя

Видно, что он состоит из дифференцирующей и интегрирующей цепочек. УФ осуществляет фильтрацию и усиление входного сигнала, сигнал
на выходе УФ имеет вид

На самом деле, настоящий УФ Ortec-570 устроен сложнее (дополнительные интегрирующие звенья и т. д.), но в любом случае график сигнала на его выходе представляет собой колоколообразную кривую и амплитуда в максимуме пропорциональна втёкшему заряду Поэтому измерив этот максимум с помощью АЦП, можно получить величину заряда.

После УФ сигнал разветвляется, одна линия поступает через аттенюатор (АТТ) на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), другая линия через дискриминатор идёт на линию задержки и потом через формирователь импульсов на управляющий вход АЦП. Во время эксперимента с осциллографа ведётся контроль за тем, чтобы запускать АЦП от сигнала, а не от шумов, для чего настраивают порог дискриминатора и величину задержки.

Электронный шум в цепи состоит из двух компонент: тепловой шум и дробовой шум.

, где – дисперсия шумового заряда (приведённого ко входу предусилителя), – дисперсия шумового заряда, связанного с тепловыми флуктуациями зарядов в цепи (приведённого ко входу предусилителя). В данном случае интересует именно вторая компонента – дробовой шум, где – ток протекающий через фотодиод (является суммой темнового и фото тока), – время формирования УФ и , зависящий от реальных особенностей УФ (эффективное время интегрирования).

Флуктуации лавины (как её электронной, так и дырочной компоненты)
описываются фактором избыточного шума, . Если при одном напряжении измерить и шумы с засветкой и без, то их разница ведь остальные члены одинаковы и сократятся. Отсюда формула (1) для расчётов

Методика проведения и результаты эксперимента

Измерение темнового тока

Чтобы обеспечить хорошую светоизоляцию и не было «засветки», сам диод должен находиться в непроницаемой защитной коробке, дополнительно обернутой темной тканью.

Эксперимент начинается с измерения темнового тока, для этого устанавливается высокое напряжение с источника, ЛФД подключен к своим зажимам (в соответствие с “цоколёвкой”, таким образом, что на p-n переход подано обратное напряжение). Соответственно, по падению напряжения на вольтметре B7-40/4 и по известным сопротивлениям можно установить величину тока в цепи. По закону Ома , где падение напряжения на вольтметре. Эффективное сопротивление параллельно соединённых сопротивления и вольтметра . Поскольку во всех измерениях интерес представляют именно зависимости от напряжения на фотодиодных зажимах (далее ), можно, отняв из (напряжения на ВВИ) падение на эквивалентном сопротивлении цепочки резисторов ( ) получить требуемое или численно

U ЛФД

Рис. 7. Схема для измерения темнового тока

Перед измерением темнового тока ЛФД был измерен ток утечек (Таблица 1), который связан с большим, но не бесконечным сопротивлением изоляции между гнёздами входного разъёма.

U ВВИ, В	Uv вольтметр, мВ	U ЛФД, В	I утечки, нA
102,4	1,2	102,4	0,24
	2,1	202,9	0,42
		304,9	0,59
	3,9	404,9	0,77
		504,9	0,99

Таблица 1. Ток утечки на разъёме ЛФД в зависимости от напряжения ВВИ.

Ток утечек в зависимости от напряжения, подаваемого на разъём, показан на Рис. 8. Из рис. видно, что сопротивление изоляции между гнёздами разъёма около 500 ГОм, что является достаточным для проводимых измерений.

Рис. 8. Зависимость тока утечки от напряжения на разъёме ЛФД

U ВВИ, В	Uv вольтметр, мВ	U ЛФД, В	I темновой, нA
10,1	1,5	10,1	0,3
51,2	5,5	51,1	1,1
102,1	9,4	101,9	1,9
151,3		151,0	2,8
		202,4	5,2
	40,8	252,1	8,1
	61,8	303,6	12,2
	95,7	353,8	19,0
	139,6	382,8	27,6
	191,6	400,6	37,9
	236,7	409,5	46,9
	303,1	418,0	60,0
	402,1	425,7	79,6
	553,6	432,2	109,6
	773,6	437,1	153,2
	1057,1	440,6	209,3

Таблица. 2. Темновой ток ЛФД (I темн) в зависимости от напряжения смещения ЛФД (U ЛФД).

Данные, представленные в Таблице 2, использованы для построения графика на рис. 9.

Рис. 9. Темновой ток в зависимости от напряжения смещения ЛФД

Из рис.9 видно, что напряжение пробоя ЛФД около 450 В.

Имеет значение температура при которой проводятся измерения, ведь вместе с ней меняются характеристики ЛФД. В процессе измерений фиксировались также показания термометра. При измерениях температура менялась не более чем на 0,5 °C, каждую серию измерений проводили за один раз, специально чтобы не менять условия, поэтому связанные с температурой погрешности незначительны.

Фототок

Проведя такие же по принципу измерения, но с засветкой фотодиодом можно построить зависимость . В работе используются два типа диодов: первый ARL-3214URC-6cd (красный с длинной волны 620 – 635 нм) и L-7104UVC (ультрафиолетовый в диапазоне 385-415 нм). При измерении коэффициента усиления постоянная засветка при
устанавливалась такой, чтобы фототок через ЛФД был равен около 5нА.

Коэффициент усиления

Лавинный фотодиод обеспечивает внутреннее усиление за счёт эффекта лавинного умножения. Известно, что при усиления нет. Коэффициент усиления .

Планки погрешностей маленькие, и оказались меньше маркеров-точек, что видно из рис. 10 и рис. 11.

Рис. 10. Зависимость коэффициента усиления g от напряжения смещения ЛФД для красного светодиода.

Рис. 11. Зависимость коэффициента усиления g от напряжения смещения ЛФД для ультрафиолетового светодиода.

Измерение фактора избыточного шума

Запустив большое количество калибровочных импульсов, с помощью АЦП набирают статистику из соответствующего количества амплитуд сигнала, поступившего с УФ, затем строят гистограмму и фитируют её гауссовским распределением. Таким образом, получают среднее значение амплитуды за множество измерений и среднеквадратическое отклонение .
Фактор избыточного шума рассчитывался по формуле (1), он показан на Рис. 12 и 13.

Рис. 12. Зависимость фактора избыточного шума от напряжения смещения ЛФД для ультрафиолетового света

Рис. 13. Зависимость фактора избыточного шума от напряжения на ЛФД для красного света

Для напряжений смещения ЛФД меньше 350 В погрешность измерения F велика. Показаны величины F для напряжений смещения ЛФД 200, 250, 300 В; при меньших напряжениях погрешность F становится равной около 100%. Таким образом, в диапазоне напряжений смещения ЛФД до 300 В фактор избыточного шума согласуется с теоретически ожидаемым F=1 в пределах больших погрешностей измерения.

Также представляет интерес зависимость фактора избыточного шума от коэффициента уcиления, показанная на рис. 14 и рис 15.

Рис. 14. Зависимость фактора избыточного шума от коэффициента усиления для ультрафиолетового светодиода

Рис. 15. Зависимость фактора избыточного шума от коэффициента усиления для красного светодиода

Для того, чтобы эти результаты для разных длин волн были более

наглядными, построен график (см. рис. 16).

U ЛФД, В

Рис. 16. Фактор избыточного шума в зависимости от напряжения на ЛФД,

комбинированный график для ультрафиолетового и красного светодиодов

Выводы и заключение

В курсовой работе мной были проведены измерения основных характеристик лавинного фотодиода Hamamatsu APD S8664-1010: темнового тока, коэффициента усиления и фактора избыточного шума для двух длин волн детектируемого света, 400 нм и 630 нм.

Из результатов можно сделать следующие выводы: - темновой ток стремительно увеличивается с приближением напряжения на ЛФД к напряжению пробоя. - коэффициент усиления ЛФД (g) при увеличении напряжения возрастает по кривой, напоминающей экспоненту, при этом его значение немного меньше для красной длины волны, как видно из рис.17.

Ультрафиолетовый светодиод

Красный светодиод

Рис. 17. Коэффициент усиления (g) в зависимости от напряжения ЛФД, комбинированный график для ультрафиолетового и красного светодиодов

- зависимость фактора избыточного шума от коэффициента усиления, различна для ультрафиолетового и красного светодиодов, причём с красным светодиодом (т. е. для большей длины волны) показатель F при одинаковых g выше, и разница немного увеличивается с ростом показателя g (рис. 18).

Рис. 18. Фактор избыточного шума в зависимости от коэффициента усиления, комбинированный график для ультрафиолетового и красного светодиодов

Заметное увеличение фактора избыточного шума ЛФД при засветке
ЛФД красным светом (с длиной волны 630 нм) по сравнению со случаем
засветки ультрафиолетовым светом (с длиной волны 400 нм) связана с большим (более чем в 30 раз) увеличением длины поглощения красного света в кремнии. При этом фактор избыточного шума для красного света начинает определяться не только флуктуациями развития лавины, но и чисто геометрическим фактором флуктуации коэффициента усиления ЛФД (индуцированным большим разбросом точки поглощения красного света в ЛФД).

Обычно с ЛФД работают при таком напряжении, которое обеспечивает коэффициент усиления . При этом значении g, как видно из рис.18, фактор избыточного шума для красного света равен , а для ультрафиолетового - .

В счётчиках на основе кристаллов чистого CsI и
ЛФД Hamamatsu S8664-1010 использование дополнительного спектросместителя с NOL-9 приведёт к увеличению вклада статистики фотоэлектронов в энергетическое разрешение калориметра не более чем на , что удовлетворяет проектным требованиям к калориметру.

Список использованной литературы

1. T. Aushev et al., arXiv:1002.5012 [hep-ex], T. Abe et al. [Belle-II Collaboration], arXiv:1011.0352 [physics.ins-det]

2. A. J. Bevan et al. [BaBar and Belle Collaborations], Eur. Phys. J C 74 (2014) 3026

3. H. Aihara et al., PoS (PhotoDet2015) 052, http://cmd.inp.nsk.su/~epifanov/PhotoDet2015_052.pdf

4. http://www.luminnotech.com/

5. http://www.hamamatsu.com/jp/en/S8664-55.html

6. Д. А. Епифанов, доклад на 22-ом общем собрании коллаборации Belle II 19-23 Октября 2015 г.