Timing resolution of silicon photomultipliers before and after irradiation with cold neutrons

SiPMs are solid state silicon detectors composed of arrays of single-photon avalanche diodes connected in parallel and operated in Geiger mode. Due to impact ionization in Geiger mode, large number of electron-hole pairs are generated and hence a macroscopic current flow can be achieved. Because of this, SiPMs are sensitive to very small intensity of light, up to single photon. The most attractive features of SiPMs are their high photon detection efficiency, high gain, low bias voltage, insensitivity to magnetic fields, high timing resolution and low cost. Due to this, the popularity of SiPMs is increasing in the field of neutron time of flight application. Therefore, in order to access the use of SiPMs in neutron time of flight application, the neutron damage effect has been analyzed in this work. Timing resolution of each pair of similar irradiated and non-irradiated SiPM pixels; each pair manufactured by SensL and Hamamatsu were characterized separately using digital oscilloscope and pulsed laser emitting pulsed light of 45 ps pulse duration. Timing resolutions for each of the pairs were measured at roughly 600 to 700 photons at a constant temperature of 21. It was observed that the maximum degradation of timing resolution after cold neutron irradiation was 3 ps for SensL pixels and 12 ps for Hamamatsu pixels. This degradation in the timing performance could be a result of surface damage that occurred in SiPMs during the cold neutron irradiation.

I fotomoltiplicatori in silicio (Silicon PhotoMultipliers, SiPMs) sono dei rivelatori a stato solido composti da matrici di diodi a valanga a singolo fotone (Single-Photon Avalanche Diodes, SPADs) collegati in parallelo e operati in modalità Geiger. In questa condizione, a causa della ionizzazione ad impatto, da un singolo fotone viene generato un numero elevato di coppie di elettroni-lacune ed è quindi possibile ottenere un flusso di corrente macroscopico. Per questo motivo i SiPM sono sensibili a un'intensità di luce molto piccola, fino a un singolo fotone. Le caratteristiche più interessanti dei SiPM sono l'elevata efficienza di rivelazione dei fotoni, l’alto guadagno, la bassa tensione di polarizzazione, l’insensibilità ai campi magnetici, l’elevata risoluzione temporale e il basso costo. Per tali motivi è sempre alto l’interesse nell’uso di SiPM come elementi chiave nella rivelazione del tempo di volo di neutroni. Pertanto, al fine di valutarne l’usabilità, in questo lavoro di tesi è stato analizzato l'effetto del danno da neutroni sulla loro risoluzione temporale.  La risoluzione temporale di coppie di SiPM (irradiati e non irradiati) fabbricati da SensL e Hamamatsu è stata caratterizzata utilizzando un oscilloscopio digitale e un laser impulsato, con durata dell'impulso di 45ps. La risoluzione temporale di ogni dispositivo è stata misurata iluminando i dispositivi con circa 600-700 fotoni a una temperatura costante di 21°C.  Si è osservato che il massimo degrado della risoluzione temporale dopo un irraggiamento neutronico a freddo era di 3 ps per i SiPM fabbricati da SensL e di 12 ps per i SiPM di Hamamatsu. Tale degrado potrebbe essere il risultato di danni superficiali che si sono verificati sui SiPM durante l'irraggiamento neutronico a freddo.