Characterization of Silicon Photomultipliers Before and After Neutron Irradiation

Author: 
Michael Sergej Nitschke
Date: 
Jul 2016

Thesis Type:

Characterization of Silicon Photomultipliers Before and After Neutron Irradiation

Abstract

In this thesis the influence of neutron irradiation on silicon photomultipliers (SiPMs) is investigated.

SiPMs are detectors made of a matrix of single photon avalanche diodes connected in parallel and operated in Geiger mode, which means that they are operated at a voltage higher than their breakdown voltage. In Geiger mode photons can create electron-hole
pairs inside the SiPM that cause charge avalanches, which can be registered as a flowing current. This way a SiPM can achieve up to single photon resolution. Because of their small size and the low price SiPMs became an attractive alternative to photomultiplier
tubes.
Several SiPMs from the company KETEK were characterized using current-voltage measurements, capacitance-voltage-frequency measurements and charge-voltage measurements. This was done before having them irradiated with neutrons and afterwards. The
goal is to compare the SiPM properties and performance as well as to quantify the influence of neutron induced radiation damages.

Zusammenfassung

In dieser Masterarbeit wird er Einfluss von Neutronenstrahlung auf Silizium Photomultiplier (SiPMs) untersucht.
Als SiPM bezeichnet man einen Detektor bestehend aus einer Matrix von Lawinenphotodioden, die parallel geschaltet und im Geiger Modus betrieben werden. Das heißt, dass sie mit einer Spannung über der Durchbruchspannung betrieben werden. Im Geiger Modus können einzelne Photonen Ladungslawinen auslösen, die als Strom registriert werden können. Dadurch ist es möglich, mit SiPMs einzelne Photonen zu detektieren. Aufgrund ihrer kleinen Abmaße und des günstigen Preises wurden SiPMs zu einer attraktiven Alternative zu Photoelektronenvervielfachern.
Es wurden mehrere SiPMs der Firma KETEK mit unterschiedlichen Messmethoden charakterisiert. Die Messungen umfassten das Aufnehmen von Strom-Spannungs-Kurven, Kapazität-Spannungs-Frequenz-Kurven sowie Spannungs-Ladungs-Messungen.
Diese wurden bevor und nachdem die SiPMs mit Neutronen bestrahlt wurden, genommen. Das Ziel ist es, die Eigenschaften und Leistungsfähigkeit der SiPMs vorher und nachher zu vergleichen und den Einfluss neutroneninduzierter Schäden zu quantifizieren.