Radiation Damage on Hamamatsu S10943 Silicon Photomultipliers

Author: 
Wolf Lukas Hellweg
Date: 
Aug 2013

Thesis Type:

Abstract
In this thesis the effects of X-ray radiation for doses of 0, 0.2 and 20 kGy on the Hamamatsu S10943 silicon-photomultiplier (SiPM) have been studied. The Hamamatsu S10943 is a passively quenched analogue SiPM with 400 pixels of 50x50 mm. Five samples have been characterized below and above breakdown using current-voltage, capacitance/conductance-voltage and capacitance/conductance-frequency as well as gain, dark-count rate and crosstalk measurements.
The results of each measurement for different doses were compared and analysed. Below breakdown significant changes, caused by surface damage at the Si-SiO2 interface, were observed. Above breakdown at typical operating voltages the changes were insignificant. Therefore X-ray radiation didn’t affect the operation of the Hamamatsu SiPM as a high-gain photodetector.

Zusammenfassung
In dieser Bachelorarbeit wurden die Auswirkungen von Röntgenstrahlung für Dosen von 0, 0,2 und 20 kGy auf den Hamamatsu S10943 Silizium Photomultiplier (SiPM) untersucht. Der Hamamatsu S10943 ist ein analoger SiPM mit 400 Pixel von jeweils 50x50 mm, die jeweilspassiv durch einen in Reihe geschalteten Widerstand gelöscht werden. Fünf Exemplare wurden sowohl oberhalb als auch unterhalb des Durchbruchs durch diverse Messungen charakterisiert.
Es wurden Strom-Spannungs-, Kapazität/Leitwert-Spannungs- und Kapazität/Leitwert-Frequenz- Messungen durchgeführt. Ausserdem wurde mit Hilfe von Pulshöhenspektren der Verstärkungsfaktor, die Dunkelzählrate und die Übersprechwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von der Spannung bestimmt. Diese Charakteristiken wurden für die angegebenen Dosen verglichen und analysiert. Unterhalb des Durchbruchs wurden starke Veränderungen bedingt durch Oberflächenschäden am Si-SiO2 Übergang beobachtet. Oberhalb des Durchbruchs bei typischen Betriebsspannungen wurden keine signifikanten Veränderungen beobachtet. Deshalb lässt sich folgern, dass die Betriebsfähigkeit des Hamamatsu S10943 SiPM innerhalb der untersuchten Dosen nicht durch Röntgenstrahlung beeinflusst wird.

The work of this bachelor thesis led to the following publications:

1.) C. Xu, R. Klanner, E. Garutti and W.-L. Hellweg
"Influence of X-ray irradiation on the properties of the Hamamatsu silicon photomultiplier S10362-11-050C”,
NIMA Volume 762, 21 October 2014, Pages 149-161, ISSN 0168-9002,
doi: 10.1016/j.nima.2014.05.112.

2.)C. Xu, W. L. Hellweg, E. Garutti and R. Klanner,
"Influence of X-ray irradiation on the properties of the Hamamatsu silicon photomultiplier S10362-11-050C,”
2013 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (2013 NSS/MIC), Seoul, 2013, pp. 1-8.
doi: 10.1109/NSSMIC.2013.6829718