Design of a SiPM-based cluster for the Large-Sized Telescope camera of the Cherenkov Telescope Array

Abstract

A Silicon Photomultiplier (SiPM)-based photodetector is being built to demonstrate its feasibility for an alternative silicon-based camera design for the Large Size Telescope (LST) of the Cherenkov Telescope Array. It has been designed to match the size of the standard Photomultiplier Tube (PMT) cluster unit and to be compatible with mechanics, electronics and focal plane optics of the first LST camera. Here, we describe the overall SiPM cluster design along with the main differences with respect to the currently used PMT cluster unit. The fast electronics of the SiPM pixel and its layout are also presented. In order to derive the best working condition for the final unit, we measured the SiPM performances in terms of gain, photo-detection efficiency and cross-talk. One pixel, a unit of 14 SiPMs, has been built. We will discuss also some preliminary results regarding this device and we will highlight the future steps of this project.

Малоразмерный Черенковский Телескоп С Полупроводниковыми Фотодетекторами: Полночастичное Моделирование Порога Регистрации Космических Гамма-Источников

“…Поэтому пороговая энергия моделируемого телескопа оценена как энергия, на которой достигает максимума выражение E −2.5 P (E, r). 8 Значения пороговой энергии, E th , определенные таким образом, также приведены в табл. 2.…”

“…Пороговые значения этих параметров могут значительно различаться для разных телескопов. Так, например, детальный анализ изображений при работе 8 Для энергий, близких к пороговой, это эквивалентно использованию приближенного выражения для эффективной площади S eff (E) ≃ 2πr P(E, r ) r в формуле (9), где r = 120 m, а r ∼ 100 mтипичная ширина распределения r P(r ) (что можно увидеть на примере зависимостей P(r ), приведенных в [34]). Следует отметить, что поскольку r = 120 m близко к некоторому среднему значению прицельного параметра регистрируемых ШАЛ от первичных частиц с энергиями близкими к пороговой, то такое приближение дает вполне адекватную оценку площади детектирования для соответствующих энергий.…”

“…Это заставляет специалистов искать новые типы фотоэлементов для камер, разрабатываемых в настоящее время черенковских гамма-телескопов нового (четвертого) поколения (например, CTA [4], ALEGRO [5]). В настоящее время наиболее подходящими кандидатами на роль таких фотоэлементов представляются полупроводниковые фотодетекторы -кремниевые фотоумножители (SiPM) -на основе которых со-здаются и успешно работают прототипы камер черенковских гамма-телескопов [6][7][8][9][10][11]. Такой выбор обусловлен тем, что в отличие от ФЭУ SiPM обладают сравнительно небольшими габаритами (3−10 mm), невысоким напряжением питания (< 100 V), высокой эффективностью детектирования (photon detection efficiency, PDE), достигающей ∼ 50%, и устойчивостью к избыточной засветке (что позволяет осуществлять наблюдения даже в лунные ночи [12], существенно увеличивая рабочий цикл).…”

Large-Area SiPM Pixels (LASiPs): a cost-effective solution towards compact large SPECT cameras

“…This is particularly critical for many high-energy physics and astrophysics experiments where fast timing and close to single-photoelectron resolution are needed. Several solutions have been developed in these fields to build large SiPM pixels that keep their capacitance at a reasonable level [15,16,17,18,19]. Inspired by these developments, we performed a feasibility study on the implementation of Large Area SiPM Pixels (LASiPs) in SPECT, as a solution to use SiPM technology in large gamma cameras.…”

Impact of Proton Irradiation on SiPM Dark Current for High-Energy Space Instruments

“…As photon detection is a major issue in any high-energy astronomy instrumentation, many ground telescopes and space missions combined photomultiplier tubes (PMTs) with scintillators, for converting incoming high-energy photons into visible light, which in turn is converted in an electrical pulse [1] [2]. The silicon photomultipliers (SiPM), instead of bulky and fragile PMTs that require a high-voltage of several thousand volts, seem to be an encouraging alternative to PMTs in the space field.…”