KIP-Veröffentlichungen

Silizium Photomultiplier (SiPM) sind aus einer Pixelstruktur bestehende Halbleiter Photodetektoren, die durch Lawineneffekte in den Pixeln der Sensoren die Messung kleinster Lichtsignale mit einer hohen Energie- und Zeitauflösung erlauben. Durch ihre besonderen Eigenschaften lassen sie sich in hochgranulare Detektorsysteme integrieren. Zur Messung der Ladungssignale des Detektors ist die Entwicklung von spezieller Elektronik erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dieser Ausleseelektronik für Silizium Photomultiplier. Zur Charakerisierung eines am Kirchhoff Institut für Physik entwickelten ASIC (Application specific integrated circuit) für die Energiemessung wurden Messaufbauten entwickelt, die eine automatisierte Messung der Eigenschaften des ASIC erlauben. Die durchgeführten Charakterisierungsmessungen erlauben die Weiterentwicklung des ASIC zu einem vollständigen Auslesesystem. Neben der Effizienz der Ladungsmessung wurde die angewandte Technik zur Minimierung des Stomverbrauchs getestet. Durch Messungen und Simulationen wurden verschiedene Beiträge zur Energieauflösung des Systems untersucht. Die Ergebnisse zeigen ein Signal-zu-Rauschverhältnis von 8,37 für einzelne Pixelsignale. Die Messung der Zeitinformation ist wesentlich für die Positron-Emissions-Tomographie. Am KIP wurde ein Auslesechip zur Zeitmessung von Signalen von Silizium Photomultipliern entwickelt. In dieser Arbeit wurden Mixed-Signal Simulationen mit diesem ASIC durchgeführt, um die korrekte Ubergabe der Daten zwischen Analog- und Digitalteil zu uberprüfen. Das Konzept der Energiemessung des ASIC wurde mit einer früheren Version getestet. Die Messgungen zeigen, dass sich mit dieser Methode eine Energieauflösung von σE /E = 11, 6% erreichen lässt.

Silicon Photomultipliers are pixelized photodetectors based on semiconductors. These sensors allow precise measurements of smallest light signals in energy and time, making use of avalanche processes in the sensor’s pixels. Due to their special properties, an integration into highly granular detector systems is possible. However, the measurement of the sensor’s charge signals requires the development of special electronics for this purpose. These readout circuits are the topic of this thesis. In order to characterize an ASIC (Application-specific integrated circuit) developed at KIP and designed for energy measurements, a test stand was developed to study the characteristics of this ASIC in an automated fashion. The measurements allow further developments towards a fully integrated readout system. The charge conversion efficiency of the ASIC was measured, and methods for low-power operation were studied. Contributions to the energy resolution were studied using measurments and simulations, and show a signal-to-noise ratio of 8.37 for single pixel signals. The precise measurement of time is crucial for positron-emmision-tomography. An ASIC was developed at KIP to measure the time information of silicon photomultiplier signals. This thesis describes the realized simulations with this ASIC in order to assure correct handover of the measured data between the analog and digital parts of the chip. The concept of energy measurement used in the ASIC was tested with a previous version of the chip. These measurements show that an energy resolusion of σE /E = 11, 6% is achievable.