Uso de fotomultiplicadores de silicio para medidas de alta velocidad y baja intensidad luminosa. Use of silicon photomultipliers for high speed and low and intensity measurements

Abstract

Esta tesis está dedicada al estudio de los nuevos fotodetectores de alta sensibilidad conocidos como fotomultiplicadores de silicio (SiPMs). Se ha desarrollado una extensa revisión bibliográfica relacionada con estos dispositivos orientada a conocer sus fundamentos, propiedades, dependencias, fenómenos y aplicaciones. Se han realizado medidas experimentales para la caracterización del fotomultiplicador de silicio utilizando para ello fuentes de luz incoherentes. Estos resultados, junto con la revisión realizada sobre modelado de SiPMs, ha permitido obtener un circuito equivalente para el dispositivo que ha sido validado comparando simulaciones y resultados experimentales. El acortamiento del pulso de detección ha proporcionado buenos resultados en la mejora de la capacidad del fotodetector para discriminar y contar fotones individuales. Varias figuras de mérito han sido propuestas para demostrar las mejoras logradas en el patrón de conteo de fotones individuales alcanzable con el SiPM. La dependencia con la temperatura de estos patrones también ha sido analizada y los resultados obtenidos muestran que el acortamiento podría ser una alternativa interesante a la tradicional refrigeración aplicada al fotodetector. También se han analizado y ensayado estrategias de quenching activo para tratar de lograr una reactivación rápida del fotodetector y hacer posible su uso en aplicaciones en las que es necesario trabajar con una alta tasa de repetición óptica. [ABSTRACT] This thesis is devoted to the study of novel high sensitivity photodetectors known as Silicon Photomultipliers (SiPMs). An extensive bibliographic revision related with these devices has been developed for getting base knowledge in relation with their fundamentals, properties, dependences, phenomena and applications. Experimental measurements for SiPM characterization has been done using incoherent light sources. There results together with the revision developed on relation with SiPM modeling have led to obtain an equivalent circuit for the device which has been validated by comparison of simulated and experimental results. Shortening of the photodetection output pulse has provided good results for enhancing the capability of the SiPM to resolve and count single photons. Several figures of merit have been proposed to demonstrate the improvement achieved in the Single Photon Counting pattern reachable with the SiPM. Dependency with the temperature of these patterns has been analyzed and results show that shortening might be an interesting alternative to the traditional photodetector cooling. Active quenching strategies have been analyzed and assayed for attempting a fast reactivation of the photodetector and to do possible its use in applications where very high optical rates are needed.