Advanced experimental techniques for SiPM characterization at cryogenic temperatures

Il tema principale di questo trattato è lo sviluppo di apparati di misura e procedure sperimentali per la caratterizzazione delle proprietà optoelettroniche di fotomoltiplicatori al Silicio (SiPMs) nel contesto dell’esperimento DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), al fine di predisporre il loro utilizzo nei rivelatori ProtoDUNE-HD e DUNE-FD1. Inizialmente viene fornita una visione generale dell’esperimento DUNE, in cui vengono descritti i punti salienti del programma scientifico, la teoria fisica sottostante, e il design attualmente previsto per le singole componenti. La descrizione diventa più dettagliata per quanto riguarda il primo modulo del far detector (DUNE-FD1), dato che i SiPM in questione verranno utilizzati come unità fondamentale del sistema di foto-rivelazione (PDS) della camera a proiezione temporale ad argon liquido (LArTPC). Per completare la contestualizzazione del tema principale, il trattato contiene anche una descrizione dettagliata delle proprietà elettriche e optoelettroniche dei SiPM, dei modelli teorici adottati per descrivere il loro funzionamento e delle procedure comunemente adottate per caratterizzarli. La caratterizzazione dei SiPM per ProtoDUNE-HD e DUNE-FD1 svolta dalla divisione di Ferrara del Consorzio DUNE-PDS è l’argomento centrale di questo trattato. Questo contributo è consistito nella caratterizzazione di singoli sensori SiPM, a temperatura ambiente e alla temperatura di azoto liquido, che ha permesso la selezione dei modelli più promettenti per applicazioni nel contesto dell’esperimento DUNE, assieme alla definizione delle migliori condizioni di lavoro per massimizzare le loro performance. Il gruppo DUNE-PDS Ferrara sta contribuendo anche alla seconda fase della campagna di test, che prevede lo svolgimento di test di garanzia per un grande numero di SiPM. In particolare, il gruppo DUNE-PDS Ferrara, in collaborazione con il gruppo DUNE-PDS Bologna, hanno sviluppato un setup sperimentale per velocizzare questa procedura. Il sistema, denominato CACTUS, permette la caratterizzazione automatizzata di 120 sensori in parallelo a livello di caratteristica IV e conteggi di buio (DCR), sia a temperatura ambiente che in azoto liquido, in una singola sessione di misura. L’apparato CACTUS è stato già utilizzato per testare la produzione di SiPM per ProtoDUNE-HD, un prototipo in scala ridotta di DUNE-FD1 che condivide con esso lo stesso design a livello di singole componenti. Le 6000 unit`a testate con CACTUS per ProtoDUNE-HD non hanno riportato anomalie (failure rate circa 0.05%). Il sistema CACTUS verrà replicato anche nelle università di Milano Bicocca, Granada e Praga, queste si aggiungeranno ai siti di Ferrara e Bologna nella campagna di caratterizzazione di SiPM per la produzione DUNEFD1-HD, che conta 288000 sensori

The main topic of this thesis is the characterization of silicon photomultipliers (SiPM) detectors for the DUNE experiment, in particular for the ProtoDUNE-HD and DUNE-FD1 modules, and the development of novel experimental setups and techniques to perform this task. The initial overview of DUNE outlines the main features of the experiment (underlying physics, scientific program and current design for single components), giving particular attention to the first of the four DUNE far detector modules (DUNE-FD1). This includes the general working principles of a LArTPC, the current plan for the DUNE-FD1 design and lastly the role of SiPMs in this design (i.e. fundamental units of the photon detection system PDS). A brief description of the ProtoDUNE2-HD detector is also reported, since it shares the same PDS design with the DUNE-FD1 detector. A detailed description of the SiPM fundamental properties and working principles is also reported, discussing the most important parameters involved in their characterization (in the context of the DUNE experiment). The presented work falls in the context of the SiPM test campaign engaged by the DUNE PDS consortium to down-select and test SiPMs for both the ProtoDUNE-HD and DUNE-FD1 detectors. The Ferrara group took active participation on both the first test phase, that consisted in the full characterization of single sensors to down-select two SiPM models as most promising devices, and the second phase, which is a quality assurance test campaign for a large number of SiPMs of the selected models. The Ferrara group, together with the Bologna group, developed a custom apparatus (CACTUS) to perform fast and automatized characterizations in order to leverage the time involved in the aforementioned massive SiPM test campaign. This apparatus was used for test the ProtoDUNE2-HD SiPM production (6000 units), which resulted in all the sensors being within the DUNE specifications (failure rate around 0.05%), and it is currently operating for the DUNEFD1-HD SiPM characterization campaign (288000 units). The CACTUS system permits to characterize automatically up to 120 SiPMs in parallel, both at room temperature and at LN2 temperature, in a single measurement session, and it is planned to be installed in other 3 sites to join the DUNEFD1-HD SiPM characterization campaign in 2023.