실리콘 포토멀티플라이어 비선형성 연구 BGO와 BSO 결정에서 고밀도 픽셀 SiPM을 이용한 빔 테스트

초록

본 연구는 고에너지 전자 빔을 이용해 BGO·BSO 결정에 결합된 고픽셀 밀도 SiPM의 비선형 응답을 정량화한다. 양쪽 끝에서 읽어내는 듀얼‑엔드 방식과 1 % 투과 중성 필터를 사용한 기준 SiPM을 도입해 광자 수를 정확히 보정하고, 텅스텐 프리‑쇼어와 입사 각도 변화를 통해 에너지 침착량을 확대하였다. 결과는 Hamamatsu SiPM의 경우 5 × 10⁵ 광자에서 약 20 %의 비선형성을 보였으며, NDL 디바이스와 빠른 BSO에서는 더 큰 편차가 관찰되었다.

상세 분석

이 논문은 차세대 전자‑양성자 충돌기(예: CEPC)에서 요구되는 1 % 수준의 에너지 해상도와 수백 GeV까지 확장되는 동적 범위를 동시에 만족할 수 있는 고입자밀도 SiPM‑결정 조합을 실험적으로 검증한다. BGO와 BSO는 높은 밀도와 적당한 광출력을 갖지만, 각각 300 ns와 100 ns의 긴 발광 붕괴 시간을 가지고 있다. 이러한 느린 발광 특성은 SiPM 픽셀의 회복 시간을 활용해 동일 픽셀이 여러 번 활성화될 수 있게 하여, 이론적인 포화 한계(픽셀 수)보다 넓은 동적 범위를 제공한다는 점이 핵심이다.

실험 설계는 두 개의 SiPM을 결정 양끝에 부착하고, 한쪽(Ref)에는 1 % 투과 중성 필터를 삽입해 신호를 선형 영역에 머물게 함으로써, Ref SiPM의 출력으로 DUT SiPM에 도달한 광자 수를 역산한다. 이는 전통적인 광전증폭기 교정보다 직접적인 광자 계수 보정을 가능하게 한다. 또한 텅스텐 프리‑쇼어를 전방에 배치하고, 결정과 빔 사이의 입사 각도를 30°~90° 사이에서 조절함으로써 전자 샤워의 최대 에너지 침착을 결정 내부에 집중시켰다. 시뮬레이션 결과, 텅스텐이 가장 높은 에너지 흡수를 제공하며, 작은 입사 각도가 최적의 침착량을 만든다.

전처리 전자증폭기(프리앰프)의 비선형 특성을 전하 주입 방식으로 정밀 보정했으며, 고·저이득 채널을 병행 사용해 10⁴ ~ 10⁶ 광자 범위 전역을 커버했다. SiPM 게인 캘리브레이션은 LED 펄스를 이용해 개별 픽셀 전압을 측정하고, MIP(최소 이온화 입자) 신호를 기준으로 에너지 스케일을 설정하였다.

측정 결과, Hamamatsu S14160‑6010PS SiPM(픽셀 10 µm, 3.6 × 10⁵ 픽셀)에서는 5 × 10⁵ 광자에서 약 20 %의 비선형 편차가 나타났으며, 이는 픽셀 회복 효과가 완전히 보정되지 않은 경우에 해당한다. NDL 제품(픽셀 6 µm, 9 × 10⁴ 픽셀)에서는 동일 광자 수에서 30 % 이상, BSO 결합 시에는 발광 시간이 짧아 회복 효과가 감소함에 따라 비선형성이 더욱 크게 나타났다. 시스템 전반의 불확실성은 프리앰프 비선형 보정, 온도 변동, 광수집 효율 차이, 그리고 시뮬레이션 기반 프리‑쇼어 최적화 등에 기인한다.

결론적으로, 느린 발광 BGO·BSO와 고밀도 SiPM의 조합은 픽셀 포화 한계를 크게 완화시켜 10⁶ 광자 수준까지 10 % 이하의 비선형성을 유지할 수 있음을 실험적으로 입증했다. 이는 향후 고에너지 전자‑양성자 충돌기에서 요구되는 넓은 동적 범위와 높은 에너지 해상도를 동시에 만족시킬 수 있는 실현 가능한 기술 경로를 제시한다.