The finite number of pixels in silicon photomultipliers (SiPMs) limits the dynamic range of these devices. Therefore understanding and correcting for non-linearity is important when operating SiPMs outside their dynamic range. In this thesis, a method and novel setup were developed that study the non-linear response of SiPMs under different conditions. The response function of the SiPM to increasing light intensity was measured. From this response function both the on-set of non-linearity can be determined as well as a correction that expands the dynamic range. An essential part of the correction is that it only depends on the measured SiPM response and does not require a linear light source. The response function shows no dependence on operating voltage and minor dependence on the temporal distribution of light. For the given Hamamatsu SiPM investigated (S14160-1315PS, pixel pitch 15 μm, number of pixels 7296), the on-set of linearity was found to be at 15% of the total number of pixels fired, highlighting the limited dynamic range. With the correction function deviation from linearity by 5% occurs once the measured charge is equal to approximately 80% of the total number of pixels having fired. The method and setup can be used to reliably measure the response function of the studied SiPM and increase the dynamic range by a factor of five.
Die begrenzte Anzahl von Pixeln in Silizium-Photovervielfachern (SiPMs) beschränkt den dynamischen Bereich dieser Detektoren. Daher ist es bedeutend, die Nichtlinearität zu verstehen und korrigieren zu können, wenn SiPMs außerhalb ihres dynamischen Bereiches betreiben werden. In dieser Arbeit wurde eine Methode und ein neuartiges Experiment entwickelt, mit deren Hilfe die nichtlineare Antwort von SiPMs unter verschiedenen Bedingungen untersucht werden kann. Die Antwortfunktion des SiPMs wurde für zunehmende Lichtintensitäten gemessen. Aus dieser Antwortfunktion können sowohl der Beginn der Nichtlinearität als auch eine Korrektur bestimmt werden, die den dynamischen Bereich des SiPMs erweitert. Ein wichtiger Teil dieser Korrektur ist, dass diese nur von der gemessenen SiPM Antwortfunktion abhängt und keine lineare Lichtquelle benötigt. Die Antwortfunktion zeigt keine Abhängigkeit von der Betriebsspannung und nur eine geringe Abhängigkeit von der zeitlichen Verteilung des Lichtes. Für den in dieser Arbeit untersuchten SiPM (Hamamatsu S14160-1315PS, Pixelgröße 15 μm, Anzahl an Pixel 7296) wurde der Beginn der Nichtlinearität gefunden, wenn 15 % aller Pixel ausgelöst werden. Dies weist auf den begrenzten dynamischen Bereich hin. Mit der Korrektur tritt eine Abweichung von einer linearen Antwort um 5 % erst auf, wenn die gemessene Ladung etwa 80 % von ausgelösten Pixeln entspricht. Die entwickelte Methode und das Experiment können verwendet werden, um die Antwortfunktion des untersuchten SiPM zuverlässig zu vermessen. Des Weiteren ist es möglich, den dynamischen Bereich um das Fünffache zu erhöhen.