مضاعفات السيليكون الضوئية: الاستعداد للتطبيقات في علم فلك أشعة جاما - عالم الفيزياء

هاماماتسو الضوئيات، وهي شركة يابانية لتصنيع الإلكترونيات الضوئية تعمل في مختلف الأسواق الصناعية والعلمية والطبية ، وتقوم بتقييم الفرص المتطورة في فيزياء الطاقة العالية لمحفظة تقنيات مضاعفات السيليكون الضوئية (SiPM). على المدى القريب ، يعني هذا أن التركيز ينصب على التطبيقات الناشئة في فيزياء الجسيمات الفلكية وعلم فلك أشعة جاما ، بينما يوجد وعد آخر بنشر SiPM على نطاق واسع داخل مرافق مسرعات الجسيمات مثل CERN, KEK و فيرميلاب لاستكشاف فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي.

ماذا عن الأساسيات؟ SiPM - المعروف أيضًا باسم أ عداد فوتون متعدد البكسل (MPPC) - عبارة عن مُضاعِف ضوئي للحالة الصلبة يتألف من مصفوفة عالية الكثافة من الثنائيات الضوئية الجليدية التي تعمل في وضع جيجر (مثل أن زوجًا واحدًا من الثقوب الإلكترونية المتولدة عن طريق امتصاص الفوتون يمكن أن يؤدي إلى تأثير "انهيار جليدي" قوي). وبهذه الطريقة ، توفر التقنية أساسًا لمنصة استشعار بصرية مناسبة بشكل مثالي لعد الفوتون الفردي وتطبيقات الضوء شديد الانخفاض بأطوال موجية تتراوح من الفراغ فوق البنفسجي عبر المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة.

هاماماتسو ، من جانبها ، تزود حاليًا حلول SiPM التجارية في مجموعة من التطبيقات الراسخة والناشئة التي تغطي البحث الأكاديمي (مثل تجارب الحوسبة الكمية والتواصل الكمي) ؛ الطب النووي (مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني) ؛ مراقبة النظافة في مرافق إنتاج الأغذية ؛ وكذلك أنظمة الكشف عن الضوء والمدى (LiDAR) للمركبات ذاتية القيادة. ومن بين العملاء الآخرين مصنعي المعدات الأصلية للأجهزة المتخصصين في مجالات مثل الفحص المجهري الفلوري وتنظير العين بالليزر. مجتمعة ، فإن ما يدعم حالات الاستخدام المتنوعة هذه هو ورقة المواصفات الفريدة لـ SiPM ، التي تجمع بين الكفاءة العالية للكشف عن الفوتون (PDE) والصلابة ومقاومة الضوء الزائد ومناعة الحقول المغناطيسية.

رؤى أشعة جاما

من الواضح أن هذه الخصائص نفسها تتوافق جيدًا مع المتطلبات التقنية للجيل القادم من أجهزة الكشف لفيزياء الجسيمات الفلكية (دراسة الجسيمات الأولية ذات الأصل الكوني وعلاقتها بالفيزياء الفلكية وعلم الكونيات). مثال على ذلك هو مرصد مصفوفة تلسكوب شيرينكوف (CTA)، وهي مبادرة بحثية دولية طموحة في طور بناء أكبر مرصد لأشعة غاما عالية الطاقة وأكثرها حساسية في العالم ، ويتألف من 64 تلسكوبًا بأحجام مختلفة لتغطية نطاق واسع من طاقة أشعة جاما (من 20 جيجا إلكترون فولت إلى 300 تيرا إلكترون فولت). سوف تملأ المقاريب صفيفين - موقع واحد يقع في جزر الكناري ، إسبانيا ؛ الآخر في تشيلي - لتغطية نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي.

حسب السياق ، عندما تصل أشعة جاما إلى الغلاف الجوي للأرض ، فإنها تتفاعل مع طبقاتها الخارجية لإنتاج مجموعات من الجسيمات دون الذرية المعروفة باسم "الدشات الهوائية" أو "زخات الجسيمات". يمكن لهذه الجسيمات عالية الطاقة أن تنتقل أسرع من الضوء الموجود في الهواء ، مما يخلق وميضًا أزرق من ضوء شيرينكوف (مثل الطفرة الصوتية الناتجة عن طائرة تتجاوز سرعة الصوت).

أثناء انتشاره على مساحة كبيرة (يبلغ قطرها عادةً 250 مترًا) ، يستمر ضوء Cherenkov لبضع نانو ثانية فقط - لفترة كافية لتتبعه بواسطة مرايا تلسكوبات CTA واكتشافه بواسطة الكاميرات عالية السرعة الموضوعة في بؤرها. على هذا النحو ، سيمكن CTA علماء الفلك في النهاية من التحقيق في أشعة جاما الأصلية وأصولها الكونية.

يوضح ماورو بومبوناتي ، كبير مهندسي المبيعات في القسم الإيطالي لشركة Hamamatsu Photonics في ميلانو: "فيما يتعلق بالتطوير المستمر للمنتجات والابتكار ، نحن مهتمون بكيفية استخدام منصة SiPM للكشف عن الغلاف الجوي لضوء Cherenkov". "نحن نرى مبادرة CTA كأرضية اختبار مثالية لأجهزة الكشف عن SiPM ، وبالتالي ، كنقطة انطلاق للنشر المستقبلي لتقنية SiPM في مرافق التسريع واسعة النطاق - على سبيل المثال ، لدعم تجارب النيوترينو والبحث عن المادة المظلمة . "

تعاون بلو سكاي

مع وضع ذلك في الاعتبار ، تعاون فريق البحث والتطوير في هاماماتسو عن كثب مع المعهد الوطني الإيطالي للفيزياء الفلكية (INAF) في سياق مشروع أستري، وهو كونسورتيوم دولي في طور بناء تسعة تلسكوبات مزدوجة المرآة (قطر 4 أمتار) لعلم فلك شيرينكوف في الغلاف الجوي. كشريك تقني مفضل ، تولى هاماماتسو تصميم وتطوير وتحسين وحدات SiPM المخصصة المستخدمة لملء كاميرات Cherenkov المدمجة لتلسكوبات ASTRI. يتم حاليًا تثبيت مصفوفة ASTRI المصغرة الناتجة في مرصد تيد (تينيريفي ، جزر الكناري) وتمثل "مستكشف" للمصفوفة الفرعية لـ CTA المكونة من 37 تلسكوبًا صغير الحجم (SSTs) التي سيتم تثبيتها في Paranal (تشيلي) .

عند الانتهاء ، سيضم CTA أيضًا 23 تلسكوبًا متوسط ​​الحجم (MSTs) - كل منها بقطر 12 مترًا وموزعًا على كلا موقعي المصفوفة - بالإضافة إلى أربعة تلسكوبات كبيرة الحجم (LSTs) بقطر 23 مترًا. من الناحية التشغيلية ، ستستغل أنظمة الكاميرا LST و MST أنابيب مضاعفة الضوء ؛ في المقابل ، ستستخدم كاميرات SSTs SiPMs لتحويل ضوء Cherenkov إلى بيانات كهربائية لقراءة وتحليل عالي السرعة.

تجدر الإشارة أيضًا إلى أن INAF ، جنبًا إلى جنب مع فرق مشروع CTA الأخرى ، تتابع اختلافات في موضوع SST ، مع تعديلات طفيفة على هندسة وتصميم تلسكوبات SST لتحقيق نهج مثالي مقابل متطلبات CTA الفنية. داخل هاماماتسو ، أيضًا ، جهود البحث والتطوير على مستوى الجهاز مستمرة - على وجه التحديد تحسين SiPM PDE في الأشعة فوق البنفسجية القريبة (200-400 نانومتر) ، حيث تكون كثافة ضوء Cherenkov مثالية.

"نحن نعمل على تحسين عملية تصنيع الرقائق لتقليل عدد عيوب الشبكة في طبقة التحويل الكهروضوئية ،" يلاحظ بومبوناتي. الهدف هو زيادة عمر الموجة الحاملة وزيادة عدد الموجات الحاملة التي تصل إلى طبقة الانهيار الجليدي. ويضيف: "حتى الآن ، أظهر مهندسو هاماماتسو زيادة بنسبة 16٪ في حساسية الكاشف عند 350 نانومتر."

التركيز الآخر للبحث والتطوير في Hamamatsu يتضمن قمع تراكم في كاشفات SiPM - أي لجعل الحافة الصاعدة لشكل موجة الإشارة أكثر حدة عن طريق ضبط مقاومة التبريد وتقليل السعة الطرفية. وبهذه الطريقة ، يمكن استخدام عتبة إطلاق منخفضة لفصل "أحداث" شيرينكوف عن الضوضاء ، بحيث يمكن ملاحظة الأحداث منخفضة الطاقة كمعيار.

نفس القدر من الأهمية هو استغلال تقنية عبر السيليكون (TSV) ، والتي هي في الأساس اتصال كهربائي رأسي يمر بالكامل عبر رقاقة السيليكون لتعظيم المنطقة النشطة لاكتشاف الفوتون مع تقليل المساحة الميتة في نفس الوقت (وبالتالي تحسين PDE مع خفض أيضًا الحديث المتبادل بين وحدات بكسل SiPM).

ذكاء تنافسي

من الناحية الإستراتيجية ، يحتفظ هاماماتسو بموجز مشاهدة حول المشهد الأوسع في فيزياء الطاقة العالية لضمان إطار مرجعي يحركه العميل لبرنامج الابتكار الداخلي الخاص به. ومن الأمثلة على ذلك "وضع مراقب" الشركة داخل CERN اللجنة الأوروبية لمسرعات المستقبل (ECFA) ، وهي مبادرة تدعم التنمية على مستوى المجتمع المحلي لخرائط طريق البحث والتطوير طويلة المدى لتقنيات المسرع والكاشف.

يخلص بومبوناتي إلى أن "المشاركة مع ECFA تساعدنا على تحديد أولويات اتجاهات التكنولوجيا الناشئة ومتطلبات المستخدم لـ SiPM في فيزياء الجسيمات الفلكية والعلوم القائمة على المعجل". "في الوقت نفسه ، ينتج عن تطوير حلول SiPM للبحوث الحدودية في فيزياء الطاقة العالية أيضًا مردودات في أماكن أخرى - ليس أقلها من حيث القدرة المحسنة والتمايز التنافسي لتطبيقاتنا الصناعية الأكثر رسوخًا."

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• أفلاطونايستريم. ذكاء بيانات Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• سك المستقبل مع أدرين أشلي. الوصول هنا.
• شراء وبيع الأسهم في شركات ما قبل الاكتتاب مع PREIPO®. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/