Silicium fotomultiplikatorer: klargøring til applikationer inden for gamma-ray astronomi – Physics World

Hamamatsu fotonik, en japansk producent af optoelektronik, der opererer på tværs af forskellige industrielle, videnskabelige og medicinske markeder, evaluerer banebrydende muligheder inden for højenergifysik for sin siliciumfotomultiplikator (SiPM) teknologiportefølje. På kort sigt betyder det, at fokus er på nye applikationer inden for astropartikelfysik og gammastråleastronomi, mens der længere nede af linjen er løftet om SiPM-implementering i stor skala inden for partikelacceleratorfaciliteter som f.eks. CERN, KEK , Fermilab at undersøge ny fysik ud over standardmodellen.

Hvad med det grundlæggende? SiPM - også kendt som en Multipixel fotontæller (MPPC) - er en solid-state fotomultiplikator, der består af en højdensitetsmatrix af lavinefotodioder, der fungerer i Geiger-tilstand (sådan at et enkelt elektron-hul-par genereret ved absorption af en foton kan udløse en stærk "lavine"-effekt). På denne måde danner teknologien grundlaget for en optisk registreringsplatform, der er ideel til enkeltfotontælling og andre ultralavt lys applikationer ved bølgelængder lige fra vakuum-ultraviolet gennem det synlige til det nær-infrarøde.

Hamamatsu på sin side leverer i øjeblikket kommercielle SiPM-løsninger til en række etablerede og nye applikationer, der spænder over akademisk forskning (f.eks. kvantecomputere og kvantekommunikationseksperimenter); nuklear medicin (f.eks. positronemissionstomografi); hygiejneovervågning i fødevareproduktionsfaciliteter; samt lysdetektions- og rækkeviddesystemer (LiDAR) til autonome køretøjer. Andre kunder omfatter instrumenterings-OEM'er, der er specialiseret i områder som fluorescensmikroskopi og scanning laser oftalmoskopi. Tilsammen er det, der understøtter disse forskellige anvendelsessager, SiPM'ens unikke specifikationsark, der kombinerer høj fotondetektionseffektivitet (PDE) med robusthed, modstandsdygtighed over for overskydende lys og immunitet over for magnetiske felter.

Gamma-ray indsigt

Åbenbart passer de samme egenskaber godt til de tekniske krav til den næste generation af detektorer til astropartikelfysik (studiet af elementære partikler af kosmisk oprindelse og deres forhold til astrofysik og kosmologi). Et eksempel på dette er Cherenkov Telescope Array (CTA) Observatorium, et ambitiøst internationalt forskningsinitiativ, der er i færd med at bygge verdens største og mest følsomme højenergi-gammastråleobservatorium, bestående af 64 teleskoper i forskellige størrelser til at dække et bredt gammastråleenergiområde (fra 20 GeV til 300 TeV). Teleskoperne vil befolke to arrays - et sted beliggende på De Kanariske Øer, Spanien; den anden i Chile – til at dække både den nordlige og den sydlige halvkugle.

Som kontekst, når gammastråler når Jordens atmosfære, interagerer de med dens ydre lag for at producere kaskader af subatomære partikler kendt som "luftbruser" eller "partikelbruser." Disse ultrahøjenergipartikler kan rejse hurtigere end lys i luften, hvilket skaber et blåt blink af Cherenkov-lys (som den soniske boom skabt af et fly, der overstiger lydens hastighed).

Mens det er spredt over et stort område (typisk 250 m i diameter), varer Cherenkov-lyset kun et par nanosekunder – lige længe nok til at blive sporet af spejlene på CTA's teleskoper og detekteret af højhastighedskameraerne placeret ved deres brændpunkter. Som sådan vil CTA i sidste ende gøre det muligt for astronomer at undersøge de overordnede gammastråler og deres kosmiske oprindelse.

"Med hensyn til løbende produktudvikling og innovation er vi interesserede i, hvordan SiPM-platformen kan bruges til atmosfærisk detektering af Cherenkov-lys," forklarer Mauro Bombonati, senior salgsingeniør hos Hamamatsu Photonics' italienske afdeling i Milano. "Vi ser CTA-initiativet som en ideel prøveplads for avancerede SiPM-detektorer og i forlængelse heraf et springbræt for fremtidig udrulning af SiPM-teknologi i storskala acceleratorfaciliteter - for eksempel for at understøtte neutrino-eksperimenter og søgen efter mørkt stof ."

Blå-himmel samarbejde

Med dette i tankerne har Hamamatsus R&D-team samarbejdet tæt med det italienske nationale institut for astrofysik (INAF) i forbindelse med ASTRI projekt, et internationalt konsortium, der er i gang med at bygge ni dobbeltspejlteleskoper (4 m i diameter) til atmosfærisk Cherenkov-astronomi. Som en foretrukken teknologipartner varetog Hamamatsu design, udvikling og optimering af ad hoc SiPM-moduler, der bruges til at befolke de kompakte Cherenkov-kameraer i ASTRI-teleskoperne. Den resulterende ASTRI mini-array er i øjeblikket ved at blive installeret ved Teide Observatory (Tenerife, De Kanariske Øer) og repræsenterer en "stifinder" for CTA's underarray af 37 småskala teleskoper (SST'er), der vil blive installeret i Paranal (Chile) .

Efter afslutningen vil CTA yderligere omfatte 23 mellemstore teleskoper (MST'er) - hver på 12 m i diameter og fordelt på begge array-steder - samt fire store teleskoper (LST'er) med en diameter på 23 m. Operationelt vil LST- og MST-kamerasystemerne udnytte fotomultiplikatorrør; SST-kameraerne vil derimod bruge SiPM'er til at konvertere Cherenkov-lys til elektriske data til højhastighedsudlæsning og analyse.

Det er også værd at bemærke, at INAF sammen med andre CTA-projekthold forfølger variationer af SST-temaet med små ændringer af geometrien og designet af SST-teleskoperne for at realisere en optimal tilgang i forhold til CTA-tekniske krav. Inden for Hamamatsu er R&D-indsatsen på enhedsniveau også i gang - specifikt forbedring af SiPM PDE i nær-UV (200-400 nm), hvor Cherenkov-lysintensiteten er optimal.

"Vi forbedrer waferfremstillingsprocessen for at reducere antallet af gitterdefekter i det fotoelektriske konverteringslag," bemærker Bombonati. Målet er øget bærerlevetid og et større antal bærere, der når lavinelaget. "Til dato," tilføjer han, "har Hamamatsu-ingeniører demonstreret en 16% forbedring i detektorfølsomheden ved 350 nm."

Et andet fokus i Hamamatsus R&D involverer pile-up-undertrykkelse i SiPM-detektorer – dvs. at gøre den stigende kant af signalbølgeformen skarpere ved at justere quenching-modstanden og reducere terminalkapacitansen. På denne måde kan en lavere triggertærskel bruges til at adskille Cherenkov "hændelser" fra støj, således at lavere energihændelser kan observeres som standard.

Lige så vigtig er udnyttelsen af ​​TSV-teknologien (Through-Silicon-via), som i det væsentlige er en lodret elektrisk forbindelse, der passerer fuldstændigt gennem en siliciumwafer for at maksimere det aktive område til fotondetektion og samtidig minimere dødt rum (hvorved PDE forbedres og samtidig sænkes) krydstale mellem SiPM-pixel).

Konkurrencedig intelligens

Strategisk holder Hamamatsu en overvågningsoversigt om det bredere landskab inden for højenergifysik for at sikre en kundedrevet referenceramme for sit interne innovationsprogram. Et eksempel herpå er virksomhedens "observatørstatus" inden for CERN's European Committee for Future Accelerators (ECFA), et initiativ, der understøtter fællesskabsdækkende udvikling af langsigtede F&U-køreplaner for accelerator- og detektorteknologier.

"Engagementet med ECFA hjælper os med at prioritere nye teknologitrends og brugerkrav til SiPM inden for astropartikelfysik og acceleratorbaseret videnskab," afslutter Bombonati. "Samtidig giver udvikling af SiPM-løsninger til frontlinjeforskning inden for højenergifysik også tilbagebetalinger andre steder - ikke mindst i form af forbedret kapacitet og konkurrencemæssig differentiering for vores mere etablerede industrielle applikationer."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
• Køb og sælg aktier i PRE-IPO-virksomheder med PREIPO®. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/