Φωτοπολλαπλασιαστές πυριτίου: προετοιμασία για εφαρμογές στην αστρονομία των ακτίνων γάμμα – Physics World

Φωτονική Hamamatsu, ένας Ιάπωνας κατασκευαστής οπτοηλεκτρονικών που δραστηριοποιείται σε διάφορες βιομηχανικές, επιστημονικές και ιατρικές αγορές, αξιολογεί τις ευκαιρίες αιχμής στη φυσική υψηλής ενέργειας για το χαρτοφυλάκιο τεχνολογίας φωτοπολλαπλασιαστή πυριτίου (SiPM). Βραχυπρόθεσμα, αυτό σημαίνει ότι η εστίαση είναι σε αναδυόμενες εφαρμογές στην αστροσωματιδιακή φυσική και την αστρονομία των ακτίνων γάμμα, ενώ πιο κάτω υπάρχει η υπόσχεση για ανάπτυξη SiPM σε κλίμακα σε εγκαταστάσεις επιταχυντών σωματιδίων όπως CERN, CAKE και Φερμιλάμπ να διερευνήσει νέα φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Τι γίνεται με τα βασικά; Το SiPM – επίσης γνωστό ως α Μετρητής φωτονίων πολλαπλών εικονοστοιχείων (MPPC) – είναι ένας φωτοπολλαπλασιαστής στερεάς κατάστασης που αποτελείται από μια μήτρα υψηλής πυκνότητας φωτοδιόδων χιονοστιβάδας που λειτουργούν σε λειτουργία Geiger (έτσι ώστε ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής που δημιουργείται από την απορρόφηση ενός φωτονίου μπορεί να πυροδοτήσει ένα ισχυρό φαινόμενο «χιονοστιβάδας»). Με αυτόν τον τρόπο, η τεχνολογία παρέχει τη βάση μιας πλατφόρμας οπτικής ανίχνευσης που είναι ιδανικά κατάλληλη για μέτρηση ενός φωτονίου και άλλες εφαρμογές εξαιρετικά χαμηλού φωτός σε μήκη κύματος που κυμαίνονται από το κενό-υπεριώδες έως το ορατό έως το εγγύς υπέρυθρο.

Η Hamamatsu, από την πλευρά της, παρέχει επί του παρόντος εμπορικές λύσεις SiPM σε μια σειρά καθιερωμένων και αναδυόμενων εφαρμογών που καλύπτουν την ακαδημαϊκή έρευνα (π.χ. κβαντικοί υπολογιστές και πειράματα κβαντικής επικοινωνίας). πυρηνική ιατρική (π.χ. τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων). παρακολούθηση της υγιεινής στις εγκαταστάσεις παραγωγής τροφίμων· καθώς και συστήματα ανίχνευσης και εμβέλειας φωτός (LiDAR) για αυτόνομα οχήματα. Άλλοι πελάτες περιλαμβάνουν OEM οργάνων που ειδικεύονται σε τομείς όπως η μικροσκοπία φθορισμού και η οφθαλμοσκόπηση με λέιζερ σάρωσης. Συνολικά, αυτό που στηρίζει αυτές τις διαφορετικές περιπτώσεις χρήσης είναι το μοναδικό φύλλο προδιαγραφών του SiPM, που συνδυάζει την υψηλή απόδοση ανίχνευσης φωτονίων (PDE) με την ανθεκτικότητα, την αντοχή στο υπερβολικό φως και την ανοσία στα μαγνητικά πεδία.

Πληροφορίες ακτίνων γάμμα

Προφανώς, αυτά τα ίδια χαρακτηριστικά ταιριάζουν καλά με τις τεχνικές απαιτήσεις της επόμενης γενιάς ανιχνευτών για την αστροσωματιδιακή φυσική (η μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων κοσμικής προέλευσης και η σχέση τους με την αστροφυσική και την κοσμολογία). Μια ενδεικτική περίπτωση είναι η Παρατηρητήριο Cherenkov Telescope Array (CTA)., μια φιλόδοξη διεθνής ερευνητική πρωτοβουλία που βρίσκεται στη διαδικασία κατασκευής του μεγαλύτερου και πιο ευαίσθητου παρατηρητηρίου ακτίνων γάμμα υψηλής ενέργειας στον κόσμο, που περιλαμβάνει 64 τηλεσκόπια διαφορετικών μεγεθών για να καλύψει ένα ευρύ φάσμα ενέργειας ακτίνων γάμμα (από 20 GeV έως 300 TeV). Τα τηλεσκόπια θα κατοικούν σε δύο συστοιχίες - μια τοποθεσία που βρίσκεται στα Κανάρια Νησιά της Ισπανίας. το άλλο στη Χιλή – για να καλύψει τόσο το βόρειο όσο και το νότιο ημισφαίριο.

Ως πλαίσιο, όταν οι ακτίνες γάμμα φτάνουν στην ατμόσφαιρα της Γης, αλληλεπιδρούν με τα εξωτερικά της στρώματα για να παράγουν καταρράκτες υποατομικών σωματιδίων γνωστά ως «βρόχια αέρα» ή «βροχή σωματιδίων». Αυτά τα σωματίδια εξαιρετικά υψηλής ενέργειας μπορούν να ταξιδέψουν ταχύτερα από το φως στον αέρα, δημιουργώντας μια μπλε λάμψη φωτός Cherenkov (όπως η ηχητική έκρηξη που δημιουργείται από ένα αεροσκάφος που υπερβαίνει την ταχύτητα του ήχου).

Ενώ απλώνεται σε μια μεγάλη περιοχή (συνήθως διαμέτρου 250 m), το φως του Cherenkov διαρκεί μόνο λίγα νανοδευτερόλεπτα – τόσο πολύ ώστε να παρακολουθείται από τους καθρέφτες των τηλεσκοπίων του CTA και να ανιχνεύεται από τις κάμερες υψηλής ταχύτητας που είναι τοποθετημένες στις εστίες τους. Ως εκ τούτου, το CTA θα επιτρέψει τελικά στους αστρονόμους να διερευνήσουν τις μητρικές ακτίνες γάμμα και την κοσμική προέλευσή τους.

«Όσον αφορά τη συνεχή ανάπτυξη και καινοτομία προϊόντων, μας ενδιαφέρει πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί η πλατφόρμα SiPM για την ατμοσφαιρική ανίχνευση του φωτός Cherenkov», εξηγεί ο Mauro Bombonati, ανώτερος μηχανικός πωλήσεων στο ιταλικό τμήμα της Hamamatsu Photonics στο Μιλάνο. «Βλέπουμε την πρωτοβουλία CTA ως ένα ιδανικό πεδίο αποδείξεων για προηγμένους ανιχνευτές SiPM και, κατ' επέκταση, ένα σκαλοπάτι για μελλοντική ανάπτυξη της τεχνολογίας SiPM σε εγκαταστάσεις επιταχυντών μεγάλης κλίμακας – για παράδειγμα, για την υποστήριξη πειραμάτων νετρίνων και την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης .»

Συνεργασία μπλε ουρανού

Έχοντας αυτό υπόψη, η ομάδα Ε&Α της Hamamatsu έχει συνεργαστεί στενά με το Ιταλικό Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής (INAF) στο πλαίσιο του έργο ASTRI, μια διεθνής κοινοπραξία που βρίσκεται στη διαδικασία κατασκευής εννέα τηλεσκοπίων διπλού καθρέφτη (διαμέτρου 4 μέτρων) για την ατμοσφαιρική αστρονομία Cherenkov. Ως προτιμώμενος τεχνολογικός συνεργάτης, η Hamamatsu χειρίστηκε το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και τη βελτιστοποίηση ad hoc μονάδων SiPM που χρησιμοποιούνται για τη συμπλήρωση των συμπαγών καμερών Cherenkov των τηλεσκοπίων ASTRI. Η προκύπτουσα μίνι-συστοιχία ASTRI εγκαθίσταται επί του παρόντος στο Παρατηρητήριο Teide (Τενερίφη, Κανάριες Νήσοι) και αντιπροσωπεύει έναν «ανιχνευτή διαδρομής» για την υποσυστοιχία του CTA των 37 τηλεσκοπίων μικρής κλίμακας (SST) που θα εγκατασταθούν στο Paranal (Χιλή). .

Μετά την ολοκλήρωση, το CTA θα περιλαμβάνει περαιτέρω 23 τηλεσκόπια μεσαίου μεγέθους (MST) – το καθένα με διάμετρο 12 m και κατανεμημένα και στις δύο τοποθεσίες συστοιχιών – καθώς και τέσσερα τηλεσκόπια μεγάλου μεγέθους (LSTs) με διάμετρο 23 m. Λειτουργικά, τα συστήματα κάμερας LST και MST θα εκμεταλλεύονται σωλήνες φωτοπολλαπλασιαστή. Οι κάμερες SST, αντίθετα, θα χρησιμοποιούν SiPM για να μετατρέψουν το φως Cherenkov σε ηλεκτρικά δεδομένα για ανάγνωση και ανάλυση υψηλής ταχύτητας.

Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι η INAF, μαζί με άλλες ομάδες έργου CTA, επιδιώκει παραλλαγές στο θέμα SST, με μικρές τροποποιήσεις στη γεωμετρία και το σχεδιασμό των τηλεσκοπίων SST για να πραγματοποιήσει μια βέλτιστη προσέγγιση έναντι των τεχνικών απαιτήσεων CTA. Στο Hamamatsu, επίσης, η προσπάθεια Ε&Α σε επίπεδο συσκευής συνεχίζεται – βελτιώνοντας συγκεκριμένα το SiPM PDE σε σχεδόν υπεριώδη ακτινοβολία (200–400 nm), όπου η ένταση φωτός Cherenkov είναι η βέλτιστη.

«Βελτιώνουμε τη διαδικασία κατασκευής πλακιδίων για να μειώσουμε τον αριθμό των ελαττωμάτων του πλέγματος στο στρώμα φωτοηλεκτρικής μετατροπής», σημειώνει ο Bombonati. Ο στόχος είναι η αύξηση της διάρκειας ζωής του φορέα και ο μεγαλύτερος αριθμός μεταφορέων που φτάνουν στο στρώμα χιονοστιβάδας. «Μέχρι σήμερα», προσθέτει, «οι μηχανικοί της Hamamatsu έχουν επιδείξει 16% βελτίωση στην ευαισθησία του ανιχνευτή στα 350 nm».

Ένα άλλο επίκεντρο της Ε&Α της Hamamatsu περιλαμβάνει την καταστολή συσσωρεύσεων στους ανιχνευτές SiPM – δηλαδή για να γίνει πιο ευκρινές το ανερχόμενο άκρο της κυματομορφής του σήματος ρυθμίζοντας την αντίσταση σβέσης και μειώνοντας την χωρητικότητα του τερματικού. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα χαμηλότερο κατώφλι ενεργοποίησης για τον διαχωρισμό των «γεγονότων» του Cherenkov από τον θόρυβο, έτσι ώστε συμβάντα χαμηλότερης ενέργειας να μπορούν να παρατηρηθούν ως στάνταρ.

Εξίσου σημαντική είναι η εκμετάλλευση της τεχνολογίας μέσω πυριτίου μέσω (TSV), η οποία είναι ουσιαστικά μια κατακόρυφη ηλεκτρική σύνδεση που διέρχεται εντελώς μέσα από μια πλακέτα πυριτίου για να μεγιστοποιήσει την ενεργή περιοχή για ανίχνευση φωτονίων, ελαχιστοποιώντας ταυτόχρονα τον νεκρό χώρο (ενισχύοντας έτσι το PDE ενώ ταυτόχρονα μειώνει διαφωνία μεταξύ των εικονοστοιχείων SiPM).

Ανταγωνιστική ευφυια

Στρατηγικά, η Hamamatsu διατηρεί μια σύντομη παρακολούθηση για το ευρύτερο τοπίο της φυσικής υψηλής ενέργειας για να εξασφαλίσει ένα πλαίσιο αναφοράς με γνώμονα τον πελάτη για το εσωτερικό πρόγραμμα καινοτομίας της. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το «καθεστώς παρατηρητής» της εταιρείας στο πλαίσιο του CERN Ευρωπαϊκή Επιτροπή για τους Μελλοντικούς Επιταχυντές (ECFA), μια πρωτοβουλία που στηρίζει την ανάπτυξη σε επίπεδο κοινότητας μακροπρόθεσμων οδικών χαρτών Ε&Α για τεχνολογίες επιταχυντών και ανιχνευτών.

«Η δέσμευση με την ECFA μας βοηθά να δώσουμε προτεραιότητα στις αναδυόμενες τεχνολογικές τάσεις και στις απαιτήσεις των χρηστών για το SiPM στην αστροσωματιδιακή φυσική και την επιστήμη που βασίζεται σε επιταχυντές», καταλήγει ο Bombonati. «Ταυτόχρονα, η ανάπτυξη λύσεων SiPM για έρευνα αιχμής στη φυσική υψηλής ενέργειας αποφέρει επίσης αποδόσεις αλλού – ιδίως όσον αφορά τη βελτιωμένη ικανότητα και την ανταγωνιστική διαφοροποίηση για τις πιο εδραιωμένες βιομηχανικές εφαρμογές μας».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/