Fotomultiplicadores de silicio: preparándose para aplicaciones en astronomía de rayos gamma – Physics World

Hamamatsu Photonics, un fabricante japonés de optoelectrónica que opera en diversos mercados industriales, científicos y médicos, está evaluando oportunidades de vanguardia en física de alta energía para su cartera de tecnología de fotomultiplicador de silicio (SiPM). A corto plazo, eso significa que la atención se centra en aplicaciones emergentes en física de astropartículas y astronomía de rayos gamma, mientras que más adelante existe la promesa de un despliegue de SiPM a escala dentro de instalaciones de aceleradores de partículas como CERN, KEK y Fermilab para investigar nueva física más allá del modelo estándar.

¿Qué pasa con lo básico? El SiPM, también conocido como Contador de fotones multipíxel (MPPC) – es un fotomultiplicador de estado sólido compuesto por una matriz de alta densidad de fotodiodos de avalancha que funcionan en modo Geiger (de modo que un solo par electrón-hueco generado por la absorción de un fotón puede desencadenar un fuerte efecto de “avalancha”). De esta manera, la tecnología proporciona la base de una plataforma de detección óptica que es ideal para el recuento de fotones individuales y otras aplicaciones de luz ultrabaja en longitudes de onda que van desde el ultravioleta del vacío hasta el visible y el infrarrojo cercano.

Hamamatsu, por su parte, actualmente suministra soluciones comerciales de SiPM para una variedad de aplicaciones establecidas y emergentes que abarcan la investigación académica (por ejemplo, experimentos de computación cuántica y comunicación cuántica); medicina nuclear (por ejemplo, tomografía por emisión de positrones); seguimiento de la higiene en las instalaciones de producción de alimentos; así como sistemas de detección y alcance de luz (LiDAR) para vehículos autónomos. Otros clientes incluyen OEM de instrumentación que se especializan en áreas como microscopía de fluorescencia y oftalmoscopia con láser de barrido. En conjunto, lo que sustenta estos diversos casos de uso es la hoja de especificaciones única del SiPM, que combina una alta eficiencia de detección de fotones (PDE) con robustez, resistencia al exceso de luz e inmunidad a los campos magnéticos.

Conocimientos de rayos gamma

Evidentemente, esas mismas características se adaptan bien a los requisitos técnicos de la próxima generación de detectores para la física de astropartículas (el estudio de partículas elementales de origen cósmico y su relación con la astrofísica y la cosmología). Un ejemplo de ello es el Observatorio Cherenkov Telescope Array (CTA), una ambiciosa iniciativa de investigación internacional que está en proceso de construir el observatorio de rayos gamma de alta energía más grande y sensible del mundo, que comprende 64 telescopios de diferentes tamaños para cubrir un amplio rango de energía de rayos gamma (de 20 GeV a 300 TeV). Los telescopios ocuparán dos conjuntos: un sitio ubicado en las Islas Canarias, España; el otro en Chile, para cubrir tanto el hemisferio norte como el hemisferio sur.

A modo de contexto, cuando los rayos gamma llegan a la atmósfera terrestre, interactúan con sus capas externas para producir cascadas de partículas subatómicas conocidas como “lluvias de aire” o “lluvias de partículas”. Estas partículas de energía ultraalta pueden viajar más rápido que la luz en el aire, creando un destello azul de luz Cherenkov (como el estallido sónico creado por un avión que excede la velocidad del sonido).

Aunque se extiende sobre un área grande (típicamente 250 m de diámetro), la luz de Cherenkov dura sólo unos pocos nanosegundos, el tiempo suficiente para ser rastreada por los espejos de los telescopios del CTA y detectada por las cámaras de alta velocidad ubicadas en sus focos. Como tal, la CTA permitirá en última instancia a los astrónomos investigar los rayos gamma originales y sus orígenes cósmicos.

"En términos de innovación y desarrollo de productos en curso, estamos interesados ​​en cómo se puede utilizar la plataforma SiPM para la detección atmosférica de la luz de Cherenkov", explica Mauro Bombonati, ingeniero de ventas senior de la división italiana de Hamamatsu Photonics en Milán. “Consideramos la iniciativa CTA como un campo de pruebas ideal para detectores SiPM avanzados y, por extensión, un trampolín para el futuro despliegue de la tecnología SiPM en instalaciones de aceleradores a gran escala, por ejemplo, para respaldar experimentos con neutrinos y la búsqueda de materia oscura. .”

Colaboración de cielo azul

Teniendo esto en cuenta, el equipo de I+D de Hamamatsu ha colaborado estrechamente con el Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) en el contexto del Proyecto ASTRI, un consorcio internacional que está en proceso de construir nueve telescopios de doble espejo (4 m de diámetro) para la astronomía atmosférica de Cherenkov. Como socio tecnológico preferido, Hamamatsu se encargó del diseño, desarrollo y optimización de los módulos SiPM ad hoc utilizados para poblar las cámaras Cherenkov compactas de los telescopios ASTRI. El miniconjunto ASTRI resultante se está instalando actualmente en el Observatorio del Teide (Tenerife, Islas Canarias) y representa un “pionero” para el subconjunto de 37 telescopios de pequeña escala (SST) del CTA que se instalará en Paranal (Chile). .

Una vez finalizado, el CTA comprenderá además 23 telescopios de tamaño mediano (MST), cada uno de 12 m de diámetro y distribuidos en ambos sitios del conjunto, así como cuatro telescopios de tamaño grande (LST) de 23 m de diámetro. Operativamente, los sistemas de cámaras LST y MST explotarán tubos fotomultiplicadores; las cámaras SST, por el contrario, utilizarán SiPM para convertir la luz de Cherenkov en datos eléctricos para su lectura y análisis a alta velocidad.

También vale la pena señalar que INAF, junto con otros equipos de proyectos de CTA, está buscando variaciones en el tema SST, con ligeras modificaciones en la geometría y el diseño de los telescopios SST para lograr un enfoque óptimo frente a los requisitos técnicos de CTA. También en Hamamatsu se están llevando a cabo esfuerzos de I+D a nivel de dispositivos, específicamente mejorando la PDE SiPM en el ultravioleta cercano (200-400 nm), donde la intensidad de la luz Cherenkov es óptima.

"Estamos mejorando el proceso de fabricación de obleas para reducir el número de defectos de la red en la capa de conversión fotoeléctrica", señala Bombonati. El objetivo es aumentar la vida útil de los transportistas y que un mayor número de ellos lleguen a la capa de avalancha. "Hasta la fecha", añade, "los ingenieros de Hamamatsu han demostrado una mejora del 16% en la sensibilidad del detector a 350 nm".

Otro foco de investigación y desarrollo de Hamamatsu implica la supresión de acumulación en detectores SiPM, es decir, hacer que el flanco ascendente de la forma de onda de la señal sea más nítido ajustando la resistencia de extinción y reduciendo la capacitancia terminal. De esta manera, se puede utilizar un umbral de activación más bajo para separar los “eventos” de Cherenkov del ruido, de modo que los eventos de menor energía puedan observarse como estándar.

Igualmente significativa es la explotación de la tecnología a través del silicio (TSV), que es esencialmente una conexión eléctrica vertical que pasa completamente a través de una oblea de silicio para maximizar el área activa para la detección de fotones y al mismo tiempo minimizar el espacio muerto (mejorando así la PDE y al mismo tiempo reduciendo diafonía entre píxeles SiPM).

Inteligencia competitiva

Estratégicamente, Hamamatsu mantiene una estrecha vigilancia sobre el panorama más amplio de la física de altas energías para garantizar un marco de referencia impulsado por el cliente para su programa de innovación interno. Un ejemplo de ello es el “estatus de observador” de la empresa dentro del CERN. Comité Europeo para futuros aceleradores (ECFA), una iniciativa que respalda el desarrollo comunitario de hojas de ruta de I+D a largo plazo para tecnologías de aceleradores y detectores.

"El compromiso con la ECFA nos ayuda a priorizar las tendencias tecnológicas emergentes y los requisitos de los usuarios para SiPM en física de astropartículas y ciencia basada en aceleradores", concluye Bombonati. "Al mismo tiempo, el desarrollo de soluciones SiPM para la investigación de vanguardia en física de alta energía también genera beneficios en otros lugares, sobre todo en términos de capacidad mejorada y diferenciación competitiva para nuestras aplicaciones industriales más establecidas".

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/