सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर: गामा-रे खगोल विज्ञान - भौतिकी विश्व में अनुप्रयोगों के लिए तैयारी

हमामात्सु फोटोनिक्सएक जापानी ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स निर्माता, जो विभिन्न औद्योगिक, वैज्ञानिक और चिकित्सा बाजारों में काम करता है, अपने सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर (SiPM) प्रौद्योगिकी पोर्टफोलियो के लिए उच्च-ऊर्जा भौतिकी में अत्याधुनिक अवसरों का मूल्यांकन कर रहा है। निकट अवधि में, इसका मतलब है कि फोकस एस्ट्रोपार्टिकल भौतिकी और गामा-रे खगोल विज्ञान में उभरते अनुप्रयोगों पर है, जबकि आगे चलकर कण त्वरक सुविधाओं के भीतर बड़े पैमाने पर SiPM तैनाती का वादा किया गया है सर्न, केक और Fermilab मानक मॉडल से परे नई भौतिकी की जांच करना।

बुनियादी बातों में से क्या? SiPM - के रूप में भी जाना जाता है मल्टी-पिक्सेल फोटॉन काउंटर (एमपीपीसी) - एक ठोस-अवस्था वाला फोटोमल्टीप्लायर है, जो गीजर मोड में काम करने वाले हिमस्खलन फोटोडायोड के उच्च-घनत्व मैट्रिक्स से बना होता है (जैसे कि फोटॉन के अवशोषण से उत्पन्न एक एकल इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी एक मजबूत "हिमस्खलन" प्रभाव को ट्रिगर कर सकती है)। इस तरह, प्रौद्योगिकी एक ऑप्टिकल सेंसिंग प्लेटफ़ॉर्म का आधार प्रदान करती है जो वैक्यूम-पराबैंगनी से लेकर दृश्यमान निकट-अवरक्त तक तरंग दैर्ध्य पर एकल-फोटॉन गिनती और अन्य अल्ट्रालो-लाइट अनुप्रयोगों के लिए आदर्श रूप से उपयुक्त है।

हमामात्सू, अपनी ओर से, वर्तमान में अकादमिक अनुसंधान (उदाहरण के लिए क्वांटम कंप्यूटिंग और क्वांटम संचार प्रयोगों) में फैले स्थापित और उभरते अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला में वाणिज्यिक SiPM समाधान की आपूर्ति करता है; परमाणु चिकित्सा (जैसे पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी); खाद्य उत्पादन सुविधाओं में स्वच्छता निगरानी; साथ ही स्वायत्त वाहनों के लिए लाइट डिटेक्शन एंड रेंजिंग (LiDAR) सिस्टम। अन्य ग्राहकों में फ्लोरोसेंस माइक्रोस्कोपी और स्कैनिंग लेजर ऑप्थाल्मोस्कोपी जैसे क्षेत्रों में विशेषज्ञता वाले इंस्ट्रूमेंटेशन ओईएम शामिल हैं। कुल मिलाकर, इन विविध उपयोग-मामलों को रेखांकित करने वाली बात SiPM की अद्वितीय विनिर्देश शीट है, जो उच्च फोटॉन डिटेक्शन दक्षता (PDE) को असभ्यता, अतिरिक्त प्रकाश के प्रतिरोध और चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति प्रतिरोधक क्षमता के साथ जोड़ती है।

गामा-किरण अंतर्दृष्टि

जाहिर है, वही विशेषताएं एस्ट्रोपार्टिकल भौतिकी (ब्रह्मांडीय उत्पत्ति के प्राथमिक कणों का अध्ययन और खगोल भौतिकी और ब्रह्मांड विज्ञान से उनके संबंध) के लिए अगली पीढ़ी के डिटेक्टरों की तकनीकी आवश्यकताओं से अच्छी तरह मेल खाती हैं। एक मामला यह है चेरेनकोव टेलीस्कोप ऐरे (सीटीए) वेधशाला, एक महत्वाकांक्षी अंतर्राष्ट्रीय अनुसंधान पहल जो दुनिया की सबसे बड़ी और सबसे संवेदनशील उच्च-ऊर्जा गामा-रे वेधशाला के निर्माण की प्रक्रिया में है, जिसमें व्यापक गामा-किरण ऊर्जा रेंज (64 GeV से 20 TeV तक) को कवर करने के लिए विभिन्न आकारों के 300 दूरबीन शामिल हैं। दूरबीनें दो सारणियों को आबाद करेंगी - एक साइट कैनरी द्वीप, स्पेन में स्थित है; दूसरा चिली में - उत्तरी और दक्षिणी दोनों गोलार्धों को कवर करने के लिए।

संदर्भ के अनुसार, जब गामा किरणें पृथ्वी के वायुमंडल में पहुंचती हैं, तो वे इसकी बाहरी परतों के साथ संपर्क करके उप-परमाणु कणों के झरने का निर्माण करती हैं जिन्हें "वायु वर्षा" या "कण वर्षा" के रूप में जाना जाता है। ये अतिउच्च-ऊर्जा कण हवा में प्रकाश की तुलना में तेज़ गति से यात्रा कर सकते हैं, जिससे चेरेनकोव प्रकाश की नीली चमक पैदा होती है (जैसे कि ध्वनि की गति से अधिक गति वाले विमान द्वारा बनाई गई ध्वनि बूम)।

एक बड़े क्षेत्र (आमतौर पर 250 मीटर व्यास) में फैले होने पर, चेरेनकोव प्रकाश केवल कुछ नैनोसेकंड तक रहता है - बस इतना लंबा कि सीटीए के दूरबीनों के दर्पणों द्वारा ट्रैक किया जा सके और उनके फोकस पर स्थित उच्च गति वाले कैमरों द्वारा पता लगाया जा सके। इस प्रकार, सीटीए अंततः खगोलविदों को मूल गामा किरणों और उनकी ब्रह्मांडीय उत्पत्ति की जांच करने में सक्षम बनाएगा।

"चल रहे उत्पाद विकास और नवाचार के संदर्भ में, हम इस बात में रुचि रखते हैं कि चेरनकोव प्रकाश के वायुमंडलीय पता लगाने के लिए SiPM प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग कैसे किया जा सकता है," मिलान में हमामात्सू फोटोनिक्स के इतालवी डिवीजन के वरिष्ठ बिक्री इंजीनियर माउरो बॉम्बोनती बताते हैं। "हम सीटीए पहल को उन्नत एसआईपीएम डिटेक्टरों के लिए एक आदर्श सिद्ध आधार के रूप में देखते हैं और, विस्तार से, बड़े पैमाने पर त्वरक सुविधाओं में एसआईपीएम प्रौद्योगिकी की भविष्य की तैनाती के लिए एक कदम-पत्थर - उदाहरण के लिए, न्यूट्रिनो प्रयोगों और डार्क मैटर की खोज का समर्थन करने के लिए ।”

नीला-आकाश सहयोग

इसे ध्यान में रखते हुए, हमामात्सू की आर एंड डी टीम ने के संदर्भ में इटालियन नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ एस्ट्रोफिजिक्स (आईएनएएफ) के साथ मिलकर सहयोग किया है। एएसटीआरआई परियोजना, एक अंतरराष्ट्रीय संघ जो वायुमंडलीय चेरेनकोव खगोल विज्ञान के लिए नौ दोहरे दर्पण दूरबीन (व्यास में 4 मीटर) बनाने की प्रक्रिया में है। एक पसंदीदा प्रौद्योगिकी भागीदार के रूप में, हमामात्सु ने एएसटीआरआई दूरबीनों के कॉम्पैक्ट चेरेनकोव कैमरों को पॉप्युलेट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले तदर्थ एसआईपीएम मॉड्यूल के डिजाइन, विकास और अनुकूलन को संभाला। परिणामी एएसटीआरआई मिनी-सरणी वर्तमान में टाइड वेधशाला (टेनेरिफ़, कैनरी द्वीप) में स्थापित की जा रही है और सीटीए के 37 छोटे पैमाने के दूरबीनों (एसएसटी) के उप-सरणी के लिए एक "पाथफाइंडर" का प्रतिनिधित्व करती है जिसे परानाल (चिली) में स्थापित किया जाएगा। .

पूरा होने पर, सीटीए में 23 मध्यम आकार के टेलीस्कोप (एमएसटी) शामिल होंगे - प्रत्येक 12 मीटर व्यास पर और दोनों सरणी साइटों पर वितरित - साथ ही 23 मीटर व्यास पर चार बड़े आकार के टेलीस्कोप (एलएसटी) भी शामिल होंगे। परिचालनात्मक रूप से, एलएसटी और एमएसटी कैमरा सिस्टम फोटोमल्टीप्लायर ट्यूबों का उपयोग करेंगे; इसके विपरीत, एसएसटी कैमरे, हाई-स्पीड रीडआउट और विश्लेषण के लिए चेरेनकोव प्रकाश को विद्युत डेटा में परिवर्तित करने के लिए SiPMs का उपयोग करेंगे।

यह भी ध्यान देने योग्य है कि आईएनएएफ, अन्य सीटीए परियोजना टीमों के साथ, सीटीए तकनीकी आवश्यकताओं के मुकाबले एक इष्टतम दृष्टिकोण का एहसास करने के लिए एसएसटी दूरबीनों की ज्यामिति और डिजाइन में मामूली संशोधन के साथ एसएसटी थीम पर बदलाव कर रहा है। हमामत्सु के भीतर भी, डिवाइस-स्तरीय अनुसंधान एवं विकास प्रयास जारी है - विशेष रूप से निकट-यूवी (200-400 एनएम) में SiPM PDE में सुधार, जहां चेरेनकोव प्रकाश की तीव्रता इष्टतम है।

बॉम्बोनाटी कहते हैं, "हम फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण परत में जाली दोषों की संख्या को कम करने के लिए वेफर निर्माण प्रक्रिया में सुधार कर रहे हैं।" लक्ष्य वाहक जीवनकाल को बढ़ाना और अधिक संख्या में वाहकों को हिमस्खलन परत तक पहुंचाना है। "आज तक," वे आगे कहते हैं, "हमामात्सु इंजीनियरों ने 16 एनएम पर डिटेक्टर संवेदनशीलता में 350% वृद्धि का प्रदर्शन किया है।"

हमामात्सु के अनुसंधान एवं विकास का एक अन्य फोकस SiPM डिटेक्टरों में ढेर-अप दमन शामिल है - यानी शमन अवरोधक को समायोजित करके और टर्मिनल कैपेसिटेंस को कम करके सिग्नल तरंग के बढ़ते किनारे को तेज बनाना। इस तरह, चेरेनकोव "घटनाओं" को शोर से अलग करने के लिए कम ट्रिगर थ्रेशोल्ड का उपयोग किया जा सकता है, जैसे कि कम-ऊर्जा घटनाओं को मानक के रूप में देखा जा सकता है।

थ्रू-सिलिकॉन-वाया (टीएसवी) तकनीक का उपयोग भी उतना ही महत्वपूर्ण है, जो अनिवार्य रूप से एक लंबवत विद्युत कनेक्शन है जो फोटॉन का पता लगाने के लिए सक्रिय क्षेत्र को अधिकतम करने के लिए सिलिकॉन वेफर से पूरी तरह से गुजरता है और साथ ही मृत स्थान को कम करता है (जिससे पीडीई को भी कम किया जाता है) SiPM पिक्सल के बीच क्रॉसस्टॉक)।

प्रतियोगितात्मक बुद्धि

रणनीतिक रूप से, हमामत्सु अपने इन-हाउस नवाचार कार्यक्रम के लिए ग्राहक-संचालित संदर्भ फ्रेम सुनिश्चित करने के लिए उच्च-ऊर्जा भौतिकी में व्यापक परिदृश्य पर एक संक्षिप्त अवलोकन रखता है। इसका एक उदाहरण CERN के भीतर कंपनी की "पर्यवेक्षक स्थिति" है भविष्य त्वरक के लिए यूरोपीय समिति (ईसीएफए), एक पहल जो त्वरक और डिटेक्टर प्रौद्योगिकियों के लिए दीर्घकालिक अनुसंधान एवं विकास रोडमैप के समुदाय-व्यापी विकास को रेखांकित करती है।

बॉम्बोनाटी ने निष्कर्ष निकाला, "ईसीएफए के साथ जुड़ाव से हमें एस्ट्रोपार्टिकल भौतिकी और त्वरक-आधारित विज्ञान में एसआईपीएम के लिए उभरती प्रौद्योगिकी प्रवृत्तियों और उपयोगकर्ता आवश्यकताओं को प्राथमिकता देने में मदद मिलती है।" "उसी समय, उच्च-ऊर्जा भौतिकी में सीमांत अनुसंधान के लिए SiPM समाधान विकसित करने से अन्यत्र भी लाभ मिलता है - कम से कम हमारे अधिक स्थापित औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए बढ़ी हुई क्षमता और प्रतिस्पर्धी भेदभाव के संदर्भ में नहीं।"

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