Pengganda foto silikon: bersiap untuk aplikasi dalam astronomi sinar gamma – Dunia Fisika

Fotonik Hamamatsu, produsen optoelektronik Jepang yang beroperasi di beragam pasar industri, ilmiah, dan medis, sedang mengevaluasi peluang mutakhir dalam fisika energi tinggi untuk portofolio teknologi silikon photomultiplier (SiPM). Dalam jangka pendek, hal ini berarti fokusnya adalah pada penerapan baru dalam fisika astropartikel dan astronomi sinar gamma, sementara di masa depan terdapat potensi penerapan SiPM dalam skala besar dalam fasilitas akselerator partikel seperti CERN, KEK dan Fermilab untuk menyelidiki fisika baru di luar Model Standar.

Bagaimana dengan dasar-dasarnya? SiPM – juga dikenal sebagai a Penghitung Foton Multi-Piksel (MPPC) – adalah fotomultiplier solid-state yang terdiri dari matriks fotodioda longsoran berdensitas tinggi yang beroperasi dalam mode Geiger (sehingga pasangan elektron-lubang tunggal yang dihasilkan oleh penyerapan foton dapat memicu efek “longsoran” yang kuat). Dengan cara ini, teknologi ini menyediakan dasar platform penginderaan optik yang cocok untuk penghitungan foton tunggal dan aplikasi cahaya ultrarendah lainnya pada panjang gelombang mulai dari vakum-ultraviolet hingga cahaya tampak hingga inframerah dekat.

Hamamatsu, pada bagiannya, saat ini memasok solusi SiPM komersial ke dalam berbagai aplikasi mapan dan baru yang mencakup penelitian akademis (misalnya komputasi kuantum dan eksperimen komunikasi kuantum); kedokteran nuklir (misalnya tomografi emisi positron); pemantauan kebersihan di fasilitas produksi pangan; serta sistem deteksi dan jangkauan cahaya (LiDAR) untuk kendaraan otonom. Pelanggan lain termasuk OEM instrumentasi yang berspesialisasi dalam bidang seperti mikroskop fluoresensi dan pemindaian laser oftalmoskopi. Secara keseluruhan, yang mendasari beragam kasus penggunaan ini adalah lembar spesifikasi unik SiPM, yang menggabungkan efisiensi deteksi foton (PDE) yang tinggi dengan ketangguhan, ketahanan terhadap cahaya berlebih, dan kekebalan terhadap medan magnet.

Wawasan sinar gamma

Jelasnya, karakteristik yang sama tersebut sangat sesuai dengan persyaratan teknis detektor generasi berikutnya untuk fisika astropartikel (studi tentang partikel elementer yang berasal dari kosmik dan hubungannya dengan astrofisika dan kosmologi). Contoh kasusnya adalah Observatorium Array Teleskop Cherenkov (CTA)., sebuah inisiatif penelitian internasional ambisius yang sedang dalam proses membangun observatorium sinar gamma berenergi tinggi terbesar dan paling sensitif di dunia, yang terdiri dari 64 teleskop dengan berbagai ukuran untuk mencakup rentang energi sinar gamma yang luas (dari 20 GeV hingga 300 TeV). Teleskop akan mengisi dua susunan – satu lokasi terletak di Kepulauan Canary, Spanyol; yang lainnya di Chili – untuk mencakup belahan bumi utara dan selatan.

Berdasarkan konteksnya, ketika sinar gamma mencapai atmosfer bumi, sinar tersebut berinteraksi dengan lapisan luarnya untuk menghasilkan aliran partikel subatom yang dikenal sebagai “pancuran udara” atau “pancuran partikel”. Partikel berenergi sangat tinggi ini dapat bergerak lebih cepat daripada cahaya di udara, menciptakan kilatan biru cahaya Cherenkov (seperti ledakan sonik yang dihasilkan oleh pesawat terbang yang berkecepatan melebihi kecepatan suara).

Meskipun tersebar di area yang luas (biasanya berdiameter 250 m), cahaya Cherenkov hanya bertahan selama beberapa nanodetik – cukup lama untuk dilacak oleh cermin teleskop CTA dan dideteksi oleh kamera berkecepatan tinggi yang ditempatkan pada fokusnya. Dengan demikian, CTA pada akhirnya akan memungkinkan para astronom untuk menyelidiki induk sinar gamma dan asal usul kosmiknya.

“Dalam hal pengembangan produk dan inovasi yang berkelanjutan, kami tertarik pada bagaimana platform SiPM dapat digunakan untuk mendeteksi cahaya Cherenkov di atmosfer,” jelas Mauro Bombonati, insinyur penjualan senior di divisi Italia Hamamatsu Photonics di Milan. “Kami melihat inisiatif CTA sebagai tempat pembuktian yang ideal untuk detektor SiPM yang canggih dan, lebih jauh lagi, merupakan batu loncatan untuk penerapan teknologi SiPM di masa depan dalam fasilitas akselerator skala besar – misalnya, untuk mendukung eksperimen neutrino dan pencarian materi gelap. .”

Kolaborasi langit biru

Mengingat hal ini, tim Litbang Hamamatsu telah berkolaborasi erat dengan Institut Astrofisika Nasional Italia (INAF) dalam konteks proyek ASTRI, sebuah konsorsium internasional yang sedang dalam proses membangun sembilan teleskop cermin ganda (diameter 4 m) untuk astronomi atmosfer Cherenkov. Sebagai mitra teknologi pilihan, Hamamatsu menangani desain, pengembangan, dan optimalisasi modul SiPM ad hoc yang digunakan untuk mengisi kamera kompak Cherenkov pada teleskop ASTRI. Mini-array ASTRI yang dihasilkan saat ini sedang dipasang di Observatorium Teide (Tenerife, Kepulauan Canary) dan mewakili “pencari jalan” untuk sub-array CTA yang terdiri dari 37 teleskop skala kecil (SST) yang akan dipasang di Paranal (Chili) .

Setelah selesai, CTA selanjutnya akan terdiri dari 23 teleskop berukuran sedang (MST) – masing-masing berdiameter 12 m dan didistribusikan di kedua lokasi susunan – serta empat teleskop berukuran besar (LST) dengan diameter 23 m. Secara operasional, sistem kamera LST dan MST akan memanfaatkan tabung photomultiplier; sebaliknya, kamera SST akan menggunakan SiPM untuk mengubah cahaya Cherenkov menjadi data listrik untuk pembacaan dan analisis berkecepatan tinggi.

Perlu juga dicatat bahwa INAF, bersama dengan tim proyek CTA lainnya, sedang mengupayakan variasi pada tema SST, dengan sedikit modifikasi pada geometri dan desain teleskop SST untuk mewujudkan pendekatan optimal dibandingkan persyaratan teknis CTA. Di Hamamatsu, upaya penelitian dan pengembangan di tingkat perangkat juga sedang berlangsung – khususnya meningkatkan SiPM PDE di dekat-UV (200–400 nm), di mana intensitas cahaya Cherenkov berada dalam kondisi optimal.

“Kami meningkatkan proses fabrikasi wafer untuk mengurangi jumlah cacat kisi pada lapisan konversi fotolistrik,” kata Bombonati. Tujuannya adalah meningkatkan masa hidup pembawa dan lebih banyak pembawa yang mencapai lapisan longsoran salju. “Sampai saat ini,” tambahnya, “Insinyur Hamamatsu telah menunjukkan peningkatan sensitivitas detektor sebesar 16% pada 350 nm.”

Fokus lain dari penelitian dan pengembangan Hamamatsu melibatkan penekanan tumpukan pada detektor SiPM – yaitu membuat tepi gelombang sinyal lebih tajam dengan menyesuaikan resistor quenching dan mengurangi kapasitansi terminal. Dengan cara ini, ambang pemicu yang lebih rendah dapat digunakan untuk memisahkan “peristiwa” Cherenkov dari kebisingan, sehingga peristiwa berenergi lebih rendah dapat diamati sebagai standar.

Yang sama pentingnya adalah eksploitasi teknologi through-silicon-via (TSV), yang pada dasarnya adalah sambungan listrik vertikal yang melewati wafer silikon sepenuhnya untuk memaksimalkan area aktif untuk deteksi foton sekaligus meminimalkan ruang mati (sehingga meningkatkan PDE sekaligus menurunkan crosstalk antara piksel SiPM).

Intelijen kompetitif

Secara strategis, Hamamatsu mengadakan tinjauan singkat mengenai lanskap yang lebih luas dalam fisika energi tinggi untuk memastikan kerangka acuan yang didorong oleh pelanggan untuk program inovasi internalnya. Salah satu contohnya adalah “status pengamat” perusahaan dalam CERN Komite Eropa untuk Akselerator Masa Depan (ECFA), sebuah inisiatif yang mendukung pengembangan peta jalan penelitian dan pengembangan jangka panjang bagi masyarakat untuk teknologi akselerator dan detektor.

“Keterlibatan dengan ECFA membantu kami memprioritaskan tren teknologi yang muncul dan kebutuhan pengguna SiPM dalam fisika astropartikel dan sains berbasis akselerator,” Bombonati menyimpulkan. “Pada saat yang sama, mengembangkan solusi SiPM untuk penelitian terdepan dalam fisika energi tinggi juga memberikan manfaat di bidang lain – tidak terkecuali dalam hal peningkatan kemampuan dan diferensiasi kompetitif untuk aplikasi industri kami yang lebih mapan.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoAiStream. Kecerdasan Data Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Mencetak Masa Depan bersama Adryenn Ashley. Akses Di Sini.
• Beli dan Jual Saham di Perusahaan PRE-IPO dengan PREIPO®. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/