Fotomoltiplicatori al silicio: si preparano per applicazioni nell'astronomia dei raggi gamma – Physics World

Fotonica di Hamamatsu, un produttore giapponese di optoelettronica che opera in diversi mercati industriali, scientifici e medici, sta valutando opportunità all'avanguardia nella fisica delle alte energie per il suo portafoglio di tecnologie di fotomoltiplicatori di silicio (SiPM). Nel breve termine, ciò significa che l'attenzione è rivolta alle applicazioni emergenti nella fisica astroparticellare e nell'astronomia dei raggi gamma, mentre più avanti c'è la promessa di un'implementazione del SiPM su larga scala all'interno di strutture con acceleratori di particelle come CERN, KEK ed Fermilab per sondare la nuova fisica oltre il Modello Standard.

E le basi? Il SiPM – noto anche come a Contatore fotonico multi-pixel (MPPC) – è un fotomoltiplicatore a stato solido costituito da una matrice ad alta densità di fotodiodi a valanga operanti in modalità Geiger (tale che una singola coppia elettrone-lacuna generata dall’assorbimento di un fotone può innescare un forte effetto “valanga”). In questo modo, la tecnologia fornisce la base di una piattaforma di rilevamento ottico ideale per il conteggio di singoli fotoni e altre applicazioni a luce ultrabassa a lunghezze d’onda che vanno dal vuoto-ultravioletto al visibile fino al vicino infrarosso.

Hamamatsu, da parte sua, attualmente fornisce soluzioni SiPM commerciali in una gamma di applicazioni consolidate ed emergenti che abbracciano la ricerca accademica (ad esempio esperimenti di calcolo quantistico e comunicazione quantistica); medicina nucleare (ad esempio tomografia a emissione di positroni); monitoraggio dell'igiene negli impianti di produzione alimentare; nonché sistemi di rilevamento e rilevamento della luce (LiDAR) per veicoli autonomi. Altri clienti includono OEM di strumentazione specializzati in aree quali la microscopia a fluorescenza e l'oftalmoscopia laser a scansione. Nel loro insieme, ciò che è alla base di questi diversi casi d'uso è la scheda tecnica unica del SiPM, che combina un'elevata efficienza di rilevamento dei fotoni (PDE) con robustezza, resistenza alla luce in eccesso e immunità ai campi magnetici.

Approfondimenti sui raggi gamma

Evidentemente, quelle stesse caratteristiche ben si adattano ai requisiti tecnici della prossima generazione di rivelatori per la fisica delle astroparticelle (lo studio delle particelle elementari di origine cosmica e la loro relazione con l'astrofisica e la cosmologia). Un caso emblematico è il Osservatorio Cherenkov Telescope Array (CTA)., un'ambiziosa iniziativa di ricerca internazionale che sta costruendo l'osservatorio di raggi gamma ad alta energia più grande e sensibile al mondo, comprendente 64 telescopi di diverse dimensioni per coprire un ampio intervallo di energia dei raggi gamma (da 20 GeV a 300 TeV). I telescopi popoleranno due array: un sito situato nelle Isole Canarie, in Spagna; l'altro in Cile – per coprire sia l'emisfero settentrionale che quello meridionale.

Per contesto, quando i raggi gamma raggiungono l’atmosfera terrestre, interagiscono con i suoi strati esterni per produrre cascate di particelle subatomiche note come “sciami d’aria” o “sciami di particelle”. Queste particelle ad altissima energia possono viaggiare più velocemente della luce nell’aria, creando un lampo blu di luce Cherenkov (come il boom sonico creato da un aereo che supera la velocità del suono).

Sebbene diffusa su una vasta area (tipicamente 250 m di diametro), la luce Cherenkov dura solo pochi nanosecondi, giusto il tempo per essere tracciata dagli specchi dei telescopi del CTA e rilevata dalle telecamere ad alta velocità posizionate nei loro fuochi. Pertanto, il CTA consentirà infine agli astronomi di indagare sui raggi gamma originari e sulle loro origini cosmiche.

"In termini di sviluppo e innovazione continua del prodotto, siamo interessati a come la piattaforma SiPM possa essere utilizzata per il rilevamento atmosferico della luce Cherenkov", spiega Mauro Bombonati, ingegnere commerciale senior presso la divisione italiana di Hamamatsu Photonics a Milano. “Consideriamo l’iniziativa CTA come un terreno di prova ideale per rilevatori SiPM avanzati e, per estensione, un trampolino di lancio per il futuro impiego della tecnologia SiPM in strutture di accelerazione su larga scala – ad esempio, per supportare gli esperimenti sui neutrini e la ricerca della materia oscura .”

Collaborazione dal cielo azzurro

In quest'ottica, il team di ricerca e sviluppo di Hamamatsu ha collaborato strettamente con l'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) nell'ambito dello studio Progetto ASTRI, un consorzio internazionale che sta costruendo nove telescopi a doppio specchio (4 m di diametro) per l'astronomia atmosferica Cherenkov. In qualità di partner tecnologico preferito, Hamamatsu ha gestito la progettazione, lo sviluppo e l'ottimizzazione dei moduli SiPM ad hoc utilizzati per popolare le fotocamere Cherenkov compatte dei telescopi ASTRI. Il mini-array ASTRI risultante è attualmente in fase di installazione presso l'Osservatorio del Teide (Tenerife, Isole Canarie) e rappresenta un "apripista" per il sotto-array di 37 telescopi su piccola scala (SST) del CTA che sarà installato al Paranal (Cile). .

Una volta completato, il CTA comprenderà inoltre 23 telescopi di medie dimensioni (MST) – ciascuno con un diametro di 12 m e distribuiti su entrambi i siti della schiera – nonché quattro telescopi di grandi dimensioni (LST) con un diametro di 23 m. Operativamente, i sistemi di telecamere LST e MST sfrutteranno tubi fotomoltiplicatori; le telecamere SST, al contrario, utilizzeranno SiPM per convertire la luce Cherenkov in dati elettrici per la lettura e l'analisi ad alta velocità.

Vale anche la pena notare che l'INAF, insieme ad altri team di progetto CTA, sta perseguendo variazioni sul tema SST, con lievi modifiche alla geometria e al design dei telescopi SST per realizzare un approccio ottimale rispetto ai requisiti tecnici CTA. Anche all’interno di Hamamatsu è in corso l’impegno di ricerca e sviluppo a livello di dispositivo, migliorando in particolare il SiPM PDE nel vicino UV (200-400 nm), dove l’intensità della luce Cherenkov è ottimale.

"Stiamo migliorando il processo di fabbricazione dei wafer per ridurre il numero di difetti reticolari nello strato di conversione fotoelettrica", osserva Bombonati. L'obiettivo è aumentare la durata dei portatori e un maggior numero di portatori che raggiungono lo strato di valanga. “Ad oggi”, aggiunge, “gli ingegneri di Hamamatsu hanno dimostrato un miglioramento del 16% nella sensibilità del rilevatore a 350 nm”.

Un altro obiettivo della ricerca e sviluppo di Hamamatsu riguarda la soppressione dell'accumulo nei rilevatori SiPM, ovvero rendere più nitido il fronte di salita della forma d'onda del segnale regolando il resistore di estinzione e riducendo la capacità terminale. In questo modo, una soglia di trigger più bassa può essere utilizzata per separare gli “eventi” Cherenkov dal rumore, in modo tale che gli eventi a bassa energia possano essere osservati come standard.

Altrettanto significativo è lo sfruttamento della tecnologia through-silicon-via (TSV), che è essenzialmente una connessione elettrica verticale che passa completamente attraverso un wafer di silicio per massimizzare l'area attiva per il rilevamento dei fotoni e contemporaneamente minimizzare lo spazio morto (migliorando così la PDE e diminuendo anche diafonia tra i pixel SiPM).

Intelligenza competitiva

Strategicamente, Hamamatsu mantiene un mandato di osservazione sul panorama più ampio della fisica delle alte energie per garantire un quadro di riferimento orientato al cliente per il suo programma di innovazione interno. Un esempio calzante è lo “status di osservatore” dell'azienda all'interno del CERN Comitato Europeo per gli Acceleratori del Futuro (ECFA), un'iniziativa che sostiene lo sviluppo a livello comunitario di tabelle di marcia di ricerca e sviluppo a lungo termine per le tecnologie di acceleratori e rilevatori.

«L’impegno con l’ECFA ci aiuta a dare priorità alle tendenze tecnologiche emergenti e ai requisiti degli utenti per SiPM nella fisica delle astroparticelle e nella scienza basata sugli acceleratori», conclude Bombonati. “Allo stesso tempo, lo sviluppo di soluzioni SiPM per la ricerca di frontiera nella fisica delle alte energie produce vantaggi anche altrove, non ultimo in termini di maggiore capacità e differenziazione competitiva per le nostre applicazioni industriali più consolidate”.

• Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
• PlatoAiStream. Intelligenza dei dati Web3. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
• Coniare il futuro con Adryenn Ashley. Accedi qui.
• Acquista e vendi azioni in società PRE-IPO con PREIPO®. Accedi qui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/