シリコン光電子増倍管: ガンマ線天文学への応用を準備 – Physics World

浜松ホトニクスは、さまざまな産業、科学、医療市場にわたって事業を展開する日本のオプトエレクトロニクス メーカーで、シリコン光電子増倍管 (SiPM) テクノロジー ポートフォリオについて、高エネルギー物理学における最先端の機会を評価しています。 短期的には、天体素粒子物理学とガンマ線天文学における新たな応用に焦点が当てられることを意味しますが、さらに将来的には、次のような粒子加速器施設内での大規模な SiPM の展開が期待されています。 CERN, CEC および フェルミ 標準模型を超えた新しい物理学を探求します。

基本的なことは何ですか？ SiPM – としても知られています。 マルチピクセルフォトンカウンター (MPPC) – ガイガー モードで動作するアバランシェ フォトダイオードの高密度マトリックスで構成される固体光電子増倍管です (光子の吸収によって生成される単一の電子 - 正孔ペアが強力な「アバランシェ」効果を引き起こす可能性があります)。 このようにして、この技術は、真空紫外から可視から近赤外までの範囲の波長における単一光子計数やその他の超微弱光アプリケーションに最適な光学センシングプラットフォームの基礎を提供します。

浜松ホトニクスは現在、学術研究 (量子コンピューティングや量子通信実験など) にわたる確立されたアプリケーションと新興アプリケーションの範囲に商用 SiPM ソリューションを供給しています。 核医学（陽電子放出断層撮影法など）。 食品生産施設の衛生監視。 自動運転車用の光検出測距（LiDAR）システムも含まれます。 その他の顧客には、蛍光顕微鏡や走査型レーザー検眼鏡などの分野に特化した機器 OEM も含まれます。 総合すると、これらの多様なユースケースを支えるのは、高い光子検出効率 (PDE) と堅牢性、過剰な光に対する耐性、および磁場に対する耐性を組み合わせた SiPM の独自の仕様シートです。

ガンマ線に関する洞察

明らかに、これらの同じ特性は、天体粒子物理学 (宇宙起源の素粒子とその天体物理学および宇宙論との関係の研究) 用の次世代検出器の技術要件によく適合しています。 好例としては、 チェレンコフ望遠鏡アレイ (CTA) 天文台は、広範なガンマ線エネルギー範囲 (64 GeV から 20 TeV) をカバーする、さまざまなサイズの 300 台の望遠鏡で構成される、世界最大かつ最も感度の高い高エネルギー ガンマ線天文台の建設を進めている野心的な国際研究イニシアチブです。 望遠鏡は XNUMX つのアレイに設置されます。XNUMX つはスペインのカナリア諸島にあり、もう XNUMX つはスペインのカナリア諸島にあります。 もう XNUMX つはチリにあり、北半球と南半球の両方をカバーします。

文脈として、ガンマ線が地球の大気に到達すると、その外層と相互作用して「空気シャワー」または「粒子シャワー」として知られる亜原子粒子のカスケードを生成します。 これらの超高エネルギー粒子は空気中を光よりも速く移動し、チェレンコフ光の青い閃光を生成します（音速を超えた航空機によって生成されるソニックブームのように）。

チェレンコフ光は広い範囲 (通常は直径 250 m) に広がりますが、持続時間はわずか数ナノ秒です。これは、CTA の望遠鏡のミラーによって追跡され、焦点に配置された高速カメラによって検出されるのに十分な長さです。 そのため、CTA により、最終的には天文学者が親ガンマ線とその宇宙起源を調査できるようになります。

「継続的な製品開発とイノベーションの観点から、私たちはチェレンコフ光の大気検出に SiPM プラットフォームをどのように使用できるかに興味があります」と、ミラノにある浜松ホトニクスのイタリア部門のシニア セールス エンジニア、マウロ ボンボナティ氏は説明します。 「私たちは、CTA イニシアチブを高度な SiPM 検出器の理想的な実験場、ひいては、たとえばニュートリノ実験や暗黒物質の探索をサポートする大規模加速器施設での将来の SiPM 技術の展開への足がかりとなると考えています。 」

青空コラボ

これを念頭に置いて、浜松ホトニクスの研究開発チームは、イタリア国立天体物理学研究所 (INAF) と緊密に協力してきました。 ASTRIプロジェクト、大気チェレンコフ天文学用に 4 台の二重鏡望遠鏡 (直径 37 m) の建設を進めている国際コンソーシアムです。 浜松ホトニクスは、優先技術パートナーとして、ASTRI 望遠鏡の小型チェレンコフ カメラに搭載するアドホック SiPM モジュールの設計、開発、最適化を担当しました。 結果として得られたASTRIミニアレイは現在テイデ天文台（カナリア諸島テネリフェ島）に設置されており、パラナル（チリ）に設置されるXNUMX台の小型望遠鏡（SST）からなるCTAのサブアレイの「パスファインダー」となる。 。

完成すると、CTA はさらに、直径 23 m で両方のアレイサイトに分散された 12 台の中型望遠鏡 (MST) と、直径 23 m の大型望遠鏡 (LST) XNUMX 台で構成されます。 動作上、LST および MST カメラ システムは光電子増倍管を利用します。 対照的に、SST カメラは SiPM を使用してチェレンコフ光を電気データに変換し、高速読み出しと分析を行います。

また、INAF が他の CTA プロジェクト チームとともに、CTA の技術要件に対して最適なアプローチを実現するために、SST 望遠鏡の形状と設計にわずかな変更を加えて、SST テーマのバリエーションを追求していることも注目に値します。 浜松ホトニクス社内でも、デバイスレベルの研究開発努力が進行中です。特に、チェレンコフ光強度が最適となる近紫外 (200 ～ 400 nm) における SiPM PDE の改善に取り組んでいます。

「私たちは、光電変換層の格子欠陥の数を減らすためにウェーハ製造プロセスを改善しています」とボンボナティ氏は述べています。 目標は、キャリアの寿命を延ばし、より多くのキャリアがアバランシェ層に到達することです。 「現在までに、浜松の技術者は、16 nm での検出器の感度が 350% 向上することを実証しました。」と彼は付け加えました。

浜松ホトニクスの研究開発のもう XNUMX つの焦点は、SiPM 検出器におけるパイルアップの抑制、つまりクエンチング抵抗を調整し、端子容量を減らすことによって信号波形の立ち上がりエッジをよりシャープにすることです。 このようにして、より低いトリガー閾値を使用してチェレンコフ「イベント」をノイズから分離することができ、より低いエネルギーのイベントを標準として観察できるようになります。

同様に重要なのは、シリコン貫通ビア (TSV) 技術の活用です。TSV 技術は、本質的にシリコン ウェーハを完全に貫通する垂直方向の電気接続であり、光子検出のアクティブ領域を最大化し、同時にデッド スペースを最小限に抑えます (これにより、PDE が向上すると同時に PDE も低下します)。 SiPM ピクセル間のクロストーク)。

競争力のあるインテリジェンス

戦略的には、浜松ホトニクスは、社内イノベーション プログラムに対する顧客主導の基準枠を確保するために、高エネルギー物理学における広範な状況に関する監視ブリーフを維持しています。 適切な例は、CERN 内での同社の「オブザーバーステータス」です。 欧州未来加速器委員会 (ECFA) は、加速器および検出器技術の長期研究開発ロードマップのコミュニティ全体の開発を支えるイニシアチブです。

「ECFA との連携により、天体素粒子物理学および加速器ベースの科学における SiPM に対する新たな技術トレンドとユーザー要件に優先順位を付けることができます」とボンボナティ氏は結論づけています。 「同時に、高エネルギー物理学のフロンティア研究向けのSiPMソリューションの開発は、特に確立された産業用途の能力強化と競争力のある差別化という点で、他の場所でも見返りをもたらします。」

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