Silisiumfotomultiplikatorer: klargjøring for applikasjoner innen gammastrålastronomi – Physics World

Hamamatsu fotonikk, en japansk produsent av optoelektronikk som opererer på tvers av ulike industrielle, vitenskapelige og medisinske markeder, vurderer banebrytende muligheter innen høyenergifysikk for sin silisiumfotomultiplikator (SiPM) teknologiportefølje. På kort sikt betyr det at fokuset er på nye applikasjoner innen astropartikkelfysikk og gammastråleastronomi, mens lenger ned i linjen er det løftet om SiPM-utplassering i stor skala innen partikkelakseleratoranlegg som CERN, CEC og Fermilab å undersøke ny fysikk utover standardmodellen.

Hva med det grunnleggende? SiPM - også kjent som en Fotonteller med flere piksler (MPPC) - er en solid-state fotomultiplikator som består av en høytetthetsmatrise av skredfotodioder som opererer i Geiger-modus (slik at et enkelt elektron-hull-par generert ved absorpsjon av et foton kan utløse en sterk "skred"-effekt). På denne måten gir teknologien grunnlaget for en optisk sanseplattform som er ideell for enkeltfotontelling og andre ultralavt lysapplikasjoner ved bølgelengder som strekker seg fra vakuum-ultrafiolett gjennom det synlige til det nær-infrarøde.

Hamamatsu, på sin side, leverer for tiden kommersielle SiPM-løsninger til en rekke etablerte og nye applikasjoner som spenner over akademisk forskning (f.eks. kvantedatabehandling og kvantekommunikasjonseksperimenter); nukleærmedisin (f.eks. positronemisjonstomografi); hygieneovervåking i matproduksjonsanlegg; samt lysdeteksjon og avstandsmåling (LiDAR) systemer for autonome kjøretøy. Andre kunder inkluderer instrumenterings-OEM-er som spesialiserer seg på områder som fluorescensmikroskopi og skannelaser oftalmoskopi. Samlet sett er det som underbygger disse forskjellige brukstilfellene SiPMs unike spesifikasjonsark, som kombinerer høy fotondeteksjonseffektivitet (PDE) med robusthet, motstand mot overflødig lys og immunitet mot magnetiske felt.

Gamma-ray innsikt

Tydeligvis er de samme egenskapene godt tilpasset de tekniske kravene til neste generasjons detektorer for astropartikkelfysikk (studiet av elementærpartikler av kosmisk opprinnelse og deres forhold til astrofysikk og kosmologi). Et eksempel på dette er Cherenkov Telescope Array (CTA) observatorium, et ambisiøst internasjonalt forskningsinitiativ som er i ferd med å bygge verdens største og mest følsomme høyenergi-gammastråleobservatorium, bestående av 64 teleskoper i forskjellige størrelser for å dekke et bredt gammastråleenergiområde (fra 20 GeV til 300 TeV). Teleskopene vil fylle to arrays – ett sted på Kanariøyene, Spania; den andre i Chile – for å dekke både den nordlige og sørlige halvkule.

Som kontekst, når gammastråler når jordens atmosfære, samhandler de med dens ytre lag for å produsere kaskader av subatomære partikler kjent som "luftdusjer" eller "partikkeldusjer." Disse ultrahøyenergipartiklene kan reise raskere enn lys i luften, og skape et blått blink av Cherenkov-lys (som den soniske boomen skapt av et fly som overskrider lydhastigheten).

Mens det er spredt over et stort område (vanligvis 250 m i diameter), varer Cherenkov-lyset i bare noen få nanosekunder – akkurat lenge nok til å bli sporet av speilene til CTA-teleskopene og oppdaget av høyhastighetskameraene plassert ved deres fokus. Som sådan vil CTA til slutt gjøre det mulig for astronomer å undersøke de overordnede gammastrålene og deres kosmiske opprinnelse.

"Når det gjelder pågående produktutvikling og innovasjon, er vi interessert i hvordan SiPM-plattformen kan brukes til atmosfærisk deteksjon av Cherenkov-lys," forklarer Mauro Bombonati, senior salgsingeniør ved Hamamatsu Photonics' italienske avdeling i Milano. "Vi ser på CTA-initiativet som en ideell prøveplass for avanserte SiPM-detektorer og, i forlengelsen, et springbrett for fremtidig distribusjon av SiPM-teknologi i storskala akseleratoranlegg - for eksempel for å støtte nøytrino-eksperimenter og søket etter mørk materie ."

Samarbeid med blå himmel

Med dette i tankene har Hamamatsus FoU-team samarbeidet tett med det italienske nasjonale instituttet for astrofysikk (INAF) i forbindelse med ASRI-prosjektet, et internasjonalt konsortium som er i ferd med å bygge ni doble speilteleskoper (4 m i diameter) for atmosfærisk Cherenkov-astronomi. Som en foretrukket teknologipartner håndterte Hamamatsu design, utvikling og optimalisering av ad hoc SiPM-moduler som brukes til å fylle de kompakte Cherenkov-kameraene til ASTRI-teleskopene. Den resulterende ASTRI-miniarrayen blir for tiden installert ved Teide-observatoriet (Tenerife, Kanariøyene) og representerer en "stifinner" for CTAs undergruppe av 37 småskala teleskoper (SST-er) som vil bli installert i Paranal (Chile) .

Etter ferdigstillelse vil CTA videre omfatte 23 mellomstore teleskoper (MST-er) – hver med 12 m diameter og fordelt på begge array-stedene – samt fire store teleskoper (LSTs) med 23 m diameter. Operasjonelt vil LST- og MST-kamerasystemene utnytte fotomultiplikatorrør; SST-kameraene vil derimot bruke SiPM-er for å konvertere Cherenkov-lys til elektriske data for høyhastighetsavlesning og analyse.

Det er også verdt å merke seg at INAF, sammen med andre CTA-prosjektteam, forfølger variasjoner av SST-temaet, med små endringer i geometrien og utformingen av SST-teleskopene for å realisere en optimal tilnærming i forhold til CTA-tekniske krav. Også innen Hamamatsu pågår FoU-innsatsen på enhetsnivå – spesielt forbedring av SiPM PDE i nær-UV (200–400 nm), der Cherenkov-lysintensiteten er optimal.

"Vi forbedrer wafer-fremstillingsprosessen for å redusere antall gitterdefekter i det fotoelektriske konverteringslaget," bemerker Bombonati. Målet er økt levetid for bærere og større antall bærere som når skredlaget. "Til dags dato," legger han til, "har Hamamatsu-ingeniører demonstrert en 16 % forbedring i detektorfølsomheten ved 350 nm."

Et annet fokus i Hamamatsus FoU involverer undertrykkelse av pile-up i SiPM-detektorer – det vil si å gjøre den stigende kanten av signalbølgeformen skarpere ved å justere quenching-motstanden og redusere terminalkapasitansen. På denne måten kan en lavere triggerterskel brukes til å skille Cherenkov "hendelser" fra støy, slik at lavere energihendelser kan observeres som standard.

Like viktig er utnyttelsen av gjennom-silisium-via (TSV)-teknologi, som i hovedsak er en vertikal elektrisk forbindelse som passerer fullstendig gjennom en silisiumplate for å maksimere det aktive området for fotondeteksjon samtidig som man minimerer dødt rom (derved forbedrer PDE samtidig som det senkes krysstale mellom SiPM-piksler).

Konkurransedyktig intelligens

Strategisk holder Hamamatsu en oversikt over det bredere landskapet innen høyenergifysikk for å sikre en kundedrevet referanseramme for det interne innovasjonsprogrammet. Et eksempel på dette er selskapets "observatørstatus" innenfor CERNs European Committee for Future Accelerators (ECFA), et initiativ som underbygger utviklingen av langsiktige FoU-veikart for akselerator- og detektorteknologier i hele samfunnet.

"Engasjement med ECFA hjelper oss til å prioritere nye teknologitrender og brukerkrav for SiPM innen astropartikkelfysikk og akseleratorbasert vitenskap," avslutter Bombonati. "Samtidig gir utvikling av SiPM-løsninger for frontlinjeforskning innen høyenergifysikk også tilbakebetalinger andre steder - ikke minst i form av forbedret kapasitet og konkurransedyktig differensiering for våre mer etablerte industrielle applikasjoner."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• Kjøp og selg aksjer i PRE-IPO-selskaper med PREIPO®. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/