Fotopowielacze krzemowe: przygotowania do zastosowań w astronomii promieniowania gamma – Physics World

Fotonika Hamamatsu, japoński producent optoelektroniki, działający na różnorodnych rynkach przemysłowych, naukowych i medycznych, ocenia najnowocześniejsze możliwości w fizyce wysokich energii w zakresie swojego portfolio technologii fotopowielaczy krzemowych (SiPM). W najbliższej przyszłości oznacza to, że skupimy się na nowych zastosowaniach w fizyce astrocząstek i astronomii promieniowania gamma, podczas gdy w dalszej przyszłości istnieje obietnica wdrożenia SiPM na dużą skalę w obiektach akceleratorów cząstek, takich jak CERN, KEK i Fermilab badanie nowej fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.

A co z podstawami? SiPM – znany również jako Licznik fotonów wielopikselowych (MPPC) – to fotopowielacz półprzewodnikowy składający się z matrycy fotodiod lawinowych o dużej gęstości, pracujących w trybie Geigera (tak, że pojedyncza para elektron-dziura wygenerowana w wyniku absorpcji fotonu może wywołać silny efekt „lawinowy”). W ten sposób technologia ta stanowi podstawę platformy wykrywania optycznego, która idealnie nadaje się do zliczania pojedynczych fotonów i innych zastosowań przy ultrasłabym świetle, w zakresie długości fal od ultrafioletu próżniowego, poprzez światło widzialne, aż po bliską podczerwień.

Ze swojej strony Hamamatsu dostarcza obecnie komercyjne rozwiązania SiPM do szeregu uznanych i powstających zastosowań obejmujących badania akademickie (np. eksperymenty z obliczeniami kwantowymi i komunikacją kwantową); medycyna nuklearna (np. pozytonowa tomografia emisyjna); monitorowanie higieny w zakładach produkujących żywność; a także systemy wykrywania i określania odległości światła (LiDAR) dla pojazdów autonomicznych. Inni klienci to producenci OEM oprzyrządowania specjalizujący się w takich dziedzinach, jak mikroskopia fluorescencyjna i skaningowa oftalmoskopia laserowa. Podsumowując, podstawą tych różnorodnych zastosowań jest unikalna specyfikacja SiPM, łącząca wysoką skuteczność detekcji fotonów (PDE) z wytrzymałością, odpornością na nadmiar światła i odpornością na pola magnetyczne.

Spostrzeżenia dotyczące promieni gamma

Najwyraźniej te same cechy są dobrze dopasowane do wymagań technicznych kolejnej generacji detektorów do fizyki astrocząstek (badanie cząstek elementarnych pochodzenia kosmicznego i ich związek z astrofizyką i kosmologią). Dobrym przykładem jest Obserwatorium Teleskopów Czerenkowa (CTA)., ambitną międzynarodową inicjatywę badawczą, która jest w trakcie budowy największego i najczulszego na świecie obserwatorium wysokoenergetycznego promieniowania gamma, składającego się z 64 teleskopów o różnych rozmiarach pokrywających szeroki zakres energii promieniowania gamma (od 20 GeV do 300 TeV). Teleskopy będą rozmieszczone w dwóch zestawach – jeden na Wyspach Kanaryjskich w Hiszpanii; drugi w Chile – obejmujący zarówno półkulę północną, jak i południową.

Tytułem kontekstu: kiedy promienie gamma docierają do atmosfery ziemskiej, wchodzą w interakcję z jej zewnętrznymi warstwami, tworząc kaskady cząstek subatomowych znanych jako „pryszcze powietrzne” lub „pryszcze cząstek”. Te cząstki o ultrawysokiej energii mogą przemieszczać się w powietrzu szybciej niż światło, tworząc niebieski błysk światła Czerenkowa (przypominający huk dźwiękowy wytwarzany przez samolot przekraczający prędkość dźwięku).

Światło Czerenkowa, rozproszone na dużym obszarze (zazwyczaj o średnicy 250 m), trwa tylko kilka nanosekund – wystarczająco długo, aby mogło zostać prześledzone przez zwierciadła teleskopów CTA i wykryte przez szybkie kamery umieszczone w ich ogniskach. W ten sposób CTA ostatecznie umożliwi astronomom badanie macierzystych promieni gamma i ich kosmicznego pochodzenia.

„Jeśli chodzi o ciągły rozwój produktów i innowacje, jesteśmy zainteresowani możliwością wykorzystania platformy SiPM do atmosferycznego wykrywania światła Czerenkowa” – wyjaśnia Mauro Bombonati, starszy inżynier sprzedaży we włoskim oddziale Hamamatsu Photonics w Mediolanie. „Postrzegamy inicjatywę CTA jako idealny poligon doświadczalny dla zaawansowanych detektorów SiPM, a co za tym idzie, odskocznię do przyszłego wdrożenia technologii SiPM w wielkoskalowych obiektach akceleracyjnych – na przykład w celu wsparcia eksperymentów z neutrinami i poszukiwań ciemnej materii .”

Współpraca pod błękitnym niebem

Mając to na uwadze, zespół badawczo-rozwojowy Hamamatsu ściśle współpracował z Włoskim Narodowym Instytutem Astrofizyki (INAF) w kontekście projektu Projekt ASTRI, międzynarodowe konsorcjum, które jest w trakcie budowy dziewięciu teleskopów z podwójnym zwierciadłem (o średnicy 4 m) do astronomii atmosferycznej Czerenkowa. Jako preferowany partner technologiczny firma Hamamatsu zajmowała się projektowaniem, rozwojem i optymalizacją modułów SiPM ad hoc stosowanych w kompaktowych kamerach Czerenkowa teleskopów ASTRI. Powstała w ten sposób minizespół ASTRI jest obecnie instalowany w Obserwatorium na Teide (Teneryfa, Wyspy Kanaryjskie) i stanowi „trop” dla podzespołu CTA składającego się z 37 małych teleskopów (SST), które zostaną zainstalowane w Paranal (Chile). .

Po ukończeniu CTA będzie składać się z 23 średnich teleskopów (MST) – każdy o średnicy 12 m i rozmieszczonych w obu lokalizacjach – a także czterech dużych teleskopów (LST) o średnicy 23 m. Pod względem operacyjnym systemy kamer LST i MST będą wykorzystywać fotopowielacze; z kolei kamery SST będą wykorzystywać moduły SiPM do przekształcania światła Czerenkowa na dane elektryczne w celu szybkiego odczytu i analizy.

Warto również zauważyć, że INAF wraz z innymi zespołami projektowymi CTA pracuje nad odmianami tematu SST, wprowadzając niewielkie modyfikacje geometrii i konstrukcji teleskopów SST, aby uzyskać optymalne podejście w porównaniu z wymaganiami technicznymi CTA. Również w Hamamatsu trwają prace badawczo-rozwojowe na poziomie urządzenia – w szczególności udoskonalanie SiPM PDE w zakresie bliskiego UV (200–400 nm), gdzie intensywność światła Czerenkowa jest optymalna.

„Udoskonalamy proces wytwarzania płytek, aby zmniejszyć liczbę defektów siatki w fotoelektrycznej warstwie konwersji” – zauważa Bombonati. Celem jest wydłużenie żywotności nośników i większa liczba nośników docierających do warstwy lawinowej. „Do chwili obecnej” – dodaje – „inżynierowie Hamamatsu wykazali 16% wzrost czułości detektora przy 350 nm”.

Innym celem prac badawczo-rozwojowych Hamamatsu jest tłumienie nagromadzeń w detektorach SiPM – tj. wyostrzanie narastającej krawędzi sygnału poprzez regulację rezystora wygaszającego i zmniejszenie pojemności końcowej. W ten sposób można zastosować niższy próg wyzwalania w celu oddzielenia „zdarzeń” Czerenkowa od szumu, tak że zdarzenia o niższej energii mogą być obserwowane w standardzie.

Równie istotne jest wykorzystanie technologii przelotowej przez krzem (TSV), która jest zasadniczo pionowym połączeniem elektrycznym przechodzącym całkowicie przez płytkę krzemową, aby zmaksymalizować obszar aktywny do wykrywania fotonów, jednocześnie minimalizując martwą przestrzeń (w ten sposób poprawiając PDE, jednocześnie obniżając przesłuch między pikselami SiPM).

Inteligencja konkurencyjna

Ze strategicznego punktu widzenia Hamamatsu obserwuje szerszy krajobraz fizyki wysokich energii, aby zapewnić zorientowany na klienta punkt odniesienia dla swojego wewnętrznego programu innowacji. Dobrym przykładem jest „status obserwatora” firmy w CERN Europejski Komitet na rzecz Przyszłych Akceleratorów (ECFA), inicjatywy stanowiącej podstawę ogólnospołecznego rozwoju długoterminowych planów działania w zakresie badań i rozwoju w zakresie technologii akceleratorów i detektorów.

„Współpraca z ECFA pomaga nam nadać priorytet pojawiającym się trendom technologicznym i wymaganiom użytkowników w zakresie SiPM w fizyce astrocząstek i nauce opartej na akceleratorach” – podsumowuje Bombonati. „Jednocześnie opracowywanie rozwiązań SiPM na potrzeby pionierskich badań w fizyce wysokich energii przynosi korzyści także gdzie indziej – zwłaszcza pod względem zwiększonych możliwości i wyróżnienia się na tle konkurencji w przypadku naszych bardziej ugruntowanych zastosowań przemysłowych”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Kupuj i sprzedawaj akcje spółek PRE-IPO z PREIPO®. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/