Кремниевые фотоумножители: подготовка к применению в гамма-астрономии

Хамамацу Фотоникс, японский производитель оптоэлектроники, работающий на различных промышленных, научных и медицинских рынках, оценивает передовые возможности в области физики высоких энергий для своего портфеля технологий кремниевых фотоумножителей (SiPM). В краткосрочной перспективе это означает, что основное внимание будет уделено новым приложениям в области астрофизики частиц и гамма-астрономии, а в дальнейшем есть надежда на масштабное развертывание SiPM в таких ускорителях частиц, как CERN, KEK и Fermilab исследовать новую физику за пределами Стандартной модели.

А что насчет основ? SiPM – также известный как Многопиксельный счетчик фотонов (MPPC) – твердотельный фотоумножитель, состоящий из матрицы лавинных фотодиодов высокой плотности, работающих в режиме Гейгера (так что одна электрон-дырочная пара, генерируемая при поглощении фотона, может вызвать сильный «лавинный» эффект). Таким образом, технология обеспечивает основу оптической сенсорной платформы, которая идеально подходит для подсчета одиночных фотонов и других приложений сверхнизкой освещенности на длинах волн в диапазоне от вакуумного ультрафиолета до видимого и ближнего инфракрасного диапазона.

Hamamatsu, со своей стороны, в настоящее время поставляет коммерческие решения SiPM для ряда существующих и новых приложений, охватывающих академические исследования (например, квантовые вычисления и эксперименты с квантовой связью); ядерная медицина (например, позитронно-эмиссионная томография); гигиенический контроль на предприятиях пищевого производства; а также системы обнаружения света и измерения дальности (LiDAR) для автономных транспортных средств. В число других клиентов входят производители оборудования, специализирующиеся в таких областях, как флуоресцентная микроскопия и сканирующая лазерная офтальмоскопия. В основе этих разнообразных вариантов использования лежит уникальная спецификация SiPM, сочетающая в себе высокую эффективность обнаружения фотонов (PDE) с прочностью, устойчивостью к избыточному свету и невосприимчивостью к магнитным полям.

Информация о гамма-излучении

Очевидно, те же характеристики хорошо соответствуют техническим требованиям следующего поколения детекторов для астрофизики частиц (изучение элементарных частиц космического происхождения и их связи с астрофизикой и космологией). Показательным примером является Обсерватория Черенковской телескопической решетки (ЧТА), амбициозной международной исследовательской инициативы, которая находится в процессе строительства крупнейшей в мире и наиболее чувствительной обсерватории высокоэнергетического гамма-излучения, включающей 64 телескопа разных размеров, охватывающих широкий диапазон энергий гамма-излучения (от 20 ГэВ до 300 ТэВ). Телескопы будут размещены на двух массивах: один расположен на Канарских островах в Испании; другой в Чили – для охвата как северного, так и южного полушария.

Кстати, когда гамма-лучи достигают атмосферы Земли, они взаимодействуют с ее внешними слоями, образуя каскады субатомных частиц, известные как «воздушные ливни» или «ливни частиц». Эти частицы сверхвысокой энергии могут двигаться в воздухе быстрее света, создавая голубую вспышку черенковского света (подобно звуковому удару, создаваемому самолетом, превышающим скорость звука).

Распространяясь на большой площади (обычно 250 м в диаметре), черенковский свет длится всего несколько наносекунд – ровно настолько, чтобы его можно было отследить зеркалами телескопов CTA и обнаружить высокоскоростными камерами, расположенными в их фокусах. Таким образом, CTA в конечном итоге позволит астрономам исследовать родительские гамма-лучи и их космическое происхождение.

«С точки зрения постоянной разработки продуктов и инноваций мы заинтересованы в том, как платформу SiPM можно использовать для атмосферного обнаружения черенковского света», — объясняет Мауро Бомбонати, старший инженер по продажам итальянского подразделения Hamamatsu Photonics в Милане. «Мы рассматриваем инициативу CTA как идеальный испытательный полигон для передовых детекторов SiPM и, как следствие, трамплин для будущего внедрения технологии SiPM в крупномасштабных ускорительных установках – например, для поддержки экспериментов с нейтрино и поиска темной материи. ».

Голубое сотрудничество

Имея это в виду, команда исследований и разработок Хамамацу тесно сотрудничала с Итальянским национальным институтом астрофизики (INAF) в контексте проект АСТРИ, международный консорциум, который занимается строительством девяти двухзеркальных телескопов (диаметром 4 м) для атмосферной черенковской астрономии. В качестве предпочтительного технологического партнера Хамамацу занимался проектированием, разработкой и оптимизацией специальных модулей SiPM, используемых для оснащения компактных черенковских камер телескопов ASTRI. Полученная в результате мини-решетка ASTRI в настоящее время устанавливается в обсерватории Тейде (Тенерифе, Канарские острова) и представляет собой «следопыт» для подгруппы CTA из 37 малых телескопов (SST), которые будут установлены в Паранале (Чили). .

По завершении CTA будет дополнительно включать 23 телескопа среднего размера (MST) – каждый диаметром 12 м и распределенных по обеим площадкам массива, – а также четыре телескопа большого размера (LST) диаметром 23 м. В эксплуатации системы камер LST и MST будут использовать фотоумножители; Камеры SST, напротив, будут использовать SiPM для преобразования черенковского света в электрические данные для высокоскоростного считывания и анализа.

Стоит также отметить, что INAF вместе с другими проектными группами CTA разрабатывает варианты темы SST с небольшими изменениями в геометрии и конструкции телескопов SST для реализации оптимального подхода в соответствии с техническими требованиями CTA. В Hamamatsu также продолжаются исследования и разработки на уровне устройств, в частности, улучшение SiPM PDE в ближней УФ-области (200–400 нм), где интенсивность черенковского света оптимальна.

«Мы совершенствуем процесс изготовления пластин, чтобы уменьшить количество дефектов решетки в слое фотоэлектрического преобразования», — отмечает Бомбонати. Целью является увеличение срока службы несущей и увеличение числа несущих, достигающих лавинного уровня. «На сегодняшний день, — добавляет он, — инженеры Hamamatsu продемонстрировали повышение чувствительности детектора на 16 % на длине волны 350 нм».

Еще одним направлением исследований и разработок Hamamatsu является подавление наложений в SiPM-детекторах, то есть сделать нарастающий фронт сигнала более резким за счет регулировки гасящего резистора и уменьшения терминальной емкости. Таким образом, можно использовать более низкий порог запуска для отделения черенковских «событий» от шума, так что события с более низкой энергией можно будет наблюдать в качестве стандарта.

Не менее важным является использование технологии сквозного прохождения кремния (TSV), которая по существу представляет собой вертикальное электрическое соединение, которое полностью проходит через кремниевую пластину, чтобы максимизировать активную область для обнаружения фотонов, одновременно минимизируя мертвое пространство (тем самым улучшая PDE и одновременно снижая перекрестные помехи между пикселями SiPM).

Пытливый ум

В стратегическом отношении Hamamatsu постоянно следит за более широким ландшафтом физики высоких энергий, чтобы обеспечить ориентированную на клиента систему ориентиров для своей собственной программы инноваций. В качестве примера можно привести «статус наблюдателя» компании в ЦЕРН. Европейский комитет по ускорителям будущего (ECFA), инициатива, которая лежит в основе разработки в масштабах всего сообщества долгосрочных планов исследований и разработок в области технологий ускорителей и детекторов.

«Сотрудничество с ECFA помогает нам определить приоритетность новых технологических тенденций и требований пользователей к SiPM в физике астрочастиц и науке, основанной на ускорителях», — заключает Бомбонати. «В то же время разработка решений SiPM для передовых исследований в области физики высоких энергий также приносит окупаемость в других сферах – не в последнюю очередь с точки зрения расширенных возможностей и конкурентной дифференциации для наших более устоявшихся промышленных приложений».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/