Silicijevi fotopomnoževalci: priprave za aplikacije v astronomiji žarkov gama – Physics World

Hamamatsu Photonics, japonski proizvajalec optoelektronike, ki deluje na različnih industrijskih, znanstvenih in medicinskih trgih, ocenjuje vrhunske priložnosti v fiziki visokih energij za svoj tehnološki portfelj silicijevih fotopomnoževalcev (SiPM). Kratkoročno to pomeni, da je poudarek na nastajajočih aplikacijah v fiziki astrodelcev in astronomiji žarkov gama, medtem ko se v daljšem časovnem obdobju obeta obsežna uvedba SiPM v obratih za pospeševanje delcev, kot je CERN, KEK in Fermilab za raziskovanje nove fizike onkraj standardnega modela.

Kaj pa osnove? SiPM – znan tudi kot a Večpikselni fotonski števec (MPPC) – je polprevodniški fotopomnoževalec, sestavljen iz matrike plazovitih fotodiod z visoko gostoto, ki delujejo v Geigerjevem načinu (tako, da lahko en sam par elektron-luknja, ustvarjen z absorpcijo fotona, sproži močan učinek "plaza"). Na ta način tehnologija zagotavlja osnovo platforme za optično zaznavanje, ki je idealna za štetje enega fotona in druge aplikacije pri ultrašibki svetlobi pri valovnih dolžinah od vakuumsko-ultravijoličnega preko vidnega do skoraj infrardečega.

Hamamatsu s svoje strani trenutno dobavlja komercialne rešitve SiPM za vrsto uveljavljenih in nastajajočih aplikacij, ki obsegajo akademske raziskave (npr. kvantno računalništvo in kvantni komunikacijski eksperimenti); nuklearna medicina (npr. pozitronska emisijska tomografija); spremljanje higiene v obratih za proizvodnjo hrane; kot tudi sisteme za zaznavanje svetlobe in določanje razdalje (LiDAR) za avtonomna vozila. Druge stranke vključujejo proizvajalce originalne opreme za instrumente, specializirane za področja, kot sta fluorescenčna mikroskopija in skenirajoča laserska oftalmoskopija. Gledano skupaj, kar podpira te raznolike primere uporabe, je edinstven specifikacijski list SiPM, ki združuje visoko učinkovitost zaznavanja fotonov (PDE) z robustnostjo, odpornostjo na prekomerno svetlobo in odpornostjo na magnetna polja.

Vpogled v žarke gama

Očitno se te iste značilnosti dobro ujemajo s tehničnimi zahtevami naslednje generacije detektorjev za astrofiziko delcev (preučevanje osnovnih delcev kozmičnega izvora in njihove povezave z astrofiziko in kozmologijo). Takšen primer je Observatorij Cherenkov Telescope Array (CTA)., ambiciozna mednarodna raziskovalna pobuda, ki je v procesu izgradnje največjega in najbolj občutljivega visokoenergetskega observatorija za žarke gama na svetu, ki obsega 64 teleskopov različnih velikosti za pokrivanje širokega razpona energije žarkov gama (od 20 GeV do 300 TeV). Teleskopi bodo naselili dva niza – eno lokacijo na Kanarskih otokih v Španiji; druga v Čilu – za pokrivanje tako severne kot južne poloble.

V kontekstu, ko žarki gama dosežejo Zemljino atmosfero, medsebojno delujejo z njenimi zunanjimi plastmi, da proizvedejo kaskade subatomskih delcev, znanih kot "zračne prhe" ali "plohe delcev". Ti ultravisokoenergijski delci lahko v zraku potujejo hitreje od svetlobe in ustvarijo modri blisk čerenkovske svetlobe (kot zvočni udar, ki ga ustvari letalo, ki presega hitrost zvoka).

Medtem ko je razpršena po velikem območju (običajno 250 m v premeru), svetloba Čerenkova traja le nekaj nanosekund – ravno dovolj dolgo, da ji sledijo zrcala teleskopov CTA in zaznajo kamere visoke hitrosti, nameščene v njihovih žariščih. Kot tak bo CTA na koncu omogočil astronomom, da raziščejo matične žarke gama in njihov kozmični izvor.

»V smislu stalnega razvoja izdelkov in inovacij nas zanima, kako je mogoče platformo SiPM uporabiti za atmosfersko detekcijo čerenkovske svetlobe,« pojasnjuje Mauro Bombonati, višji prodajni inženir pri italijanskem oddelku Hamamatsu Photonics v Milanu. »Pobudo CTA vidimo kot idealen poligon za napredne detektorje SiPM in posledično odskočno desko za prihodnjo uvedbo tehnologije SiPM v velikih pospeševalnikih – na primer za podporo eksperimentom z nevtrini in iskanju temne snovi. .”

Modro nebo sodelovanje

S tem v mislih je skupina za raziskave in razvoj podjetja Hamamatsu tesno sodelovala z italijanskim Nacionalnim inštitutom za astrofiziko (INAF) v okviru Projekt ASTRI, mednarodni konzorcij, ki izdeluje devet teleskopov z dvojnim zrcalom (premera 4 m) za atmosfersko čerenkovsko astronomijo. Kot prednostni tehnološki partner je Hamamatsu skrbel za načrtovanje, razvoj in optimizacijo ad hoc modulov SiPM, ki se uporabljajo za vgradnjo v kompaktne kamere Čerenkova teleskopov ASTRI. Nastali mini-niz ASTRI je trenutno nameščen na observatoriju Teide (Tenerife, Kanarski otoki) in predstavlja "pathfinder" za CTA-jev podniz 37 malih teleskopov (SST), ki bodo nameščeni v Paranalu (Čile). .

Po dokončanju bo CTA nadalje vključeval 23 srednje velikih teleskopov (MST) – vsak s premerom 12 m in razporejenih po obeh mestih niza – ter štiri velike teleskope (LST) s premerom 23 m. Operativno bosta sistema kamer LST in MST uporabljala fotopomnoževalne cevi; V nasprotju s tem bodo kamere SST uporabljale SiPM za pretvorbo čerenkovske svetlobe v električne podatke za hitro branje in analizo.

Prav tako je treba omeniti, da INAF skupaj z drugimi projektnimi skupinami CTA zasleduje različice na temo SST z rahlimi spremembami geometrije in zasnove teleskopov SST, da bi dosegel optimalen pristop v primerjavi s tehničnimi zahtevami CTA. Tudi v Hamamatsuju potekajo prizadevanja za raziskave in razvoj na ravni naprave – zlasti izboljšanje SiPM PDE v bližnjem UV (200–400 nm), kjer je intenziteta Čerenkovove svetlobe optimalna.

"Izboljšujemo postopek izdelave rezin, da bi zmanjšali število mrežnih napak v plasti za fotoelektrično pretvorbo," ugotavlja Bombonati. Cilj je podaljšana življenjska doba nosilca in večje število nosilcev, ki dosežejo plazovno plast. "Do danes," dodaja, "so inženirji Hamamatsu dokazali 16-odstotno izboljšanje občutljivosti detektorja pri 350 nm."

Druga usmeritev raziskav in razvoja podjetja Hamamatsu vključuje zatiranje kopičenja v detektorjih SiPM – tj. narediti naraščajoči rob valovne oblike signala ostrejši s prilagoditvijo dušelnega upora in zmanjšanjem kapacitivnosti sponk. Na ta način je mogoče uporabiti nižji sprožilni prag za ločevanje čerenkovskih "dogodkov" od hrupa, tako da je mogoče standardno opazovati dogodke z nižjo energijo.

Enako pomembno je izkoriščanje tehnologije prek silicija (TSV), ki je v bistvu navpična električna povezava, ki v celoti prehaja skozi silicijevo rezino, da poveča aktivno območje za zaznavanje fotonov, hkrati pa zmanjša mrtvi prostor (s čimer izboljša PDE in hkrati zniža preslušavanje med piksli SiPM).

Konkurenčna inteligenca

Strateško gledano Hamamatsu spremlja širšo pokrajino v fiziki visokih energij, da zagotovi referenčni okvir, ki ga vodijo stranke, za svoj interni inovacijski program. Takšen primer je »status opazovalca« podjetja v CERN-u Evropski odbor za prihodnje pospeševalnike (ECFA), pobudo, ki podpira razvoj dolgoročnih načrtov raziskav in razvoja za tehnologije pospeševalnikov in detektorjev v vsej skupnosti.

»Sodelovanje z ECFA nam pomaga dati prednost nastajajočim tehnološkim trendom in zahtevam uporabnikov za SiPM v astrofiziki delcev in znanosti, ki temelji na pospeševalnikih,« zaključuje Bombonati. "Hkrati se razvoj rešitev SiPM za mejne raziskave v fiziki visokih energij povrne tudi drugje - nenazadnje v smislu izboljšane zmogljivosti in konkurenčne diferenciacije za naše bolj uveljavljene industrijske aplikacije."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• Kupujte in prodajajte delnice podjetij pred IPO s PREIPO®. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/