Silikon fotoçoğaltıcılar: gama ışını astronomisindeki uygulamalar için hazırlanıyor – Fizik Dünyası

Hamamatsu FotonikÇeşitli endüstriyel, bilimsel ve tıbbi pazarlarda faaliyet gösteren Japon optoelektronik üreticisi , silikon fotomultiplier (SiPM) teknoloji portföyü için yüksek enerji fiziğindeki en son fırsatları değerlendiriyor. Yakın vadede bu, astroparçacık fiziği ve gama ışını astronomisinde yeni ortaya çıkan uygulamalara odaklanılacağı anlamına gelirken, ilerleyen süreçte parçacık hızlandırıcı tesislerinde ölçekli SiPM konuşlandırılmasının da söz konusu olduğu anlamına geliyor. CERN, KEK ve Fermilab'ın Standart Modelin ötesinde yeni fiziği araştırmak.

Peki ya temel bilgiler? SiPM – olarak da bilinir Çok Piksel Foton Sayacı (MPPC) – Geiger modunda çalışan yüksek yoğunluklu çığ fotodiyot matrisinden oluşan katı halli bir fotoçoğaltıcıdır (böylece bir fotonun emilmesiyle oluşturulan tek bir elektron-delik çifti güçlü bir “çığ” etkisini tetikleyebilir). Bu şekilde teknoloji, vakum-ultraviyoleden görünürden yakın kızılötesine kadar değişen dalga boylarında tek foton sayımına ve diğer ultra düşük ışık uygulamalarına ideal olarak uygun bir optik algılama platformunun temelini sağlar.

Hamamatsu ise şu anda akademik araştırmaları (örn. kuantum hesaplama ve kuantum iletişim deneyleri) kapsayan bir dizi yerleşik ve yeni ortaya çıkan uygulamaya ticari SiPM çözümleri sağlıyor; nükleer tıp (örn. pozitron emisyon tomografisi); gıda üretim tesislerinde hijyen denetimi; otonom araçlar için ışık algılama ve menzil (LiDAR) sistemlerinin yanı sıra. Diğer müşteriler arasında floresan mikroskobu ve taramalı lazer oftalmoskopi gibi alanlarda uzmanlaşmış enstrümantasyon OEM'leri bulunmaktadır. Birlikte ele alındığında, bu farklı kullanım durumlarının temelini oluşturan şey, yüksek foton algılama verimliliğini (PDE) sağlamlık, aşırı ışığa karşı direnç ve manyetik alanlara karşı bağışıklık ile birleştiren SiPM'nin benzersiz spesifikasyon sayfasıdır.

Gama ışını içgörüleri

Açıkçası, aynı özellikler, astropartikül fiziği (kozmik kökenli temel parçacıkların incelenmesi ve bunların astrofizik ve kozmoloji ile ilişkilerinin incelenmesi) için yeni nesil dedektörlerin teknik gereklilikleriyle iyi bir şekilde eşleşiyor. Bunun bir örneği şu: Çerenkov Teleskop Dizisi (CTA) GözlemeviGeniş bir gama ışını enerji aralığını (64 GeV ila 20 TeV) kapsayacak şekilde farklı boyutlarda 300 teleskoptan oluşan, dünyanın en büyük ve en hassas yüksek enerjili gama ışını gözlemevini inşa etme sürecinde olan iddialı bir uluslararası araştırma girişimi. Teleskoplar iki diziyi dolduracak; biri İspanya'nın Kanarya Adaları'nda yer alacak; diğeri Şili'de - hem kuzey hem de güney yarımküreleri kapsayacak.

Bağlam açısından, gama ışınları Dünya'nın atmosferine ulaştığında, dış katmanlarla etkileşime girerek "hava sağanakları" veya "parçacık yağmurları" olarak bilinen atom altı parçacık çağlayanlarını üretirler. Bu ultra yüksek enerjili parçacıklar havada ışıktan daha hızlı hareket ederek Çerenkov ışığının mavi bir parıltısını yaratabilir (ses hızını aşan bir uçağın yarattığı sonik patlama gibi).

Geniş bir alana (tipik olarak 250 m çapında) yayılmış olmasına rağmen Çerenkov ışığı yalnızca birkaç nanosaniye sürüyor; bu süre, CTA teleskoplarının aynaları tarafından izlenebilecek ve odak noktalarına yerleştirilen yüksek hızlı kameralar tarafından tespit edilebilecek kadar uzun. Böylelikle CTA, sonuçta gökbilimcilerin ana gama ışınlarını ve bunların kozmik kökenlerini araştırmasına olanak tanıyacak.

Hamamatsu Photonics'in Milano'daki İtalyan bölümünde kıdemli satış mühendisi Mauro Bombonati şöyle açıklıyor: "Devam eden ürün geliştirme ve yenilik açısından, SiPM platformunun Cherenkov ışığının atmosferik tespiti için nasıl kullanılabileceğiyle ilgileniyoruz." "CTA girişimini, gelişmiş SiPM dedektörleri için ideal bir deneme alanı ve buna bağlı olarak, SiPM teknolojisinin büyük ölçekli hızlandırıcı tesislerinde gelecekteki dağıtımı için bir basamak taşı olarak görüyoruz - örneğin nötrino deneylerini ve karanlık madde arayışını desteklemek için .”

Mavi gökyüzü işbirliği

Bunu akılda tutarak Hamamatsu'nun Ar-Ge ekibi, İtalyan Ulusal Astrofizik Enstitüsü (INAF) ile şu bağlamda yakın işbirliği yaptı: ASRI projesi, atmosferik Çerenkov astronomisi için dokuz çift aynalı teleskop (4 m çapında) inşa etme sürecinde olan uluslararası bir konsorsiyum. Tercih edilen bir teknoloji ortağı olarak Hamamatsu, ASTRI teleskoplarının kompakt Cherenkov kameralarını yerleştirmek için kullanılan geçici SiPM modüllerinin tasarımını, geliştirilmesini ve optimizasyonunu üstlendi. Ortaya çıkan ASTRI mini dizisi şu anda Teide Gözlemevi'nde (Tenerife, Kanarya Adaları) kuruluyor ve CTA'nın Paranal'a (Şili) kurulacak olan 37 küçük ölçekli teleskoptan (SST) oluşan alt dizisi için bir "yol göstericiyi" temsil ediyor. .

Tamamlandığında, CTA ayrıca her biri 23 m çapında ve her iki dizi alanına dağıtılmış 12 orta boy teleskoptan (MST) ve ayrıca 23 m çapında dört büyük boyutlu teleskoptan (LST) oluşacaktır. Operasyonel olarak LST ve MST kamera sistemleri fotoçoğaltıcı tüplerden yararlanacaktır; SST kameralar ise bunun tersine, yüksek hızlı okuma ve analiz amacıyla Cherenkov ışığını elektriksel verilere dönüştürmek için SiPM'leri kullanacak.

INAF'ın, diğer CTA proje ekipleriyle birlikte, CTA teknik gerekliliklerine karşı optimum bir yaklaşımı gerçekleştirmek için SST teleskoplarının geometrisinde ve tasarımında küçük değişiklikler yaparak SST teması üzerinde varyasyonlar peşinde olduğunu da belirtmekte fayda var. Hamamatsu'da da cihaz düzeyinde Ar-Ge çalışmaları devam ediyor; özellikle Cherenkov ışık yoğunluğunun optimum olduğu UV'ye yakın (200–400 nm) bölgede SiPM PDE'yi iyileştiriyor.

Bombonati, "Fotoelektrik dönüşüm katmanındaki kafes kusurlarının sayısını azaltmak için levha üretim sürecini geliştiriyoruz" diye belirtiyor. Amaç, taşıyıcı ömrünün uzatılması ve daha fazla sayıda taşıyıcının çığ katmanına ulaşmasıdır. "Bugüne kadar" diye ekliyor, "Hamamatsu mühendisleri 16 nm'de dedektör hassasiyetinde %350'lık bir artış gösterdi."

Hamamatsu'nun Ar-Ge'sinin bir diğer odak noktası, SiPM dedektörlerinde yığılmanın bastırılmasıdır; yani söndürme direncini ayarlayarak ve terminal kapasitansını azaltarak sinyal dalga formunun yükselen kenarını daha keskin hale getirmek. Bu şekilde Çerenkov “olaylarını” gürültüden ayırmak için daha düşük bir tetikleme eşiği kullanılabilir, böylece daha düşük enerjili olaylar standart olarak gözlemlenebilir.

Aynı derecede önemli olan, foton tespiti için aktif alanı en üst düzeye çıkarırken aynı zamanda ölü alanı en aza indiren (böylece PDE'yi arttırırken aynı zamanda azaltır) esasen tamamen bir silikon levhadan geçen dikey bir elektrik bağlantısı olan geçiş-silikon-yoluyla (TSV) teknolojisinin kullanılmasıdır. SiPM pikselleri arasındaki karışma).

Rekabetci zeka

Stratejik olarak Hamamatsu, şirket içi inovasyon programı için müşteri odaklı bir referans çerçevesi sağlamak amacıyla yüksek enerji fiziğinin daha geniş alanına ilişkin bir izleme özeti tutar. Şirketin CERN'deki “gözlemci statüsü” bunun bir örneğidir. Avrupa Geleceğin Hızlandırıcıları Komitesi (ECFA), hızlandırıcı ve dedektör teknolojileri için uzun vadeli Ar-Ge yol haritalarının topluluk çapında geliştirilmesini destekleyen bir girişim.

Bombonati sözlerini şöyle bitiriyor: "ECFA ile etkileşim, astropartikül fiziği ve hızlandırıcı tabanlı bilimde SiPM için ortaya çıkan teknoloji trendlerini ve kullanıcı gereksinimlerini önceliklendirmemize yardımcı oluyor." "Aynı zamanda, yüksek enerji fiziğinde öncü araştırmalar için SiPM çözümlerinin geliştirilmesi, başka yerlerde de geri ödemeler sağlıyor; özellikle de daha yerleşik endüstriyel uygulamalarımız için geliştirilmiş yetenek ve rekabetçi farklılaşma açısından."

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoAiStream. Web3 Veri Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• Adryenn Ashley ile Geleceği Basmak. Buradan Erişin.
• PREIPO® ile PRE-IPO Şirketlerinde Hisse Al ve Sat. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/