Bộ nhân quang silicon: chuẩn bị cho các ứng dụng trong thiên văn học tia gamma – Physics World

Quang tử Hamamatsu, một nhà sản xuất quang điện tử Nhật Bản hoạt động trên nhiều thị trường công nghiệp, khoa học và y tế đa dạng, đang đánh giá các cơ hội tiên tiến trong vật lý năng lượng cao cho danh mục công nghệ nhân quang silicon (SiPM) của mình. Trong ngắn hạn, điều đó có nghĩa là trọng tâm là các ứng dụng mới nổi trong vật lý hạt thiên văn và thiên văn học tia gamma, trong khi xa hơn nữa là hứa hẹn triển khai SiPM ở quy mô lớn trong các cơ sở máy gia tốc hạt như CERN, CEC và Fermilab để thăm dò vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn.

Những điều cơ bản thì sao? SiPM – còn được gọi là Bộ đếm Photon nhiều điểm ảnh (MPPC) – là một máy nhân quang trạng thái rắn bao gồm một ma trận mật độ cao của các điốt quang tuyết lở hoạt động ở chế độ Geiger (sao cho một cặp electron-lỗ trống được tạo ra bởi sự hấp thụ một photon có thể gây ra hiệu ứng “tuyết lở” mạnh). Bằng cách này, công nghệ này cung cấp nền tảng của nền tảng cảm biến quang học phù hợp lý tưởng cho việc đếm photon đơn lẻ và các ứng dụng ánh sáng cực thấp khác ở các bước sóng từ tia cực tím chân không đến vùng nhìn thấy đến hồng ngoại gần.

Về phần mình, Hamamatsu hiện cung cấp các giải pháp SiPM thương mại cho một loạt các ứng dụng đã có và đang phát triển trong nghiên cứu học thuật (ví dụ: điện toán lượng tử và thí nghiệm truyền thông lượng tử); y học hạt nhân (ví dụ chụp cắt lớp phát xạ positron); giám sát vệ sinh tại cơ sở sản xuất thực phẩm; cũng như hệ thống phát hiện ánh sáng và phạm vi (LiDAR) cho xe tự hành. Các khách hàng khác bao gồm các OEM thiết bị chuyên về các lĩnh vực như kính hiển vi huỳnh quang và kính soi đáy mắt quét bằng laser. Kết hợp lại với nhau, điều làm nền tảng cho các trường hợp sử dụng đa dạng này là bảng thông số kỹ thuật độc đáo của SiPM, kết hợp hiệu suất phát hiện photon cao (PDE) với độ chắc chắn, khả năng chống ánh sáng dư thừa và khả năng miễn nhiễm với từ trường.

Thông tin chi tiết về tia gamma

Rõ ràng, những đặc điểm tương tự đó rất phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của thế hệ máy dò tiếp theo dành cho vật lý hạt thiên văn (nghiên cứu các hạt cơ bản có nguồn gốc vũ trụ và mối quan hệ của chúng với vật lý thiên văn và vũ trụ học). Một trường hợp điển hình là Đài thiên văn mảng kính viễn vọng Cherenkov (CTA), một sáng kiến ​​nghiên cứu quốc tế đầy tham vọng đang trong quá trình xây dựng đài quan sát tia gamma năng lượng cao lớn nhất và nhạy cảm nhất thế giới, bao gồm 64 kính thiên văn có kích thước khác nhau để bao phủ phạm vi năng lượng tia gamma rộng (từ 20 GeV đến 300 TeV). Các kính thiên văn sẽ bố trí hai mảng – một địa điểm nằm ở Quần đảo Canary, Tây Ban Nha; cái còn lại ở Chile – bao phủ cả bán cầu bắc và nam.

Theo ngữ cảnh, khi tia gamma chạm tới bầu khí quyển Trái đất, chúng tương tác với các lớp bên ngoài của nó để tạo ra các dòng hạt hạ nguyên tử được gọi là “mưa không khí” hoặc “mưa hạt”. Những hạt năng lượng cực cao này có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng trong không khí, tạo ra tia sáng Cherenkov màu xanh lam (giống như vụ nổ âm thanh do máy bay vượt quá tốc độ âm thanh tạo ra).

Trong khi trải rộng trên một khu vực rộng lớn (đường kính thường là 250 m), ánh sáng Cherenkov chỉ tồn tại trong vài nano giây – đủ lâu để được theo dõi bởi các gương của kính thiên văn CTA và được phát hiện bởi các camera tốc độ cao đặt tại tiêu điểm của chúng. Như vậy, CTA cuối cùng sẽ cho phép các nhà thiên văn nghiên cứu các tia gamma gốc và nguồn gốc vũ trụ của chúng.

Mauro Bombonati, kỹ sư bán hàng cao cấp tại bộ phận Ý của Hamamatsu Photonics ở Milan, giải thích: “Về mặt phát triển và đổi mới sản phẩm đang diễn ra, chúng tôi quan tâm đến cách nền tảng SiPM có thể được sử dụng để phát hiện ánh sáng Cherenkov trong khí quyển”. “Chúng tôi coi sáng kiến ​​CTA là cơ sở chứng minh lý tưởng cho các máy dò SiPM tiên tiến và nói rộng ra là bước đệm để triển khai công nghệ SiPM trong tương lai tại các cơ sở máy gia tốc quy mô lớn – ví dụ, để hỗ trợ các thí nghiệm neutrino và tìm kiếm vật chất tối .”

Hợp tác bầu trời xanh

Với suy nghĩ này, nhóm R&D của Hamamatsu đã hợp tác chặt chẽ với Viện Vật lý thiên văn Quốc gia Ý (INAF) trong bối cảnh dự án ASTRI, một tập đoàn quốc tế đang trong quá trình xây dựng chín kính thiên văn gương kép (đường kính 4 m) cho thiên văn học khí quyển Cherenkov. Là đối tác công nghệ được ưu tiên, Hamamatsu xử lý việc thiết kế, phát triển và tối ưu hóa các mô-đun SiPM đặc biệt được sử dụng để lắp vào máy ảnh Cherenkov nhỏ gọn của kính thiên văn ASTRI. Mảng nhỏ ASTRI thu được hiện đang được lắp đặt tại Đài quan sát Teide (Tenerife, Quần đảo Canary) và đại diện cho “người tìm đường” cho mảng phụ gồm 37 kính thiên văn quy mô nhỏ (SST) của CTA sẽ được lắp đặt tại Paranal (Chile) .

Sau khi hoàn thành, CTA sẽ tiếp tục bao gồm 23 kính thiên văn cỡ trung bình (MST) - mỗi kính có đường kính 12 m và được phân bổ trên cả hai vị trí mảng - cũng như bốn kính thiên văn cỡ lớn (LST) có đường kính 23 m. Trong quá trình vận hành, hệ thống camera LST và MST sẽ khai thác các ống nhân quang; Ngược lại, camera SST sẽ sử dụng SiPM để chuyển đổi ánh sáng Cherenkov thành dữ liệu điện để đọc và phân tích tốc độ cao.

Cũng cần lưu ý rằng INAF, cùng với các nhóm dự án CTA khác, đang theo đuổi các biến thể về chủ đề SST, với những sửa đổi nhỏ về hình học và thiết kế của kính thiên văn SST để hiện thực hóa cách tiếp cận tối ưu so với các yêu cầu kỹ thuật của CTA. Tại Hamamatsu cũng vậy, nỗ lực R&D ở cấp độ thiết bị đang được tiến hành – đặc biệt là cải thiện SiPM PDE trong vùng gần tia cực tím (200–400 nm), trong đó cường độ ánh sáng Cherenkov là tối ưu.

Bombonati lưu ý: “Chúng tôi đang cải tiến quy trình chế tạo tấm bán dẫn để giảm số lượng khuyết tật mạng trong lớp chuyển đổi quang điện”. Mục tiêu là tăng tuổi thọ của tàu sân bay và số lượng tàu sân bay tiếp cận lớp tuyết lở nhiều hơn. Ông cho biết thêm: “Cho đến nay, các kỹ sư của Hamamatsu đã chứng minh được độ nhạy của máy dò tăng lên 16% ở bước sóng 350 nm”.

Một trọng tâm khác trong hoạt động R&D của Hamamatsu liên quan đến việc triệt tiêu tình trạng chồng chất trong máy dò SiPM – tức là làm cho cạnh lên của dạng sóng tín hiệu trở nên sắc nét hơn bằng cách điều chỉnh điện trở dập tắt và giảm điện dung đầu cực. Bằng cách này, ngưỡng kích hoạt thấp hơn có thể được sử dụng để tách các “sự kiện” Cherenkov khỏi nhiễu, sao cho các sự kiện năng lượng thấp hơn có thể được quan sát theo tiêu chuẩn.

Điều quan trọng không kém là việc khai thác công nghệ xuyên silicon (TSV), về cơ bản là kết nối điện thẳng đứng đi hoàn toàn qua một tấm bán dẫn silicon để tối đa hóa diện tích hoạt động để phát hiện photon đồng thời giảm thiểu không gian chết (do đó tăng cường PDE đồng thời giảm nhiễu xuyên âm giữa các pixel SiPM).

Trí thông minh cạnh tranh

Về mặt chiến lược, Hamamatsu duy trì một bản tóm tắt theo dõi về bối cảnh rộng hơn trong vật lý năng lượng cao để đảm bảo khung tham chiếu hướng đến khách hàng cho chương trình đổi mới nội bộ của mình. Một trường hợp điển hình là “trạng thái quan sát viên” của công ty trong CERN Ủy ban Châu Âu về Máy gia tốc Tương lai (ECFA), một sáng kiến ​​củng cố sự phát triển trên toàn cộng đồng về lộ trình R&D dài hạn cho công nghệ máy gia tốc và máy dò.

Bombonati kết luận: “Việc tham gia với ECFA giúp chúng tôi ưu tiên các xu hướng công nghệ mới nổi và yêu cầu của người dùng đối với SiPM trong vật lý hạt thiên văn và khoa học dựa trên máy gia tốc”. “Đồng thời, việc phát triển các giải pháp SiPM cho nghiên cứu tiên phong trong vật lý năng lượng cao cũng mang lại lợi ích ở những nơi khác – đặc biệt là về khả năng nâng cao và sự khác biệt mang tính cạnh tranh cho các ứng dụng công nghiệp lâu đời hơn của chúng tôi.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoAiStream. Thông minh dữ liệu Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Đúc kết tương lai với Adryenn Ashley. Truy cập Tại đây.
• Mua và bán cổ phần trong các công ty PRE-IPO với PREIPO®. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/silicon-photomultipliers-gearing-up-for-applications-in-gamma-ray-astronomy/