Ученые Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, Института физики высоких энергий Китайской академии наук (КАН), Университета КАН и Восточно-Китайского педагогического университета провели исследование внешних кросс-токов в кремниевых фотоумножителях (SiPM – silicon photomultiplier), в частности, в фотоумножителях, предназначенные для использования в нейтринных экспериментах nEXO и JUNO-TAO. Результаты показали значительное присутствие внешних кросс-токов во всех протестированных SiPM.

Оптические кросс-токи (перекрестные наводки) являются критической характеристикой кремниевых фотоумножителей и представляет собой значительный источник фактора избыточного шума (Excess Noise Factor), оказывающего существенное влияние на работу детектора. В процессе лавинного умножения в SiPM генерируемые фотоны могут вызывать как внутренние кросс-токи в пределах одного SiPM, так и внешние кросс-токи, когда фотоны вылетают из одного SiPM и вызывают лавины в других SiPM. В ситуациях, когда SiPM расположены в компактной геометрии и обращены друг к другу, внешние кросс-токи могут даже доминировать.

В работе исследуются два различных метода измерения внешних кросс-токов: счетный метод, в котором SiPM расположены друг напротив друга и измеряются совпадающие сигналы, и метод отражения, использующий высокоотражающую пленку, прикрепленную к поверхности одного SiPM. Измерения внешних кросс-токов были проведены на нескольких типах SiPM, включая чувствительные к вакуумному ультрафиолету (VUV) SiPM, изготовленные Fondazione Bruno Kessler (FBK) и Hamamatsu Photonics Inc (HPK) для эксперимента nEXO, а также чувствительные к видимому свету SiPM, предоставленные FBK, HPK и SensL Technologies Ltd (SenSL) для детектора JUNO-TAO.

Результаты показывают значительное присутствие внешних кросс-токов во всех протестированных SiPM, при этом SiPM от HPK демонстрируют преобладание внешних кросс-токов из-за использования оптических канавок, которые эффективно подавляют внутренние оптические перекрестные наводки. Кроме того, было установлено, что количество сработавших микроячеек (SPAD) в результате внутреннего перекрестного шума можно описать сочетанием геометрической и борелевской моделей для всех протестированных SiPM, тогда как внешние кросс-токи можно предсказать, используя чисто борелевскую модель. Эти различные распределения вероятностей приводят к разным факторам избыточного шума, что по-разному влияет на работу детектора.

Статья о работе была опубликована в Journal of Instrumentation в июне 2024 года. Объединенный институт в списке авторов представляют сотрудники сектора методических исследований ЛЯП Николай Анфимов, Дмитрий Федосеев, Ксения Кузнецова, Арсений Рыбников, Александр Селюнин и инженер сектора экспериментальной нейтринной физики ЛЯП Альберт Сотников.