Сотрудники Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ совместно с китайскими учеными из Университета Чжэнчжоу, Института физики высоких энергий Китайской академии наук (КАН) и Университета КАН разработали уникальную установку и методы для тестирования матриц кремниевых фотоумножителей (SiPM) в эксперименте ТАО.

Современные детекторы в нейтринной физике часто используют тысячи, а иногда и сотни тысяч кремниевых фотоумножителей (SiPM). Эксперимент TAO — яркий пример, где используется акриловая сфера, заполненная жидким сцинтиллятором, диаметром 1,8 метра, содержащая около 130 000 SiPM, упакованных в 4100 матриц. Каждая матрица имеет размер 5 × 5 см² и состоит из 32 SiPM, работающих как единый детекторный модуль. Для достижения беспрецедентного энергетического разрешения 2% при энерговыделении 1 МэВ в этом объеме SiPM должны обладать превосходными параметрами: эффективность регистрации фотонов (PDE) выше 50%, перекрестные наводки около 10% и чрезвычайно низкий уровень темнового тока (DCR) – менее 50 Гц/мм². Для достижения требуемого уровня DCR необходимо поддерживать установку при отрицательной температуре −50°C.

Установка для массового тестирования матриц кремниевых фотоумножителей (SiPM)

Ученые представили установку и методы, которые используются для определения параметров всей партии SiPM в 4100 матриц при заданной отрицательной температуре. Эта уникальная установка и методика была разработана сотрудниками ЛЯП совместно с китайскими коллегами. Вся проектная документация была отправлена в КНР для производства установки, чтобы избежать логистических трудностей. Методика позволяет тестировать 16 матриц одновременно, измеряя характеристики каждого отдельного фотодиода на матрице: PDE, кросс-токи, шумы, однофотоэлектронное разрешение, усиление, темновой ток и напряжение пробоя для определения оптимальной рабочей точки. Для измерения PDE необходимо было обеспечить стабильное и известное световое поле, которое периодически измерялось сканированием при помощи откалиброванных фотодатчиков. Один такой цикл тестирования занимает около трех часов, где большая часть времени расходуется на охлаждение и отогрев установки в термокамере. Таким образом, за три месяца были проверены все 4100 матриц фотодиодов фирмы Хамаматсу для эксперимента JUNO-TAO.

Посвященная разработке статья была опубликована в Journal of Instrumentation в мае 2024 года. Объединенный институт в списке авторов представляют сотрудники сектора методических исследований ЛЯП Арсений Рыбников, Николай Анфимов, Алексей Четвериков, Дмитрий Федосеев, Владимир Кожукалов, Владислав Шаров, Сергей Соколов и инженер сектора экспериментальной нейтринной физики ЛЯП Альберт Сотников.