Investigando SiPMs para Telescopios de Gran Tamaño

Los fotomultiplicadores de silicio (SiPMs) son dispositivos que detectan luz. Se han vuelto populares en ciertos tipos de telescopios llamados Telescopios Cherenkov Atmosféricos de Imágenes (IACTs) porque ofrecen un buen rendimiento. Estos telescopios se utilizan para observar rayos cósmicos y gamma de alta energía desde el espacio. Algunos IACTs, como el telescopio FACT y los Telescopios de Tamaño Pequeño del Array de Telescopios Cherenkov (CTA), ya usan SiPMs. Sin embargo, usarlos en los Telescopios de Tamaño Grande (LSTS) de CTA necesita más investigación.

#La Necesidad de SiPMs en LSTs

Los LSTs están diseñados para detectar rayos gamma de menor energía en comparación con otros telescopios. Esto significa que pueden captar señales del cielo nocturno, lo que puede interferir con sus observaciones. Para mejorar su rendimiento, es importante encontrar formas de minimizar el impacto de estas señales de fondo (denominadas fondo del cielo nocturno o NSB) y manejar otros problemas, como la generación de calor y la estabilidad de la señal.

En nuestra investigación, analizamos diferentes SiPMs de una empresa llamada Hamamatsu photonics y estudiamos su idoneidad para los LSTs. Nuestro objetivo era crear un módulo de SiPM que pueda encajar en la cámara LST existente y evaluar qué tan bien funcionan estos sensores.

#El Array de Telescopios Cherenkov (CTA)

El Array de Telescopios Cherenkov (CTA) es un nuevo observatorio que tiene como objetivo estudiar rayos gamma. Usa tres tamaños diferentes de telescopios: Telescopios de Tamaño Grande (LSTs), Telescopios de Tamaño Mediano (MSTs) y Telescopios de Tamaño Pequeño (SSTs). Cada tipo de telescopio está diseñado para detectar rayos gamma en diferentes rangos de energía.

Los LSTs tienen un espejo más grande y son sensibles a rayos gamma que empiezan desde 20 GeV. Los MSTs manejan el rango de energía media, y los SSTs son para rayos gamma de muy alta energía por encima de 3 TeV. Esta combinación ayuda al CTA a cubrir todo el cielo.

#Contexto sobre IACTs y SiPMs

Los telescopios tradicionales usaban tubos fotomultiplicadores (PMTs) para detectar luz. Los PMTs se han utilizado en IACTs durante muchos años. Recientemente, los SiPMs han ganado atención debido a su mayor sensibilidad y menor costo. El telescopio FACT fue el primero en usar SiPMs en 2012.

A medida que los SiPMs han evolucionado, su capacidad para detectar luz ha aumentado. La posibilidad de señales incorrectas, conocida como crosstalk óptico, ha disminuido. Esto hace que los SiPMs sean una opción viable para muchos telescopios. Sin embargo, para usar SiPMs en LSTs, los investigadores deben evaluar cómo funcionan en presencia de NSB.

#Características de los SiPMs

Un SiPM específico en el que nos centramos es el Hamamatsu S13360-3075CN-UVE-1. Este dispositivo está diseñado especialmente para trabajar en IACTs, con características que mejoran su efectividad en la detección de luz en el rango ultravioleta cercano, donde la luz Cherenkov es más prevalente. El área sensible de este sensor es de 3 mm por 3 mm y contiene 1600 diminutos sensores conocidos como fotodiodos Geiger en modo avalancha (g-APDs).

Estudiamos la forma del pulso de este SiPM. Tiene un componente rápido, con un ancho de alrededor de 4 ns, y una larga cola con un decaimiento exponencial más lento. El tiempo de respuesta rápido es útil para captar señales rápidas de lluvias de aire causadas por rayos gamma. Sin embargo, también necesitamos entender cómo cambia el rendimiento si otro fotón golpea el sensor mientras todavía se está recuperando del pulso anterior.

#Métricas Básicas de Rendimiento

Cuando evaluamos el SiPM, medimos varias métricas de rendimiento. Estas incluyen la resolución de carga, la relación entre el voltaje de ruptura y la temperatura, la Tasa de conteo en la oscuridad (DCR), y la probabilidad de crosstalk óptico en función de la temperatura y sobrevoltaje.

El voltaje de ruptura, que es el voltaje al que el sensor comienza a conducir, cambia con la temperatura. Esto podría requerir un circuito de compensación simple al usar el SiPM en telescopios. La DCR también varía con la temperatura y el sobrevoltaje. A una temperatura de 25 grados Celsius y un sobrevoltaje de 3 voltios, la DCR mide alrededor de 400 kHz. Esta tasa es baja comparada con el NSB esperado, lo que lo hace manejable para los LSTs.

La probabilidad de crosstalk óptico es de alrededor del 4% a 3 voltios, lo cual se considera aceptable para el uso en IACT.

#Tiempo de Recuperación del SiPM

Debido a la larga cola de la forma del pulso, entender el tiempo de recuperación del SiPM es crucial. Usamos un método donde iluminamos el SiPM con un fuerte pulso láser, haciendo que los 1600 g-APDs se activaran. Después de un breve intervalo, iluminamos el láser de nuevo y grabamos la amplitud de las señales.

Cuando el tiempo entre pulsos es muy corto, la amplitud de la señal disminuye porque los g-APDs no están completamente cargados. El tiempo de recuperación es de aproximadamente 2 microsegundos, alineándose con la constante de tiempo del componente lento de la forma del pulso.

#Efectos del Fondo del Cielo Nocturno (NSB)

El nivel de NSB puede afectar el rendimiento general de los SiPMs. Cuando las tasas de NSB son bajas, el tiempo de recuperación no causa problemas significativos. Sin embargo, niveles más altos de NSB pueden llevar a que muchos g-APDs operen a voltajes reducidos simultáneamente.

Realizamos simulaciones para entender cómo cambia la distribución de sobrevoltaje entre los g-APDs con diversas condiciones de NSB. Se encontró que a medida que aumenta la tasa de NSB, muchos g-APDs tienen voltajes más bajos, lo que lleva a una caída en la eficiencia promedio de detección de fotones (PDE).

En una noche clara, se espera que el NSB tenga una tasa de aproximadamente 15 MHz para el área del sensor. Esto es manejable, pero bajo condiciones con diez veces esa tasa, esperamos alrededor de un 10% de caída en el rendimiento. Si el NSB es cien veces mayor, como durante noches de luna llena, el rendimiento puede caer significativamente.

#Resolución de Carga bajo NSB

La capacidad de medir carga con precisión es vital para el rendimiento de los SiPMs. La variación en el sobrevoltaje entre los g-APDs afecta la resolución de carga. Nuestras simulaciones indicaron que la resolución podría disminuir hasta un 50% cuando se expone a altas tasas de NSB, confirmando nuestras expectativas iniciales.

#Conclusión sobre el SiPM de Hamamatsu

El ancho de pulso rápido de este SiPM es beneficioso para los LSTs porque ayuda a filtrar la interferencia de los fotones NSB en las imágenes de la lluvia de aire. Sin embargo, la larga cola y el tiempo de recuperación lento pueden obstaculizar el rendimiento bajo altas condiciones de NSB. Los SiPMs son más resistentes que los PMTs al manejar luz brillante, lo que es beneficioso durante ciertas condiciones de observación.

En última instancia, adoptar este SiPM depende de los objetivos científicos de los LSTs. Se necesitarán más estudios y discusiones para tomar una decisión informada.

#Guías de Luz para SiPMs

Para reducir aún más el impacto del NSB al usar SiPMs en LSTs, investigamos recubrimientos especiales para las guías de luz. Estos recubrimientos pueden reflejar efectivamente ciertos colores de luz, mientras suprimen otros. Los diseños buscan mejorar la recolección de luz Cherenkov mientras limitan las señales no deseadas.

Las guías de luz tienen una entrada y salida en forma de cuadrado. Vamos a emplear patrones de curva específicos para asegurar la máxima eficiencia de recolección de luz basada en simulaciones de trazado de rayos. Estos diseños aseguran que solo la luz de los espejos del telescopio llegue a la superficie del SiPM.

#Diseño del Módulo de SiPM

El uso de SiPMs en LSTs sigue siendo un área relativamente nueva, y es importante examinar los efectos de altos niveles de NSB y cambios de temperatura en los sensores. Para probar estos factores, estamos desarrollando un módulo de banco de pruebas que podrá encajar dentro de la cámara LST existente.

Este módulo contendrá 14 píxeles SiPM en forma de cuadrado organizados de tal manera que no interfieran con los módulos PMT actuales. El sistema de adquisición de datos se ajustará en consecuencia, reemplazando los canales de baja ganancia por otros de alta ganancia, manteniendo la compatibilidad con los sistemas existentes del telescopio.

#Pensamientos Finales

En resumen, el SiPM Hamamatsu S13360-3075CN-UVE-1 ofrece un tiempo de respuesta rápido, lo que lo convierte en un buen candidato para aplicaciones LST. Sin embargo, desafíos como el tiempo de recuperación lento bajo fuertes condiciones de NSB necesitan ser considerados cuidadosamente. El desarrollo de módulos de banco de pruebas junto con guías de luz mejoradas es un paso importante hacia la integración de SiPMs en futuros diseños de telescopios y mejorando sus capacidades de observación.