Международная группа физиков разработала фотонный детектор ArCLight. Это одно из ключевых устройств, необходимых для реализации проекта DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). Авторы представили свою работу в двух статьях, опубликованных в журнале Instruments в 2018 и 2024 году.
Эксперимент DUNE направлен на получение недостающих фундаментальных параметров нейтрино, что, в частности, может помочь физикам подойти к решению проблемы иерархии фермионных масс. В этом эксперименте прибор ArCLight необходим как модуль ближнего детектора, который, в свою очередь, состоит из 35 модулей, размещенных в общем криостате со сжиженным аргоном стенка к стенке с минимальным зазором. Детекторы ArCLight должны быть смонтированы внутри каждого модуля и покрывать всю доступную внутреннюю поверхность стенок. Такое расположение обеспечивает максимально эффективную регистрацию фотонов.
Задача фотонного детектора ArCLight — регистрировать сцинтилляционный свет, который возникает при взаимодействии нейтрино со средой время-проекционной камеры, в данном случае — с жидким аргоном. Особенность разработанного прибора ArCLight в том, что его можно поместить на стенки аргоновой камеры, так как он не вносит искажения в направляющее электрическое поле.
Рисунок 1. Слева фотография прототипа ArgonCube Light (ArCLight) размером 10 × 10 см2 с четырьмя кремниевыеми фотоумножителями (SiPM). Справа принципиальная схема работы ArCLight на примере детектирования излучения вакуумного ультрафиолета. Источник: Instruments.
Разработанный учеными детектор ArCLight представляет собой плоскую панель, почти полностью состоящую из диэлектрика. Когда излучение из области вакуумного ультрафиолета попадает на слой тетрафенил бутадиена (TBP), материал его поглощает и излучает новую волну в синем диапазоне (пик при 430 нм). Далее эта волна проходит сквозь дихроичное зеркало и попадает в область спектросмещающего полимера (WSL). В этом слое аналогичным образом происходит еще одно преобразование волны в область зеленого диапазона (пик при 490 нм). Излучение зеленого диапазона отражается от зеркала и направляется на кремниевый фотоумножитель (SiPM) и преобразовывается в электрический сигнал.
«При разработке ArcLight наиболее сложным этапом для нас оказалось подобрать материалы так, чтобы детектор выдерживал многократные охлаждения до температуры жидкого аргона (~ 187 К) и нагрев обратно до комнатной. При низкой температуре полимерные материалы становятся хрупкими, и, при несоответствии коэффициентов теплового расширения, детектор может разрушиться — треснуть», — делится Игорь Кресло, ведущий научный сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий МФТИ.
Физики сконструировали ряд прототипов фотодетекторов разных размеров, начиная от маленьких — 5 × 5 см, и заканчивая требуемыми в ближнем детекторе DUNE — 30 × 50 см. Фотонная эффективность полученных приборов варьируется в диапазоне от 0,8 % до 2,2 %.
Эта величина характеризует, какая доля фотонов, образованных за счет взаимодействия аргона с нейтрино, детектируется прибором. Чем выше эффективность, тем меньшую энергию может иметь частица, которую может зарегистрировать детектор. Благодаря высокой эффективности прибора возможно измерять частицы в широком диапазоне энергий. Это улучшает статистическую значимость результатов эксперимента.
Одним из важных этапов производства ArCLights является нанесение покрытия тетрафенил бутадиена. Это покрытие поглощает излучение жидкого аргона и после излучает свет в синем диапазоне. На практике оказалось, что эффективность прибора зависит от способа нанесения этого материала на дихроические зеркала. Ученые сравнили два метода покрытия TPB: с помощью аэрографа и с помощью осаждения.
Рисунок 2. Микроскопические изображения слоя тетрафенил бутадиена, полученные с помощью аэрографа (слева) и осаждения испарением (справа). Оба изображения увеличены в 500 раз. Источник: Instruments.
Сравнение методов проводилось на специальной установке с использованием двух идентичных ArCLights с различными покрытиями. В этом тесте применялся импульсный светодиод, излучающий свет с длиной волны 270 нм. Светодиод устанавливался на роботизированной руке, которая перемещалась по поверхности ArCLight. При сканировании способности регистрации света по всей поверхности прибора ученые получили световой выход в 210 различных положениях светодиода. Результаты теста показали, что покрытие испарением дало увеличение фотонной эффективности в два раза по сравнению с методом аэрографа.
Ученые также разработали методы контроля качества для серийного производства ArCLight. Они основаны на богатом опыте сотрудников лаборатории МФТИ в области создания детекторов заряженных частиц. Основой методики является как можно более близкая имитация рабочего окружения детектора. Систематическое сканирование точечным источником света является реализацией именно такого подхода.
