مِبرادٌ بِنافذةٍ نحو الأشعّةِ فوقَ البنفسجيّةِ الفراغيّة
السياق
السوائلُ النبيلةُ، مثلُ الزينونِ السائلِ، تُصدرُ إشعاعًا في نطاقِ الأشعّةِ فوقَ البنفسجيّةِ الفراغيّةِ (127 نانومترًا للأرجونِ و175 نانومترًا للزينونِ) وتُستخدمُ على نطاقٍ واسعٍ في البحثِ عنِ المادّةِ المُظلمةِ وعنِ اضمحلالِ بيتّا المزدوجِ الخاليِ منَ النيوترينو. تُزيحُ المضاعِفاتُ الضوئيّةُ السيليكونيّةُ (SiPM) المُضاعِفاتِ الضوئيّةَ التقليديّةَ بفضلِ نشاطِها الإشعاعيّ الأقلِّ ودقّتِها الأعلى، لكنَّ خصائصَها تعتمدُ بشدّةٍ على درجةِ الحرارةِ. الأنظمةُ التجاريّةُ لتوصيفِ هذهِ الكاشفاتِ غيرُ مُصمَّمةٍ لدرجاتِ الحرارةِ المُنخفضةِ جدًّا ولا للإضاءةِ المُتحكَّمِ بها بالأشعّةِ فوقَ البنفسجيّةِ الفراغيّةِ، كما أنّ المساحاتِ الكبيرةَ للكاشفاتِ تتطلّبُ اختبارًا آليًّا لمئاتِ الأجهزةِ. تتميّزُ هذهِ الدراسةُ عن غيرِها: فالمشاريعُ المجاورةُ في الأرشيفِ تتعلّقُ بثلّاجاتٍ صغيرةٍ للدوائرِ الكموميّةِ، وأقطابٍ شفّافةٍ، ومصابيحَ لترسيبِ الذرّاتِ، لكنْ لا يتناولُ أيٌّ منها مسألةَ الاختبارِ الجماعيّ للمضاعِفاتِ الضوئيّةِ السيليكونيّةِ في نطاقِ الأشعّةِ فوقَ البنفسجيّةِ الفراغيّةِ عندَ درجاتِ حرارةٍ مُنخفضةٍ جدًّا.
المنهجية
بُنيَ المِبرادُ وفقَ تصميمٍ يعتمدُ على النيتروجينِ السائلِ معَ وضعينِ للتبريدِ: وضعٍ عاليِ القدرةِ (بالتلامسِ المباشرِ معَ إصبعٍ باردٍ) ووضعٍ منخفضِ القدرةِ (بنقلِ الحرارةِ عبرَ حلقاتٍ مُخفِّضةٍ). تُشكِّلُ الحلقاتُ المصنوعةُ منَ الألومنيومِ والقوائمُ مُرشِّحًا منخفضَ التردُّداتِ يُخفِّفُ من تذبذباتِ درجةِ الحرارةِ، بينما تُتيحُ سخّاناتٌ قائمةٌ على البولي-إيميدِ رفعَ درجةِ الحرارةِ إلى 340 كلفنًا. لتوصيلِ ضوءِ VUV، تُستخدمُ نافذةٌ من CaF2 قطرُها 142 ملليمترًا مدمجةٌ في صندوقٍ مُظلمٍ مُحكَمِ الإغلاقِ يُنفَّخُ فيهِ نيتروجينٌ جافٌّ لإزالةِ الرطوبةِ. يتحرَّكُ مصدرُ الضوءِ فوقَ العيّنةِ عبرَ نظامِ تحديدِ موضعٍ ثنائيِّ المحورِ يعملُ بمحرِّكاتٍ خطويّةٍ بدقّةٍ تصلُ إلى 0.1 ملليمترٍ. مصادرُ الضوءِ هي: مصباحُ وميضِ الزينونِ معَ مصدرِ 252Cf المُشِعِّ لتوليدِ فوتوناتٍ مفردةٍ، ومصباحُ زينونٍ نابضٌ معَ مرشّحاتٍ نطاقيّةٍ لحزمةٍ مُعايَرةٍ. تشتملُ الإلكترونيّاتُ على مُعدِّدِ إرسالٍ لقياسِ التيّاراتِ حتى 100 فيمتو أمبيرٍ، ومسارٍ سريعٍ بمُضخِّمٍ يصلُ ترددُهُ إلى 2.4 جيجاهرتز.
النتائج
بلغَ ثباتُ درجةِ الحرارةِ 1.2 مليكلفنٍ في نافذةٍ زمنيّةٍ مُنزلقةٍ مدّتُها 10 دقائقَ بعدَ العمليّةِ الانتقاليّةِ للتعبئةِ، و13.8 مليكلفنٍ على مدى دورةِ تعبئةٍ كاملةٍ. ينخفضُ انحرافُ ألان إلى 0.14 مليكلفنٍ عندَ المتوسّطِ على مدى دقيقتينِ. بالنسبةِ لعشرِ مضاعِفاتٍ ضوئيّةٍ سيليكونيّةٍ من مصفوفةِ Hamamatsu، قِيستْ: معدّلُ العدِّ في الظلامِ (0.6 عدّةٍ/ثانية/ملليمتر² عندَ جهدٍ زائدٍ قدرُهُ 3 فولتاتٍ)، وشحنةُ الفوتوإلكترونِ الواحدِ (0.378 بيكوكولومبٍ)، والشحنةُ الزائدةُ الناتجةُ عنِ الانهياراتِ الثلجيّةِ المترابطةِ (0.050 PE)، وكفاءةُ اكتشافِ الفوتوناتِ (16.3٪). بلغَ المعاملُ الحراريُّ لجهدِ الانهيارِ (52.8±0.5) مليفولت/كلفنٍ. كانَ لحزمةِ ضوءِ VUV نصفُ قطرٍ يبلغُ 1.09×1.21 ملليمترٍ، وقدِ احتوتْ بالكاملِ على مضاعِفٍ ضوئيٍّ واحدٍ، ممّا سمحَ بقياسِ PDE بدقّةٍ محدودةٍ بمعايرةِ الصمّامِ الضوئيِّ.
الأهمية
تتميّزُ هذهِ الدراسةُ عنِ المشاريعِ المجاورةِ بجمعِها بينَ التبريدِ الشديدِ والبصريّاتِ الخارجيّةِ للأشعّةِ فوقَ البنفسجيّةِ الفراغيّةِ والمسحِ الآليِّ، وهو ما لا يتوفّرُ في الثلّاجاتِ الصغيرةِ للدوائرِ الكموميّةِ أو مصابيحِ ترسيبِ الذرّاتِ. وهيَ تُظهِرُ لأوّلِ مرّةٍ اختبارًا جماعيًّا للمضاعِفاتِ الضوئيّةِ السيليكونيّةِ في ظروفٍ قريبةٍ من كاشفِ الزينونِ السائلِ، معَ تحديدٍ دقيقٍ لموضعِ الحزمةِ ومعايرةٍ لتدفُّقِ الضوءِ. يسُدُّ هذا العملُ الفجوةَ بينَ القياساتِ المختبريّةِ الفرديّةِ ومراقبةِ الجودةِ الصناعيّةِ.
التطور المستقبلي
يمكنُ توسيعُ المنظومةِ لاختبارِ مصفوفاتٍ كبيرةٍ من SiPM بمساحةٍ تبلغُ حوالي 100 سم²، ودراسةِ الأضرارِ الإشعاعيّةِ الناتجةِ عنِ التعرُّضِ للأشعّةِ فوقَ البنفسجيّةِ الفراغيّةِ، وبناءِ نموذجٍ للانهياراتِ الثلجيّةِ المترابطةِ معَ الاعتمادِ على درجةِ الحرارةِ. ومنَ الممكنِ دمجُ مصادرِ ضوءٍ أخرى وأتمتةُ دورةِ التوصيفِ الكاملةِ.
التأثير
ستؤثّرُ النتائجُ بشكلٍ مباشرٍ على تطويرِ كاشفاتٍ لتجاربِ nEXO وDarkSide-20k وغيرِها منَ المشاريعِ التي تستخدمُ السوائلَ النبيلةَ، والتي تتطلّبُ آلافَ المضاعِفاتِ الضوئيّةِ السيليكونيّةِ ذاتِ الخصائصِ المعروفةِ.
الخطوات التالية
منَ المُخططِ قياسُ مقاومةِ SiPM للإشعاعِ عندَ التعرُّضِ الطويلِ للأشعّةِ فوقَ البنفسجيّةِ الفراغيّةِ، وتوصيفُ مصفوفاتٍ كبيرةِ المساحةِ عندَ درجاتِ حرارةٍ مختلفةٍ.
المسائل المفتوحة الرئيسية
في فيزياءِ الكاشفاتِ، تظلُّ مسألةُ الاستقرارِ طويلِ المدى للمضاعِفاتِ الضوئيّةِ السيليكونيّةِ في الزينونِ السائلِ، ومساهمةُ الضوضاءِ المترابطةِ في دقّةِ الطاقةِ، أسئلةً مفتوحةً. تتيحُ هذهِ المنظومةُ دراسةَ هذهِ التأثيراتِ بشكلٍ منهجيٍّ في ظروفٍ مُتحكَّمٍ بها.
نافذةُ فُلوريدِ الكالسيومِ تنفُذُ منها 88٪ منَ الضوءِ عندَ طولِ موجةٍ يبلغُ 172 نانومترًا، لكنّها في الوقتِ نفسِهِ مُستَرطِبةٌ للرطوبةِ لدرجةٍ أنّهُ يجبُ نفخُها باستمرارٍ بالنيتروجينِ الجافِّ، وإلّا فإنّ رطوبةَ الهواءِ ستمتصُّ الأشعّةَ فوقَ البنفسجيّةَ.
أرقام رئيسية
- ثبات درجة الحرارة: 1.2 مليكلفن (نافذة 10 دقائق)
- قطر النافذة: 142 ملليمترًا
- نطاق درجات الحرارة: 120–340 كلفنًا
- كفاءة اكتشاف الفوتونات عند 165 كلفن: 16.3٪
- المعامل الحراري: 52.8 مليفولت/كلفن