Cryostat à fenêtre pour ultraviolet sous vide
Contexte
Les liquides nobles, comme le xénon liquide, émettent dans l'ultraviolet sous vide (127 nm pour l'argon, 175 nm pour le xénon) et sont largement utilisés dans la recherche de matière noire et de double désintégration bêta sans neutrino. Les photomultiplicateurs en silicium (SiPM) remplacent les tubes photomultiplicateurs grâce à leur moindre radioactivité et à une meilleure résolution, mais leurs paramètres dépendent fortement de la température. Les systèmes commerciaux de caractérisation ne sont pas conçus pour les températures cryogéniques ni pour un éclairage VUV contrôlé, et les grandes surfaces de détecteurs exigent un test automatisé de centaines de dispositifs. Ce travail se distingue : les projets voisins dans les archives concernent des réfrigérateurs de poche pour circuits quantiques, des électrodes transparentes et des lampes pour le dépôt d'atomes, mais aucun ne résout le problème du test en masse de SiPM dans l'ultraviolet sous vide à des températures cryogéniques.
Méthodes
Le cryostat est construit selon un schéma à azote liquide avec deux modes de refroidissement : un mode haute puissance (contact direct avec un doigt froid) et un mode basse puissance (transfert de chaleur à travers des anneaux atténuateurs). Les anneaux en aluminium et les supports forment un filtre passe-bas qui lisse les fluctuations de température, et des chauffages sur base de polyimide permettent d'élever la température jusqu'à 340 K. Pour l'apport de lumière VUV, on utilise une fenêtre en CaF2 de 142 mm de diamètre, intégrée dans une boîte noire étanche balayée par de l'azote sec pour éliminer l'humidité. Un système biaxial motorisé à moteurs pas à pas déplace la source de lumière au-dessus de l'échantillon avec une précision de 0,1 mm. Les sources de lumière sont une lampe à scintillation au xénon avec du 252Cf radioactif pour créer des photons uniques et une lampe flash au xénon avec des filtres passe-bande pour un faisceau calibré. L'électronique comprend un multiplexeur pour mesurer des courants jusqu'à 100 fA et une voie rapide avec un amplificateur jusqu'à 2,4 GHz.
Résultats
La stabilité en température a atteint 1,2 mK dans une fenêtre glissante de 10 minutes après le transitoire de remplissage et 13,8 mK sur un cycle complet de remplissage. La déviation d'Allan descend à 0,14 mK pour un moyennage de 2 minutes. Pour dix SiPM de la matrice Hamamatsu, on a mesuré le taux de comptage de l'obscurité (0,6 coups/s/mm² à une surtension de 3 V), la charge d'un photoelectron (0,378 pC), la charge excédentaire due aux avalanches corrélées (0,050 PE) et l'efficacité de détection des photons (16,3 %). Le coefficient de température de la tension de claquage est de (52,8 ± 0,5) mV/K. Le faisceau de lumière VUV avait un rayon de 1,09 × 1,21 mm et tenait entièrement sur un seul SiPM, ce qui a permis de mesurer la PDE avec une précision limitée par l'étalonnage de la photodiode.
Implications
Ce travail se distingue des projets voisins en combinant la stabilisation cryogénique avec une optique VUV externe et un balayage automatisé, ce qui n'existe ni dans les réfrigérateurs de poche pour circuits quantiques, ni dans les lampes pour le dépôt d'atomes. Il démontre pour la première fois le test en masse de SiPM dans des conditions proches de celles d'un détecteur à xénon liquide, avec un positionnement précis du faisceau et un étalonnage du flux. Cela comble le fossé entre les mesures individuelles en laboratoire et le contrôle qualité industriel.
Développements futurs
L'installation peut être étendue pour tester de grandes matrices de SiPM d'une surface d'environ 100 cm², étudier les dommages de radiation dus à l'irradiation VUV et construire un modèle des avalanches corrélées en fonction de la température. Une intégration avec d'autres sources de lumière et l'automatisation du cycle complet de caractérisation sont possibles.
Impact
Les résultats influenceront directement le développement de détecteurs pour les expériences nEXO, DarkSide-20k et d'autres projets avec des gaz nobles liquides, où des milliers de SiPM aux caractéristiques connues sont nécessaires.
Prochaines étapes
On prévoit de mesurer la résistance aux radiations des SiPM sous irradiation VUV prolongée et de caractériser des matrices de grande surface à différentes températures.
Problèmes ouverts clés
En physique des détecteurs, la question de la stabilité à long terme des SiPM dans le xénon liquide et de la contribution des bruits corrélés à la résolution en énergie reste ouverte. Cette installation permet d'étudier systématiquement ces effets dans des conditions contrôlées.
La fenêtre en fluorure de calcium transmet 88 % de la lumière à une longueur d'onde de 172 nm, mais elle est si hygroscopique qu'il faut constamment la balayer avec de l'azote sec, sinon l'humidité de l'air absorbe l'ultraviolet.
Chiffres clés
- stabilité de température: 1,2 mK (fenêtre de 10 min)
- diamètre de la fenêtre: 142 mm
- plage de température: 120–340 K
- PDE à 165 K: 16,3 %
- coefficient de température: 52,8 mV/K