П. Ж. БУЖАН, Б. А. ДОЛГОШЕИН, С. Н. КЛЕМИН1,
Р. МИРЗОЯН2, Е. В. ПОПОВА, М. ТЕШИМА2
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
1ГУП НПП «Пульсар», Москва
2Физический институт им. Макса-Планка, Мюнхен, Германия
ОХЛАЖДАЕМЫЙ МОДУЛЬ НА ОСНОВЕ SIPM
ДЛЯ ГАММА-АСТРОНОМИИ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
В последнее время все большее применение находит фотодетектор на основе гейгеровских микроячеек – кремниевый фотоумножитель (SiPM) [1,2]. В течение ряда лет в МИФИ совместно с Пульсаром и Физическим институтом Макса-Планка (Мюнхен) разрабатывался детектор такого типа для гамма-асторономии сверхвысоких энергий. Основной целью этой работы было усовершенствование эксперимента MAGIC и создание EUSO на основе SiPM [3].
Фотодетектор для упомянутых выше экспериментов должен удовлетворять определенным требованиям, таким как:
· высокая чувствительность в ультрафиолете (300-400нм)
· размер – не меньше, чем 5x5 мм2
· одноэлектронное разрешения - для обеспечения возможности счета одиночных фотонов
· минимальное значение оптической связи между пикселями – для достижения ENF=1
· быстрый сигнал - для разделения импульсов, отстоящих друг от друга на 2,5 нс
· возможность плотной упаковки фотодетекторов с минимальным зазором между ними
· приемлемый темновой счет
Такие требования приводят к необходимости разработки не просто отдельного SiPM, а некоторого сложного детектирующего устройства для конкретного эксперимента, служащего в качестве основного модуля. Подобный модуль должен содержать матрицу из SiPM, монолитную или сборную, аналоговую электронику, систему охлаждения и оптические концентраторы для ввода света, обеспечивающие сборку модулей без зазоров.
Был разработан, собран и успешно протестирован прототип такого модуля (см. Рис.). Он представляет собой разборную вакуумную камеру, в которой располагаются 16 кристаллов SiPM площадью 5x5 мм2 каждый, размещенных на 2-х каскадном Пельтье – элементе. Модуль также содержит 16 каналов электроники в гибридном исполнении, являющейся быстрым предусилителем – формирователем, разработанным специально для этого типа SiPM. Разность температур между холодным и теплым уровнями зависит от прилагаемого к Пельтье – элементу напряжения и может достигать 90 0C. Разборная конструкция позволяет заменять как тестируемые SiPM, так и электронику. Входное окно изготовлено из кварцевого стекла для обеспечения чувствительность к ультрафиолету.
В результате испытаний модуля было выснено следующее. Минимальная достигнутая температура равнялась –40 0С. Ширина сигнала на полувысоте с детектора составила 2,6 нс. Измерялась эффективность образцов SiPM на двух длинах волн (595 и 405 нм) до сборки модуля и после. Результаты совпадают с точностью до 10% и равны 12% на 405 нм и 22% на 595нм при перенапряжении 3В. Так как в эксперимнте MAGIC существует так называемый шум ночного неба, который составляет величину ~ 600 кГц/мм2 (15 МГц на 5x5 мм2), то частота шумов фотодетектора должна быть не больше 50% от этого значения. Частота шумов при температуре –11 0С составила величину 5 Мгц при перенапряжении 3В, что удовлетворяет условиям эксперимента. 
Литература
1. Bondarenko G., Buzhan P., Dolgoshein B. et al. // NIM A 92.
2. Buzhan P., Dolgoshein B., Filatov L. et al. Large area silicon photomultipliers: Perfomance and applications // Nucl. Instrum. And Meth. A, p.78-82.
3. Nepomuk O. A., Dolgoshein B., Hose J. at al.. Prospects of Using Silicon Photomultipliers for Astroparticle Physics Experiments EUSO and MAGIC //IEEE Trans. On Nuc. Sci. 20
