Förderprojekte

Förderbeginn 01.07.2015

Entwicklung eines Photosensors, basierend auf Silizium Photomultipliern, zum Einzel-Photon-Nachweis im VUV-Bereich

Dr. Thilo Michel
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Teilchen- und Astroteilchenphysik

Prof. Dr. Giorgio Gratta
Stanford University
Department of Physics

Kommerziell erhältliche Silizium Photomultiplier (SiPM) haben über einen breiten Bereich im sichtbaren Spektrum eine hohe Nachweiswahrscheinlichkeit für Photonen, die jedoch im UV-Bereich ab 300nm auf 0 abfällt. Viele Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik, die sich inzwischen auf der Tonnenskala befinden benötigen den Nachweis von Photonen im UV bis VUV Bereich. Eines dieser Experimente ist das nEXO (next Enriched Xenon Observatory) Experiment, das den neutrinolosen Doppelbetazerfall von 136Xe in einer mit 5 Tonnen flüssigem Xenon gefüllten Kammer nachweisen möchte. Aufgrund der Seltenheit dieses Prozesses ist die Messung unter extrem geringem Untergrund und die Verwendung von absolut reinen Materialien unerlässlich. Eine Möglichkeit, die Nachweiswahrscheinlichkeit für SiPM auf den gewünschten Wert von mindestens 15% zu erhöhen, ist die Beschichtung der Oberfläche mit einer wellenlängenschiebenden Substanz (TPB). Da sich dieses Material in flüssigem Xenon auflöst, wird dieser beschichtet SiPM anschließend in einem Gehäuse aus Quarzglas versiegelt. Ziel des Projektes ist, es einen solchen Detektor anzufertigen und unter Realbedingungen in einer Flüssigxenonkammer zu testen und bezüglich der Nachweiswahrscheinlichkeit, der Reflektivität, der Crosstalk Wahrscheinlichkeit und anderer Parameter zu charakterisieren.

Projektwebsite:
http://ecap.physik.uni-erlangen.de/novel/research/nEXO.shtml.

Abschlussbericht
Im Rahmen dieses Projekts untersuchten wir die Eignung von Silizium-Photomultipliern (SiPM) als potentielle Kandidaten zum Nachweis des vakuum-ultravioletten Szintillationslichts von flüssigem Xenon im künftigen Multi-Tonnen Experiment nEXO zur Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall. Ein SiPM-Hersteller stellte uns einen mit Lumogen beschichteten SiPM für unsere Messungen zur Verfügung. Lumogen ist eine wellenlängenschiebene Substanz, die Photonen aus dem Ultravioletten absorbiert und im Grünen emittiert. In unserem kryogenen Aufbau in Erlangen bestimmten wir die Nachweiswahrscheinlichkeit für die VUV-Photonen des Szintillationslichts von Xenon auf ca. 12% bei einem Cross-Talk von ca. 35%. Leider sind diese Werte schlechter als die Entsprechenden bei speziell für den VUV-Nachweis entwickelten SiPMs ohne Beschichtung. Wir untersuchten im Rahmen einer Bachelorarbeit theoretisch die Verwendung einer zwischen zwei Fused-Silica-Platten eingebrachten Lumogen-Schicht zur Verbesserung des Photonennachweises in nEXO, kamen aber zu dem Schluss, dass der direkte Nachweis mit VUV-sensitiven SiPMs die beste Lösung darstellt und fokussierten uns darauf. Die kombinierten Ergebnisse der Universität Stanford und der FAU zeigen, dass die neu für nEXO entwickelte SiPM-Variante ein Kandidat für die Lichtsensoren bei nEXO ist. Ein Array aus vielen SiPMs wurde geplant, wobei besonders auf eine schonende Art der Halterung der SiPMs ohne Verwendung von Kunststoff Wert gelegt werden musste. Unter Verwendung des Simulationsprogramms Chroma wurden die optischen Eigenschaften des Inneren der SiPM-Testkammer in Stanford simuliert. Die Ergebnisse dieses Projekts wurden in 3 Veröffentlichungen verwendet.