像素供电——像素技术的创新使用使液氩中微子探测器更加出色
发布时间 : 2019-08-12

    像素技术的创新使用使液氩中微子探测器更加出色。



    这是2019年。我们希望我们的手机更快,我们的电脑更快,屏幕更清晰,可以和山里的早晨媲美。我们是一个数码社会,土豆相机上模糊的照片不适合大众。事实证明,物理学家们也没有什么不同——他们希望中微子探测器也能发出同样的清晰快照。


    氩立方体(Cue Argon Cube):一款正在开发中的原型探测器,它将一项仍然蓬勃发展的技术提升到新的高度,计划捕捉堪与4K电视媲美的粒子轨迹。它的核心秘密是什么?这就是——像素。


    让我们从头说起。氩是一种元素,占你呼吸的甜美空气的1%。在过去的几十年里,液态氩已经成为中微子探测器的首选介质。中微子是那些讨厌的基本粒子,它们很少与任何东西相互作用,但可能是理解为什么宇宙中存在有这么多物质的关键。




    大的探测器充满了寒冷、稠密的氩,为中微子提供了大量的原子核,使它们能够相互碰撞和相互作用——尤其是当加速器操作员发送包含数万亿小粒子的光束时。当中微子相互作用时,它们会产生大量其他粒子和光线,探测器中的电子设备会捕捉这些粒子并将其转化为图像。


    每幅图像都是一张快照,捕捉到了其中一个最神秘、最飘忽不定、最难以捉摸的粒子之间的相互作用;这一粒子使沃尔夫冈?保利(Wolfgang Pauli)在1930年提出了一种粒子,他哀叹道,他认为实验人员永远无法探测到它。




沃尔夫冈?保利书信节选 CERN
 



    科学家们正在瑞士伯尔尼大学建造的一个模型中测试氩立方体技术。James Sinclair


    目前最先进的液氩中微子探测器——像MicroBoo NE、ICARUS和Proto DUNE这样的大公司——使用导线来捕捉被中微子相互作用弄散的电子。由数千根导线组成的巨大平面纵横交错在探测器上,每一组的坐标收集是由中微子相互作用的三维重建算法组合而成。


    这些装置是有效的,并被广泛理解,对于大型项目来说是一个很好的选择——你没有比费米实验室主持的国际深层地下中微子实验更大的了。


    DUNE将研究三种已知类型的中微子在长距离行进时如何变化,进一步探索一种称为中微子振荡的现象。科学家每隔一秒钟就会从费米实验室发送数万亿中微子,通过地球1,300公里的路程,无需隧道,到南达科他州。DUNE将在四个巨大的远探测器模块中的一些中使用导线室,每个探测器模块容纳超过17,000吨的液态氩。


    但是科学家还需要测量中微子束离开费米实验室时的情况,在费米实验室附近的DUNE 探测器将会靠近中微子源,并看到更多的相互作用。


    劳伦斯伯克利国家实验室从事氩立方体研究的科学家丹?德怀尔(Dan Dwyer)说:“我们预计,这束光线会非常强烈,每束脉冲都会有十几次中微子相互作用,这些都会在探测器内部重叠。”试图用二维线成像来解开大量事件是一个挑战。“近距离探测器将带来一系列新的复杂性。”


    在这种情况下,新的复杂性意味着开发一种新的液氩探测器。
 



    这张氩立方体探测器模块的草图是由Knut Skarpaas绘制的。  James Sinclair


    给我这个像素


    人们以前曾想过要做一个像素化的探测器,但是它从来没有成功。


    “这是一个梦想,”瑞士伯尔尼大学(University of Bern)科学家、氩立方体合作项目之父安东尼奥?埃瑞迪托(Antonio Ereditato)表示。“我们在伯尔尼提出了这个最初的设计,很明显,它只能在适当的电子设备下运行。没有它,这只是一厢情愿的想法。我们伯克利分校的同事正好有这个条件。


    像素很小,中微子探测器则不然。每平方米大约可以容纳100,000个像素。每一个通道都是一个独特的通道,一旦它配备了电子设备,就可以提供关于探测器中发生的事情的信息。为了足够灵敏,微型电子设备需要紧靠着液态氩中的像素。但这是一个挑战。


    德怀尔说:“如果他们使用你的标准电子设备的电源,你的探测器就会沸腾。”液态氩探测器只有在氩保持液态的时候才能工作。




    德怀尔指出了像素化电子设备的特性。  Roman Berner


    因此,德怀尔和加州大学伯克利分校实验室的ASIC工程师卡尔?格雷斯(Carl Grace)提出了一种新方法: 如果他们让每个像素都处于休眠状态效果会怎么样?


    德怀尔解释说:“当信号到达像素点时,它会醒来并说,‘嘿,这里有个信号。’”接着它记录下信号,发送出去,然后继续休眠。我们能够大幅减少电力供应。”


    在每个像素不到100微瓦的情况下,这个解决方案似乎是一个很有前途的设计,不会把探测器变成一个气体塔。他们将定制原型电路组合在一起并开始测试。新的电子设计成功了。


    第一次测试只有128个像素,但是规模很快就扩大了。2016年12月,该团队开始着手像素挑战。到2018年1月,他们已经带着芯片前往瑞士,将它们安装在伯尔尼科学家建造的液氩测试探测器中,并收集了他们的第一张宇宙射线三维图像。

德怀尔说:“这让我既震惊又高兴。”


    为了即将在费米实验室进行的安装,合作伙伴将需要更多的电子设备。下一步是与工业界的制造商合作,制造商业化的芯片和读出板,这些芯片和读出板的像素将维持在50万像素左右。德维尔还获得了能源部颁发的早期职业成就奖,继续他在像素电子领域的研究,还补充了瑞士国家科学基金会(SNSF)对伯尔尼集团的资助。


    德怀尔表示:“我们正试着在一个很有挑战性的时间表上完成这项工作——这是又一次疯狂的冲刺。”“我们在氩立方体上组建了一个非常棒的团队,并做了大量的工作,来展示我们可以使这项技术在DUNE探测器工作方面发挥的作用。这对物理学很重要。”




    塞缪尔?科恩,盖尔?弗洛雷斯,丹?德怀尔在劳伦斯?伯克利国家实验室研究氩立方体技术。Marilyn Chung, LBNL


    还有更多创新在前面


    虽然以像素为中心的氩立方体电子产品脱颖而出,但它们并不是科学家计划为即将到来的DUNE探测器实施的唯一技术创新。研究和开发了一种新型的光探测系统和新的电场形成技术,将信号传输到电子设备中。当然,还有模块。


    大多数液态氩探测器使用的是一个装满氩的大容器,其他的不用太多。信号在液体中漂移很长的距离,到达穿过探测器一侧的长导线上。不过,氩立方公司正在研发更为模块化的产品,将探测器拆分成更小的单元,这些单元仍然被低温恒温器所包围。这有一定的好处:信号不必传输到很远的地方,氩也不需太纯净,如果需要的话,科学家们可以回收和修复单个模块。


    “这比典型的线状探测器要复杂一点,”明贞金(Min Jeong Kim)说,他领导费米实验室的小组从事低温研究,并将参与氩立方体原型试验台的机械集成。“我们必须弄清楚这些模块将如何与低温系统连接。”


    这意味着从向探测器中充入液态氩并在运行过程中保持适当的压力,到适当过滤氩气中的杂质,再到使流体在模块周围(和流过)循环,以保持均匀的温度分布,这一切都要弄清楚。
 



    伯尔尼大学的研究人员在测试检测器中组装组件。  James Sinclair


    伯尔尼大学正在组装的氩立方体原型将一直运行到今年年底,然后被运到费米实验室,并安装在地下100米处的地方,这将使它成为第一个被送到费米实验室并进行中微子测试的大型DUNE原型机。在解决了它的问题之后,研究人员可以最终确定设计并构建完整的氩立方体探测器。


    其它的仪器和组件,如气氩室和光束光谱仪将安装在围绕探测器的附近。




    对于来自23个研究氩立方体的100多名物理学家和来自30多个国家的1000多名中微子物理学家来说,这是一个激动人心的时刻。一把开始只是一厢情愿的想法变成了现实——没有人知道像素技术能走多远。


    埃雷迪塔托甚至梦想用像素化的版本取代四个巨大DUNE远探测器模块中的一个。但他说,一次只做一件事。


    埃雷迪塔托说:“现在我们正致力于为DUNE建造最好的近距离探测器。”“这是一条漫长的道路,有很多人参与其中,但液氩技术仍然很年轻。氩立方体技术证明了这项技术有潜力,在未来会表现得更好。”


    编者按:本文改编自费米实验室发表的一篇文章。




    翻译:槟榔郭
    原文来源:
https://www.symmetrymagazine.org/article/powered-by-pixels