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Radiation damage and recovery of SiPMs exposed to low-momentum muon beams for innovative scintillation-based muon beam monitors

Este estudio demuestra que ocho modelos de SiPM de varios fabricantes mantienen la estabilidad operativa y recuperan el rendimiento óptimo tras el recocido térmico después de la exposición a haces de muones de alta intensidad de 29 MeV/c, validando su idoneidad para monitores de haces de muones de bajo momento innovadores basados en centelleo.

Autores originales: Riccardo Rossini, Sayani Biswas, Adrian D. Hillier, James S. Lord, Lisa Malliolio, Alessandro Menegolli, William Mourad, Daniel E. Pooley, Marco C. Prata, Lina Quintieri, Massimo Rossella, Francesco Z

Publicado 2026-10-26

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CC BY 4.0

Autores originales: Riccardo Rossini, Sayani Biswas, Adrian D. Hillier, James S. Lord, Lisa Malliolio, Alessandro Menegolli, William Mourad, Daniel E. Pooley, Marco C. Prata, Lina Quintieri, Massimo Rossella, Francesco Zamperoni

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En el mundo de la física de partículas, los científicos a menudo necesitan rastrear corrientes invisibles de partículas subatómicas para comprender cómo está construido el universo. Una de estas partículas es el muón, un primo pesado del electrón que cae sobre nosotros desde el espacio o se crea en máquinas potentes. Para capturar a estos visitantes fugaces, los investigadores utilizan detectores que brillan cuando un muón pasa a través de ellos, un proceso llamado centelleo. La luz de este brillo debe ser capturada y contada, y durante décadas, la herramienta estándar para este trabajo ha sido un dispositivo llamado Fotomultiplicador de Silicio, o SiPM. Piense en ello como un ojo electrónico altamente sensible que puede ver destellos de luz individuales. Sin embargo, estos dispositivos son delicados. Cuando se colocan directamente en la trayectoria de un haz de partículas para hacer su trabajo, pueden ser dañados por las mismas partículas que intentan medir. Este daño crea una especie de ruido electrónico, haciendo que el dispositivo sea menos fiable. El desafío para los científicos es diseñar detectores que puedan sobrevivir a este entorno hostil, o al menos recuperarse de él, para que puedan seguir proporcionando datos claros para experimentos en ciencia de materiales y física fundamental.

En la Fuente de Neutrones y Muones ISIS en el Reino Unido, un equipo de investigadores se propuso probar qué tan bien resisten estos ojos electrónicos cuando se exponen a un tipo específico e intenso de haz de muones. Estaban particularmente interesados en los muones de bajo momento, que se mueven relativamente lento y depositan una gran cantidad de energía al detenerse. Estos muones lentos son valiosos para el estudio de materiales, pero su alto depósito de energía representa un riesgo significativo para los sensores colocados en su trayectoria. El equipo reunió ocho modelos diferentes de SiPM de varios fabricantes y los sometió a un haz de muones positivos con un momento de 2 9 MeV/c. La exposición fue intensa, durando 13 horas con un flujo constante de aproximadamente un millón de muones por segundo. El objetivo era ver si los sensores quedarían permanentemente arruinados o si podrían ser reparados.

Para monitorear el daño en tiempo real, los investigadores observaron la "corriente oscura" de los sensores, que es la señal eléctrica que fluye incluso cuando no hay luz presente. A medida que los muones bombardeaban los dispositivos, este ruido de fondo aumentaba, una señal de que la estructura interna del silicio estaba siendo alterada por la radiación. Los muones estaban creando diminutos defectos en la red cristalina del silicio, esencialmente tropezando a los electrones y causando que generen señales falsas. Sin embargo, el equipo sospechaba que este daño podría no ser permanente. Así como un hueso roto puede sanar, los investigadores hipotetizaron que calentar el silicio podría permitir que su estructura atómica se reparara a sí misma, un proceso conocido como recocido térmico.

Tras la intensa bombardeo, el equipo tomó los sensores dañados y los calentó a 125 grados Celsius durante 24 horas. Esto no fue una suposición al azar, sino una temperatura cuidadosamente elegida para fomentar que los átomos de silicio se reorganizaran y repararan los defectos sin derretir o destruir el dispositivo. Los resultados fueron alentadores. Una vez que los sensores se enfriaron, fueron probados nuevamente, y el ruido eléctrico había disminuido significamente. Aunque los dispositivos no regresaron exactamente a su estado original, se recuperaron lo suficiente como para ser considerados estables y operativos. El voltaje de ruptura, que es la presión eléctrica específica necesaria para que el sensor funcione, permaneció prácticamente sin cambios, indicando que la capacidad fundamental del sensor para detectar luz estaba intacta. Los investigadores también notaron un pequeño cambio sistemático en este voltaje después del experimento, el cual sospechan que podría deberse a una pequeña cantidad de neutrones errantes en el haz, pero la conclusión principal fue clara: el tratamiento térmico revirtió con éxito la mayor parte del daño por radiación.

Este trabajo es parte de un esfuerzo más amplio para construir nuevos tipos de monitores de haz para muones de bajo momento. Los detectores actuales suelen utilizar capas gruesas de material o arreglos complejos que pueden bloquear el haz o interferir con el experimento. El equipo está desarrollando un diseño mucho más simple: una sola hoja delgada de material centelleante leída por una rejilla plana de estos SiPM. Este diseño ofrece alta precisión pero requiere que los sensores se ubiquen directamente en el haz. El estudio confirma que esta exposición directa es factible, siempre que se les dé a los sensores la oportunidad de sanar mediante el recocido térmico. Al demostrar que estos dispositivos pueden resistir los rigores de un haz de muones y recuperar su rendimiento, los investigadores han allanado el camino para detectores más compactos y eficientes. Estas nuevas herramientas permitirán a los científicos observar la estructura atómica de los materiales con mayor claridad, asegurando que la búsqueda por comprender los bloques de construcción de la materia continúe sin que los propios sensores se conviertan en el cuello de botella.

Resumen Técnico: Daño por Radiación y Recuperación de SiPMs Expuestos a Beams de Muones de Bajo Momento

Planteamiento del Problema
Los Fotomultiplicadores de Silicio (SiPM) son componentes estándar para la detección de luz en detectores de centelleo. Sin embargo, diseños específicos de detectores para haces de muones de bajo momento (< 40 MeV/c) requieren colocar estos dispositivos directamente dentro de áreas radiactivas o en la trayectoria del haz. Aunque se sabe que los SiPM sufren daños por radiación, los efectos específicos de los muones de bajo momento —particularmente su alta deposición de energía y el potencial para crear defectos en la red cristalina— son críticos para aplicaciones en ciencia de materiales y física de partículas. Los diseños existentes de monitores de haz para haces de bajo momento suelen depender de planos de fibras centelleadoras densas, que pueden ser invasivos o bloquear el haz por completo. Una alternativa propuesta involucra un centelleador delgado leído por una matriz 2D de SiPM; sin embargo, esta geometría expone a los SiPM directamente al flujo de muones, lo que plantea preocupaciones sobre la estabilidad operativa y la degradación inducida por la radiación (específicamente el aumento de la corriente oscura y la tasa de conteo oscuro).

Metodología
Para investigar estos efectos, una colaboración entre la Universidad de Pavía, el INFN y la Fuente de Neutrones y Muones ISIS llevó a cabo una campaña de prueba de haz en la instalación RIKEN-RAL Port4.

Condiciones del Haz: El estudio utilizó un haz de muones positivos ( $\mu^+$ ) de 29 MeV/c con una intensidad de aproximadamente $10^6$ $\mu^+$ /s. Este momento fue seleccionado porque, aunque la deposición máxima de energía en el silicio ocurre alrededor de los 30–31 MeV/c, la intensidad de los muones superficiales a 29 MeV/c es dos órdenes de magnitud mayor que en el momento de máxima deposición.
Exposición: Ocho modelos diferentes de SiPM de varios fabricantes (Hamamatsu, AdvanSiD, Onsemi, Broadcom, KETEK) fueron expuestos al haz durante 13 horas a intensidad completa. La fluencia estimada fue de $\sim 5.4 \times 10^9$ $\mu^+$ /cm $^2$ , con aproximadamente $5 \times 10^8$ muones depositados en cada dispositivo.
Caracterización: Los dispositivos fueron caracterizados mediante curvas I-V y adquisición de formas de onda antes de la irradiación, inmediatamente después de la irradiación y tras un proceso de recocido térmico.
Protocolo de Recocido: Se aplicó un procedimiento de recocido térmico calentando los dispositivos a 125 °C durante 24 horas para probar la recuperación de los defectos de la red.
Monitoreo: Un Hamamatsu S14160-3050PS específico fue monitoreado en tiempo real durante la exposición para rastrear la evolución de la corriente oscura, incluyendo un periodo de recocido de 12 horas a mitad de la exposición.

Resultados Clave

Estabilidad del Voltaje de Ruptura: El análisis de las curvas I-V no reveló cambios significativos en el voltaje de ruptura ( $V_{bd}$ ) antes de la irradiación, después de la irradiación o después del recocido dentro de las tolerancias calculadas. Esto confirma que la irradiación por muones positivos no modifica el dopado efectivo de la unión p-n, lo cual es consistente con las expectativas teóricas. Sin embargo, los datos post-irradiación y post-recocido muestran un aumento pequeño pero sistemático en el voltaje de ruptura con respecto a los SiPM no expuestos. Los autores sugieren que esto puede ser causado por muones, partículas secundarias o neutrones residuales transportados en la parte final de la línea de haz, aunque esto requiere mayor investigación.
Corriente Oscura y Recuperación: Los dispositivos irradiados exhibieron un aumento mensurable en la corriente oscura. No obstante, los dispositivos mantuvieron la estabilidad operativa. Crucialmente, el recocido térmico a 125 °C resultó en una recuperación parcial de las características óptimas del SiPM, específicamente una reducción en la corriente oscura. El monitoreo en tiempo real mostró que, mientras la corriente oscura continuaba aumentando durante la exposición al haz, un periodo de recocido de 12 horas indujo una recuperación parcial, permitiendo que el dispositivo comenzara las mediciones subsecuentes desde una línea base más baja.
Perfilado del Haz: El estudio demostró con éxito la viabilidad de utilizar una matriz de SiPM acoplada a un centelleador delgado para reconstruir perfiles de haz. Se logró una determinación preliminar del punto del haz en 2D utilizando muones negativos a 50 MeV/c, confirmando la capacidad del montaje para identificar la forma y posición del haz.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma presentar evidencia preliminar sobre los mecanismos de daño por radiación y recuperación de los SiPM expuestos a haces de muones de bajo momento. La principal significancia de este trabajo radica en validar la viabilidad de usar un centelleador delgado leído por una matriz 2D de SiPM para el monitoreo de haces de muones de bajo momento, a pesar de la exposición directa de los sensores al haz.

Los autores concluyen que, si bien el daño por radiación (manifestado como un aumento en la corriente oscura) es observable, es en gran medida recuperable mediante recocido térmico. Este hallazgo respalda el desarrollo de monitores de haz innovadores y menos invasivos para la instalación ISIS y aplicaciones similares de muones de bajo momento. El trabajo es modesto en su alcance, señalando que las pruebas extensas sobre la Tasa de Conteo Oscuro (DCR) y el crosstalk óptico están en curso, y que los desplazamientos sistemáticos observados en el voltaje de ruptura requieren mayor estudio para distinguir entre los efectos inducidos por muones y la contaminación por neutrones residuales.

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