用于探测中微子的超低温（液氩）ADC设计

Cliosoft最近举办了一次网络研讨会，劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的科学家Carl Grace谈到了一个检测中微子的尖端项目。该项目被称为深地下中微子实验（DUNE）项目。我们很多人都知道什么是中子，但什么是中微子？

什么是中微子，为什么要研究它们？

中微子是质量非常低的基本粒子，以接近光速的速度传播，并且仅通过引力和弱核力相互作用。中微子可以帮助回答诸如宇宙中为什么存在物质、孤立的质子衰变、我们如何见证黑洞的诞生等问题。

如何检测中微子？

中微子几乎可以以光速传播，在与任何物质相互作用之前平均可以穿过60光年厚度的水。这使得很难检测到它们。解决方案是DUNE探测器，这是有史以来最大的低温粒子探测器，它可以从 800 英里外指向它的强中微子束中探测中微子。当费米实验室的质子加速器产生的中微子击中目标时，会产生紧密的中微子束。这种致密的中微子束被发送超过 800 英里，穿过坚固的地下岩石和地球材料，到达位于地下 1 英里处的探测器。这种设置可以防止宇宙射线对实验产生任何影响。探测器本身是一个装满液态氩气的超大罐。液态氩气非常密集，为中微子提供了许多可能击中的目标。由于氩气具有化学惰性，不会引起任何化学反应来干扰实验并污染收集的数据。

当中微子相互作用时

当中微子与氩原子相互作用时，原子被电离。释放的电子产生电荷，该电荷穿过罐中的液态氩气。这个容器被放置在一个巨大的电场之下，电场使这些电荷漂移到导线的平面上。当电荷到达这些导线时，它们会产生非常小的电流，然后可以记录下来。读取并数字化这些导线中感应的微小电流是实验的关键部分。检测电子器件的一个关键功能是模数转换（ADC）。将探测器电子元件浸入液态氩气中可大大降低布线电容，从而降低可实现的噪声，并作为 DUNE 项目的一项支持技术。

低温ADC 要求

• 每通道 2MS/s 采样率和 16 通道，12 位分辨率
• Sub-LSB噪声性能
• 30年低温环境(-184 ^o C)可靠性

• 出于测试目的，可在室温和低温下运行

现成的ADC 无法满足上述要求。需要构建定制ADC，并将其集成到实现检测电子设备的ASIC中。

三个实验室团队之间的合作

来自 LBNL、费米实验室和布鲁克海文国家实验室的一个小团队合作设计了 DUNE项目的检测电子设备。Cliosoft 数据管理解决方案通过地理上分散的团队开发的不同部分所需设计 IP，实现了自动化的设计感知手术数据同步。这允许对每个参与的国家实验室进行细粒度的访问控制，并为每个参与站点的网络存储优化提供了一种方法。

总结

这个由三个实验室组成的团队已成功开发出 ColdADC ASIC，用于检测浸没在液态氩中的中微子探测器。大约 40,000 个 ColdADC ASIC 将部署在 DUNE Far Detector 复合体中，并将浸没在液态氩中。每个 ColdADC 将读出 16 个通道，总共64万个有线通道。检测器电子设备可以在 250^o C的范围内运行，并且比短基线中微子检测器(SBND) 实验中使用的商用 ADC 解决方案具有更好的噪声性能。DUNE实验将持续30年。

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