用于探测中微子的超低温(液氩)ADC设计

2023-02-06 12:15:40 来源:EETOP编译自semiwiki

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。

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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 250o 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。

原文

https://semiwiki.com/eda/cliosoft/323777-designing-a-coldadc-asic-for-detecting-neutrinos


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