用于探測中微子的超低溫（液氬）ADC設計

Cliosoft最近舉辦了一次網絡研討會，勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的科學家Carl Grace談到了一個檢測中微子的尖端項目。該項目被稱為深地下中微子實驗（DUNE）項目。我們很多人都知道什么是中子，但什么是中微子？

什么是中微子，為什么要研究它們？

中微子是質量非常低的基本粒子，以接近光速的速度傳播，并且僅通過引力和弱核力相互作用。中微子可以幫助回答諸如宇宙中為什么存在物質、孤立的質子衰變、我們如何見證黑洞的誕生等問題。

如何檢測中微子？

中微子幾乎可以以光速傳播，在與任何物質相互作用之前平均可以穿過60光年厚度的水。這使得很難檢測到它們。解決方案是DUNE探測器，這是有史以來最大的低溫粒子探測器，它可以從 800 英里外指向它的強中微子束中探測中微子。當費米實驗室的質子加速器產生的中微子擊中目標時，會產生緊密的中微子束。這種致密的中微子束被發送超過 800 英里，穿過堅固的地下巖石和地球材料，到達位于地下 1 英里處的探測器。這種設置可以防止宇宙射線對實驗產生任何影響。探測器本身是一個裝滿液態氬氣的超大罐。液態氬氣非常密集，為中微子提供了許多可能擊中的目標。由于氬氣具有化學惰性，不會引起任何化學反應來干擾實驗并污染收集的數據。

當中微子相互作用時

當中微子與氬原子相互作用時，原子被電離。釋放的電子產生電荷，該電荷穿過罐中的液態氬氣。這個容器被放置在一個巨大的電場之下，電場使這些電荷漂移到導線的平面上。當電荷到達這些導線時，它們會產生非常小的電流，然后可以記錄下來。讀取并數字化這些導線中感應的微小電流是實驗的關鍵部分。檢測電子器件的一個關鍵功能是模數轉換（ADC）。將探測器電子元件浸入液態氬氣中可大大降低布線電容，從而降低可實現的噪聲，并作為 DUNE 項目的一項支持技術。

低溫ADC 要求

• 每通道 2MS/s 采樣率和 16 通道，12 位分辨率
• Sub-LSB噪聲性能
• 30年低溫環境(-184 ^o C)可靠性

• 出于測試目的，可在室溫和低溫下運行

現成的ADC 無法滿足上述要求。需要構建定制ADC，并將其集成到實現檢測電子設備的ASIC中。

三個實驗室團隊之間的合作

來自 LBNL、費米實驗室和布魯克海文國家實驗室的一個小團隊合作設計了 DUNE項目的檢測電子設備。Cliosoft 數據管理解決方案通過地理上分散的團隊開發的不同部分所需設計 IP，實現了自動化的設計感知手術數據同步。這允許對每個參與的國家實驗室進行細粒度的訪問控制，并為每個參與站點的網絡存儲優化提供了一種方法。

總結

這個由三個實驗室組成的團隊已成功開發出 ColdADC ASIC，用于檢測浸沒在液態氬中的中微子探測器。大約 40,000 個 ColdADC ASIC 將部署在 DUNE Far Detector 復合體中，并將浸沒在液態氬中。每個 ColdADC 將讀出 16 個通道，總共64萬個有線通道。檢測器電子設備可以在 250^o C的范圍內運行，并且比短基線中微子檢測器(SBND) 實驗中使用的商用 ADC 解決方案具有更好的噪聲性能。DUNE實驗將持續30年。

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