[論文レビュー] CATIROC: an integrated chip for neutrino experiments using photomultiplier tubes

S. Conforti, M. Settimo+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 9被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、大規模ニュートリノ実験で用いられるフォトマルチプライヤー管（PMT）における高精度な電荷および時間測定を目的として開発された16チャンネルASICであるCATIROCを提示する。CATIROCがJUNOのような液体シンチレーター検出器に適していることを示し、150 ps未満の時間分解能と15 fCの電荷分解能を達成しており、光子カウンティングモードにおいて死時間および電荷重ね合わせ効果を最適化された設定で低減している。

ABSTRACT

An ASIC named CATIROC (Charge And Time Integrated Read Out Chip) has been developed for the next-generation neutrino experiments using a large number of photomultiplier tubes (PMTs). Each CATIROC provides the time and the charge measurements for 16 configurable input channels operating in trigger-less mode. Originally designed for the light emission in water Cherenkov detectors, we show in this paper that its use can be extended to liquid-scintillator based experiments. The $\\sim$26000 3-inch PMTs of the JUNO experiment, under construction in China, is a case in point. This paper describes the features of CATIROC with a special attention to the most critical points for its application to the time profile of the light emission in liquid scintillators. The achieved performances in both charge and time measurements can be inputs for future high-precision experiments making use of PMTs or other photo-sensitive detectors.

研究の動機と目的

• 元々水チェレンコフ検出器向けに設計されたCATIROCを、JUNOのような液体シンチレーターに基づくニュートリノ実験に適応させること。
• 液体シンチレーターに特徴的な長時間にわたる時間的展がかり（最大数百ナノ秒）を示す信号の電荷および時間測定におけるCATIROCの性能を評価すること。
• 複数のヒットが数十〜数百ナノ秒の間隔で到着する場合に生じる、トリガーディートタイムおよび電荷重ね合わせといった深刻な問題を同定し、低減策を講じること。
• 単一光電子検出が一般的な大規模PMTアレイにおける光子カウンティングモードでのCATIROCの適用可能性を検証すること。
• 液体シンチレーター応用における最適な性能を発揮するためのCATIROCの設定可能なパラメータの包括的特徴付けを提供すること。

提案手法

• 高チャンネル数システムに適したCATIROCのオートトリガーモードおよび圧縮デジタル出力の特性評価。
• TDCラムプの非線形性を補正する手法を用いた、時間分解能の測定（独立したアプローチによる）。
• 高利得（HG）および低利得（LG）モードを用いた電荷線形性および分解能の評価。電荷積分ウィンドウは約20 nsに設定。
• トリガーディートタイム（TTrigDeadTime）およびデジタイゼーションディートタイム（TDeadTime ≈ 9 µs）の系統的テスト。SCAシステムによる低減策の適用。
• 信号のゆらぎが電荷再構築精度に与える影響を評価するためのトイトモンテカルロシミュレーションの使用。
• 3インチPMTを用いた独立した読み出しシステムとの比較。JUNO用PMTの多数のサンプルで検証済み。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体シンチレーターに見られるように、時間的展がかりが最大数百ナノ秒にわたるPMT信号の電荷および時間測定をCATIROCが信頼性高く行えるか？
• RQ2 液体シンチレーターの光放出に典型的な間隔で複数のヒットが到着する場合、CATIROCの有効なディートタイムはどの程度か？
• RQ3 トリガーディートタイム窓内に2つのヒットが到着する場合、電荷重ね合わせが測定にどの程度バイアスを及えるか？
• RQ4 液体シンチレーター信号の文脈において、高利得および低利得設定下でのCATIROCの電荷分解能および線形性性能は、それぞれどのように比較されるか？
• RQ5 JUNOのような実験で、ほとんどのPMTが1イベントあたり1つの光電子しか検出しない状況において、CATIROCが光子カウンティングモードで効果的に使用可能か？

主な発見

• CATIROCは150 ps未満の時間分解能を達成しており、TDCラムプの非線形性を補正することでさらなる改善が可能である。
• 高利得モードでは電荷分解能が15 fC、低利得モードでは73 fCであり、動的範囲全域で線形性のずれは1%未満である。
• トリガースレッショルドを0.16 pC（約0.3 PE）まで低く設定可能であり、PMT利得が3×10⁶の状態で単一光電子の検出が可能である。
• 約9 µsのディートタイムが観測されたが、主に電荷デジタイゼーションに起因する。SCAシステムを用いることで、見逃された信号の回復が可能である。
• CATIROCが適切に設定されている場合、電荷重ね合わせおよび信号損失は最小限に抑えられ、特に250 ns以内のヒット間隔（JUNOのSPMTシステムでは99%をカバー）では顕著に改善される。
• CATIROCの応答は独立した読み出しシステムと整合しており、典型的なPMT信号パrameterにおいて、再構築された平均値および標準偏差の差異はそれぞれ0.01 ADCユニット未満および0.3%未塔である。