[論文レビュー] HEMT-based 1K front-end electronics for the heat and ionization Ge CryoCube of the future RICOCHET CE$ u$NS experiment

G. Baulieu, J. Billard+21 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、RICOCHET CEνNS 実験の1K冷害キューブ検出器におけるHEMTベースのフロントエンド電子回路を提示する。15 µWの消費電力で動作する低ノイズHEMTを用いて、10 eV RMSの熱信号分解能および20 eVee RMSのイオン化信号ベースライン分解能を達成した。本システムは、HEMTのソースにフィードバックをかけるクローズド・ループアンプ構成を採用しており、高い線形性、安定した利得（498）、最大40 kHzの帯域幅を実現した。これは、バックグラウンドイベントから低エネルギー核反発を識別する上で不可欠である。

ABSTRACT

The RICOCHET reactor neutrino observatory is planned to be installed at the Laue Langevin Institute (ILL) starting mid-2022. Its scientific goal is to perform a low-energy and high precision measurement of the coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ u$NS) spectrum in order to explore exotic physics scenarios. RICOCHET will host two cryogenic detector arrays: the CryoCube (Ge target) and the Q-ARRAY (Zn target), operated at 10 mK. The 1 kg Ge CryoCube will consist of 27 Ge crystals instrumented with NTD-Ge thermal sensors and charge collection electrodes for a simultaneous heat and ionization readout to reject the electromagnetic backgrounds (gamma, beta, x-rays). We present the status of its front-end electronics. The first stage of amplification is made of High Electron Mobility Transistor (HEMT) developed by CNRS/C2N laboratory, optimized to achieve ultra-low noise performance at 1K with a dissipation as low as 15 $\mu$W per channel. Our noise model predicts that 10 eV heat and 20 eVee RMS baseline resolutions are feasible with a high dynamic range for the deposited energy (up to 10 MeV) thanks to loop amplification schemes. Such resolutions are mandatory to have a high discrimination power between nuclear and electron recoils at the lowest energies.

研究の動機と目的

• RICOCHET CEνNS 実験における低温Ge検出器用に、10 eV未満のエネルギー分解能を達成する超低ノイズフロントエンド電子回路の開発。
• 低エネルギー領域における核反発識別を可能にするために、10 eV RMSの熱ベースライン分解能および20 eVee RMSのイオン化ベースライン分解能を達成する挑戦への対処。
• 15 µW/チャネルの極めて低い消費電力で1 Kで動作可能であり、100個以上のHEMTデバイスにわたる高い再現性を実現。
• ケーブルの静電容量を最小限に抑えるために、検出器に近い場所に冷媒電子回路を統合。
• HEMTを高インピーダンス入力素子として用いたクローズド・ループアンプ構成において、高い線形性と安定した利得を実現。

提案手法

• CNRS/C2Nが開発し、CryoHEMTが商業化したHEMTを用い、1 Kで超低ノイズ動作を実現し、15 µWの消費電力で動作するように最適化。
• フィードバックをHEMTのソースにかけるクローズド・ループアンプ構成を採用し、非反転アンプとしての利得を 1 + R9/R3 = 501 に設定。
• NTD-GeセンサーをHEMTの入力に直接DCカップリングすることで、低周波数のロールオフを回避し、全帯域にわたり平坦な周波数応答を維持。
• フィードバック電流の安定化を図り、ケーブル抵抗に依存しない利得を実現するために、ハウランド電流ポンプ（U2）を採用。
• 300 Kで動作するオペアンプ段にフィードバックコンデンサ C1 を設け、高いオープン・ループ利得を実現し、アンプ応答の精密な制御を可能に。
• ダイルーション冷凍機を用いて4.2 Kおよび1 Kでアンプをテストし、HEMTのノイズ性能を分離するためのダミーNTD抵抗を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 15 µW/チャネルの消費電力で1 Kで動作するHEMTベースのアンプが、10 eV RMSの熱ベースライン分解能を達成できるか？
• RQ2 HEMTのソースにフィードバックをかけるクローズド・ループ構成が、15 MeVのエネルギー損失動的範囲にわたり、安定した利得と高い線形性を確保できるか？
• RQ3 CEνNS検出に特に関連する100 Hz～10 kHz帯域において、1 Kでの電圧ノイズおよび帯域幅はどの程度の性能を示すか？
• RQ4 CryoCubeアレイに150チャネルを実装するにあたり、HEMTベースのフロントエンド電子回路が低ノイズかつ高い再現性を維持できるか？
• RQ5 フィードバック構成が、ケーブルの静電容量および抵抗の影響をどの程度軽減できるか？

主な発見

• 1 Kで100 Hz～10 kHz帯域において、HEMTベースのアンプは約0.5 nV/√Hzの電圧ノイズフロアを達成し、アンプ自体による追加ノイズは無視できる程度であった。
• アンプは優れた線形性を示し、16 mVまでの入力電圧（約15 MeVのエネルギー損失に対応）においても安定した利得498を維持した。
• 測定された帯域幅は15 kHz～40 kHzであり、RICOCHETの要件を上回り、DCカップリングによる低周波数ロールオフも観測されなかった。
• 1 Kで15 µW/チャネルの消費電力で動作するHEMTは、約100個の試験デバイスにおいて一貫した性能を示し、良好な再現性を確認した。
• クローズド・ループフィードバック構成により、HEMTのバイアスが安定化され、一定のIdsおよびVdsが維持され、高インピーダンス入力と最小限の利得ドリフトが実現した。
• CryoCubeに150チャネルをサポートするように設計されており、さらなる最適化により、目標の10 eV RMS熱信号および20 eVee RMSイオン化ベースライン分解能を達成できる可能性がある。