[논문 리뷰] CATIROC: an integrated chip for neutrino experiments using photomultiplier tubes

S. Conforti, M. Settimo외 15명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 27.

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한 줄 요약

이 논문은 대규모 중성미자 실험에서 사용되는 광전자 배율관(PMT)의 고정밀 전하 및 시간 측정을 위한 16채널 ASIC인 CATIROC를 제시한다. CATIROC가 JUNO와 같은 액체 스크린티레이터 검출기에서 적합함을 입증하며, 시간 해상도가 150 ps 이하, 전하 해상도가 15 fC 이하에 도달하고, 다수의 충돌 신호가 발생할 경우의 사라진 시간(dead time)과 전하 중첩(pile-up) 효과를 최적화된 설정을 통해 완화함을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 원래 수중 찰레노프 검출기용으로 설계된 CATIROC를 JUNO와 같은 액체 스크린티레이터 기반 중성미자 실험에 적응시키기.
• 액체 스크린티레이터에서 특징적인 장시간 프로파일(최대 수백 나노초)을 가진 신호의 전하 및 시간 측정 성능 평가하기.
• 다수의 충격이 수십에서 수백 나노초 이내에 도착할 경우 발생하는 주요 문제, 즉 트리거 사라진 시간과 전하 중첩을 식별하고 완화하기.
• 단일 광전자 검출이 흔한 대규모 PMT 어레이에서 광전자 수세기 모드 운영에 적합한지 CATIROC의 적합성 검증하기.
• 액체 스크린티레이터 응용 분야에서 최적 성능을 내기 위한 CATIROC의 설정 가능한 파rameter에 대한 종합적 특성 분석 제공하기.

제안 방법

• 고채널 수 시스템에 적합한 CATIROC의 자동 트리거 모드 및 압축 디지털 출력 특성 분석.
• TDC 램프의 비선형성 보정을 포함한 독립적 접근 방식을 통한 시간 해상도 측정.
• 전하 선형성 및 해상도 평가를 위해 고이득(HG) 및 저이득(LG) 모드 사용, 전하 통합 창을 약 20 ns로 설정.
• 트리거 사라진 시간(TTrigDeadTime)과 디지타이징 사라진 시간(TDeadTime ~9 µs)의 체계적 테스트, SCA 시스템을 통한 완화 조치 포함.
• 신호 와이브링(wiggles)이 전하 재구성 정확도에 미치는 영향 평가를 위한 토이 몬테카를로 시뮬레이션 사용.
• 3인치 PMT를 사용한 독립적인 읽기 시스템과의 비교를 통해 JUNO PMT 대량 샘플에서 검증된 결과 제공.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 스크린티레이터에서 관찰되는 수백 나노초에 이르는 시간적 확산을 가진 PMT 신호의 전하 및 시간 측정을 CATIROC가 신뢰성 있게 수행할 수 있는가?
• RQ2 액체 스크린티레이터 빛 방출의 특성에 맞는 상호 도착 시간이 수십에서 수백 나노초인 경우 CATIROC의 효과적 사라진 시간은 얼마인가?
• RQ3 트리거 사라진 시간 창 내에 두 개의 충격이 도착할 경우 전하 중첩이 측정에 얼마나 심각하게 영향을 미치는가?
• RQ4 액체 스크린티레이터 신호의 맥락에서 고이득 및 저이득 설정에서 CATIROC의 전하 해상도 및 선형성 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 대부분의 PMT가 이벤트당 한 개의 광전자만 검출하는 JUNO와 같은 실험에서 CATIROC가 광전자 수세기 모드에 효과적으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• CATIROC는 시간 해상도가 150 ps 이하이며, TDC 램프의 비선형성 보정을 통해 추가로 향상 가능하다.
• 고이득 모드에서는 전하 해상도가 15 fC, 저이득 모드에서는 73 fC이며, 동적 범위 전반에서 선형성 편차가 1% 이하이다.
• 트리거 임계값을 최소 0.16 pC(~0.3 PE)까지 낮출 수 있어, 이득이 3×10⁶인 PMT에서 단일 광전자 검출이 가능하다.
• 약 9 µs의 사라진 시간이 관측되었으며, 주로 전하 디지타이징에 기인하지만, SCA 시스템을 통해 누락된 신호를 복구할 수 있다.
• CATIROC가 적절히 설정된 경우 전하 중첩 및 신호 손실이 최소화되며, 특히 상호 충격 간격이 250 ns 이내일 경우 JUNO의 SPMT 시스템에서 99%의 경우를 커버한다.
• CATIROC의 응답은 독립적인 읽기 시스템과 일치하며, 일반적인 PMT 신호 파rameter에서 재구성된 평균과 표준편차의 차이가 각각 0.01 ADC 단위 이하 및 0.3% 이하로 매우 작다.