[논문 리뷰] Tests of PMT Signal Read-out in a Liquid Argon Dark Matter Detector with a New Fast Waveform Digitizer

R. Acciarri, A. M. Szelc외 8명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 08.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 광전자 배율관(PMT)을 사용한 액체 희토성 가스 다크 물질 탐지기에서 파형 디지타이저 CAEN V1751의 광원 신호 읽기 성능을 평가한다. 1–2 GS/s에서 저잡음 및 넓은 동적 범위를 제공하여 빠른 6–7 ns 광원 신호 성분을 성공적으로 캡처하여 다크 물질 탐지에 적합함을 입증한다.

ABSTRACT

The CAEN V1751 is a new generation of Waveform Digitizer recently introduced by CAEN SpA. It features 8 Channels per board, 10 bit, 1 GS/s using Flash ADCs Waveform Digitizers (or 4 channels at 2 GS/s in Dual Edge Sampling mode) with threshold and Auto-Trigger capabilities. This provides a good basis for data acquisition in Dark Matter searches using PMTs to detect scintillation light in liquid argon, as it matches the requirements for measuring the fast scintillation component. The board was tested by operating it in real experimental conditions and by comparing it with a state of the art digital oscilloscope. We find that the sampling at 1 or 2 GS/s is appropriate for the reconstruction of the fast component of the scintillation light in argon (characteristic time of about 6-7 ns) and the extended dynamic range, after a small customization, allows for the detection of signals in the range of energy needed. The bandwidth is found to be adequate and the intrinsic noise is very low.

연구 동기 및 목표

• 다크 물질 탐지에 있어 실제 실험 조건에서 CAEN V1751 파형 디지타이저의 성능을 평가하는 것.
• 디지타이저의 샘플링 속도와 동적 범위가 액체 희토성 가스에서 빠른 광원 신호를 재구성하는 데 충분한지 확인하는 것.
• 최신 디지털 옛스코프와의 비교를 통해 디지타이저의 신호 정밀도를 검증하는 것.
• 다크 물질 탐지에 적합한 저에너지 PMT 신호 탐지에 있어 디지타이저의 대역폭과 내재된 잡음 수준이 충분한지 확인하는 것.
• 소규모 하드웨어 커스터마이제이션을 통해 관련 에너지 탐지에 필요한 동적 범위를 연장할 수 있는지 검증하는 것.

제안 방법

• CAEN V1751 디지타이저를 액체 희토성 가스 광원 빛에서 발생하는 PMT 신호를 캡처하기 위해 실제 실험 조건에 도입하였다.
• 디지타이저는 8채널에서 1 GS/s 또는 4채널에서 이중 에지 샘플링 모드로 2 GS/s로 동작하며, 플래시 ADC를 사용한다.
• 신호 재구성의 정당성을 검증하기 위해 디지타이저 출력을 고정밀 디지털 올스코프 출력과 비교하였다.
• 낮은 에너지 신호에 대한 민감도 향상을 위해 소규모 하드웨어 커스터마이제이션을 적용하였다.
• 대역폭과 내재된 잡음 수준을 측정하고 다크 물질 탐지에 적합한지 평가하였다.
• 특성 붕괴 시간이 약 ~6–7 ns인 빠른 광원 성분을 해상도를 확보할 수 있는지 시스템을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CAEN V1751 디지타이저는 1–2 GS/s 샘플링 속도로 액체 희토성 가스에서 6–7 ns 광원 성분을 정확하게 샘플링할 수 있는가?
• RQ2 소규모 하드웨어 커스터마이제이션을 거친 후 디지타이저의 확장된 동적 범위가 다크 물질 탐색에 관련된 에너지 범위 내의 신호 탐지에 기여하는가?
• RQ3 CAEN V1751의 내재된 잡음 수준이 약한 광원 신호를 신뢰성 있게 탐지하는 데 충분히 낮은가?
• RQ4 실제 실험 조건에서 최신 디지털 올스코프와 비교했을 때 디지타이저의 성능은 어떻게 되는가?
• RQ5 CAEN V1751의 대역폭은 액체 희토성 가스 탐지기에서 빠른 PMT 신호를 캡처하는 데 충분한가?

주요 결과

• CAEN V1751 디지타이저는 특성 붕괴 시간이 약 6–7 ns인 액체 희토성 가스에서의 빠른 광원 성분을 성공적으로 캡처하였다.
• 1 또는 2 GS/s 샘플링이 빠른 광원 신호의 고정밀 재구성에 적합함이 확인되었다.
• 디지타이저의 내재된 잡음 수준은 매우 낮아 약한 신호의 신뢰성 있는 탐지에 기여하였다.
• 디지타이저의 대역폭은 액체 희토성 가스 다크 물질 탐지기에서 요구되는 신호 대역폭에 적합하였다.
• 소규모 하드웨어 커스터마이제이션을 거친 후 동적 범위가 충분히 확장되어 다크 물질 탐색에 관련된 에너지 범위의 신호 탐지에 기여하였다.
• 최신 디지털 올스코프와의 비교를 통해 디지타이저의 성능이 실험적 사용에 적합함을 확인하였다.