[논문 리뷰] HEMT-based 1K front-end electronics for the heat and ionization Ge CryoCube of the future RICOCHET CE$ u$NS experiment

G. Baulieu, J. Billard외 21명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 19.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 12인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 RICOCHET CEνNS 실험의 1K 크로이쿠브 검출기에서 HEMT 기반 프론트엔드 전자회로를 제안하며, 15 µW 소비 전력으로 낮은 잡음 HEMT를 사용하여 열 기반 기준 분해능 10 eV RMS 및 이온화 기반 기준 분해능 20 eVee RMS를 달성한다. 시스템은 HEMT 소스에 피드백을 적용한 클로즈드 루프 증폭기 구조를 채택하여 고선형성, 안정된 이득(498), 최대 40 kHz 대역폭을 확보하며, 배경 사건과의 구분에 핵심적인 역할을 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• RICOCHET CEνNS 실험에서 고온도 게르마늄 검출기용 초저잡음 프론트엔드 전자회로를 개발하여 10 eV 이하 에너지 분해능을 달성한다.
• 저에너지에서 핵성쇄기 구분을 위해 10 eV RMS 열 기준 분해능과 20 eVee RMS 이온화 기준 분해능을 확보하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 15 µW 채널당 소비 전력으로 최소한의 열 손실을 유도하면서도 100개 이상의 HEMT 장치에서 높은 재현성을 확보하여 1 K에서의 작동을 가능하게 한다.
• 케이블링 용량을 최소화하고 신호 정합도를 향상시키기 위해 냉각 전자회로를 검출기 근처에 통합한다.
• HEMT를 고임피던스 입력 장치로 사용한 클로즈드 루프 증폭기 구성에서 고선형성과 안정된 이득을 입증한다.

제안 방법

• CNRS/C2N에서 개발하고 CryoHEMT에서 상용화한 HEMT를 사용하여, 1 K에서 초저잡음 성능을 확보하고 15 µW 소비 전력으로 최적화한다.
• HEMT 소스에 피드백을 적용한 클로즈드 루프 증폭기 구성 방식을 구현하여, 비역상 증폭기로 전환하고 전압 이득을 1 + R9/R3 = 501로 설정한다.
• NTD-Ge 센서를 HEMT 입력에 직접 DC 커플링하여 저주파수 롤오프를 방지하고 전체 대역폭에서 평탄한 응답을 유지한다.
• 피드백 전류를 안정화하고 케이블링 저항에 의한 이득 의존성을 제거하기 위해 Howland 전류 펌프(U2)를 사용한다.
• 300 K 옵에이프 앰프 스테이지에 피드백 커패시터 C1을 적용하여 고오픈-루프 이득을 확보하고 증폭기 응답의 정밀한 제어를 가능하게 한다.
• 드라이브 프리징에서 4.2 K 및 1 K에서 증폭기를 테스트하며, HEMT 잡음 성능을 분리하기 위해 델타 NTD 저항을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 15 µW 채널당 소비 전력으로 1 K에서 HEMT 기반 증폭기가 10 eV RMS 열 기준 분해능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 HEMT 소스에 피드백을 적용한 클로즈드 루프 구성이 15 MeV의 에너지 투입 동적 범위에서 안정된 이득과 고선형성을 보장하는가?
• RQ3 특히 CEνNS 검출에 관련된 100 Hz–10 kHz 범위에서 1 K에서의 전압 잡음 및 대역폭 성능은 어떠한가?
• RQ4 150채널의 크로이쿠브 어레이에 대해 HEMT 기반 프론트엔드 전자회로를 신뢰성 있게 확장할 수 있는가? 이때 저잡음성과 높은 재현성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 피드백 구성이 케이블링 용량 및 저항이 증폭기 성능에 미치는 영향을 어느 정도 완화하는가?

주요 결과

• HEMT 기반 증폭기는 1 K에서 100 Hz–10 kHz 범위에서 약 0.5 nV/√Hz의 전압 잡음 수준을 확보하였으며, 증폭기 자체의 추가 잡음 기여는 거의 없었다.
• 증폭기는 뛰어난 선형성을 보이며, 입력 16 mV까지 전체 동적 범위에서 안정된 이득 498을 유지하였고, 이는 약 15 MeV의 투입 에너지에 해당한다.
• 측정된 대역폭은 15 kHz에서 40 kHz로, RICOCHET 요구사항을 초과하며 DC 커플링으로 인한 저주파수 롤오프 없이도 안정된 성능을 보였다.
• HEMT는 1 K에서 15 µW 채널당 소비 전력으로도 일관된 성능을 유지하며, 약 100개의 테스트 장치에서 양호한 재현성을 보였다.
• 클로즈드 루프 피드백 구성은 HEMT 바이어스를 안정화시켜 일정한 Ids 및 Vds를 유지하며, 고입력 임피던스와 낮은 이득 드리프트를 가능하게 하였다.
• 시스템은 크로이쿠브에 150채널을 지원하도록 설계되었으며, 향후 최적화를 통해 목표로 하는 10 eV RMS 열 기준 분해능과 20 eVee RMS 이온화 기준 분해능을 달성할 수 있을 전망이다.