[論文レビュー] Tests of PMT Signal Read-out in a Liquid Argon Dark Matter Detector with a New Fast Waveform Digitizer

R. Acciarri, A. M. Szelc+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、液体アルゴンダークマター検出器におけるフォトマルチプライヤートランスフォーマー（PMT）からの発光信号の読み出しに、CAEN V1751波形デジタイザの性能を評価している。1–2 GS/sで動作し、低ノイズかつ広動態範囲を備えることで、6–7 nsの高速な発光成分を正確に捉えることに成功し、高精度な信号再構成が可能なことを示した。

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.

研究の動機と目的

• ダークマター検出を目的とした実験的条件下でのCAEN V1751波形デジタイザの性能を評価すること。
• デジタイザのサンプリングレートおよび動的範囲が、液体アルゴン内での高速発光信号の再構成に十分であるかを特定すること。
• 最先端のデジタルオシロスコープと比較することで、デジタイザの信号忠実度を検証すること。
• ダークマター検出に適した、デジタイザの帯域幅および内在的ノイズレベルが十分であるかを確認すること。
• わずかなハードウェアのカスタマイズにより、関連するエネルギー範囲の検出に適した動的範囲が拡張可能であることを検証すること。

提案手法

• CAEN V1751デジタイザを実験的条件下に設置し、液体アルゴンの発光光からのPMT信号を記録した。
• Flash ADCを用いて、8チャンネルで1 GS/s、または4チャンネルでデュアルエッジサンプリングモードで2 GS/sで動作した。
• 信号再構成の妥当性を確認するため、高精度なデジタルオシロスコープとの出力比較を実施した。
• 低エネルギー信号への感度向上を目的として、わずかなハードウェアのカスタマイズを施した。
• 帯域幅および内在的ノイズレベルを測定・評価し、ダークマター検出に適したかを検証した。
• 特徴的な減衰時間約6–7 nsを有する高速発光成分の分解能を有するかをテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CAEN V1751デジタイザは、1–2 GS/sのサンプリングレートを用いて、液体アルゴン内での6–7 ns発光成分を正確にサンプリングできるか？
• RQ2 わずかなハードウェアカスタマイズにより拡張されたデジタイザの動的範囲は、ダークマター探索に必要なエネルギー範囲の信号検出を可能にするか？
• RQ3 CAEN V1751の内在的ノイズレベルは、弱い発光信号の信頼性ある検出に十分に低いか？
• RQ4 実験的条件下で、最先端のデジタルオシロスコープと比較した場合、デジタイザの性能はどの程度か？
• RQ5 CAEN V1751の帯域幅は、液体アルゴン検出器における高速PMT信号を捉えるのに十分か？

主な発見

• CAEN V1751デジタイザは、液体アルゴン内での特徴的な減衰時間約6–7 nsを有する高速発光成分を正確に捉えることに成功した。
• 1または2 GS/sでのサンプリングが、高速発光信号の高精度な再構成に適していることが確認された。
• デジタイザの内在的ノイズは極めて低く、弱い信号の信頼性ある検出を可能にすることが判明した。
• デジタイザの帯域幅は、液体アルゴンダークマター検出器における必要な信号帯域幅を満たしている。
• わずかなハードウェアのカスタマイズにより、ダークマター探索に必要なエネルギー範囲の信号検出に十分な動的範囲が拡張された。
• 最先端のデジタルオシロスコープとの比較により、デジタイザの性能が実験的利用に適していることが確認された。