[论文解读] CATIROC: an integrated chip for neutrino experiments using photomultiplier tubes

S. Conforti, M. Settimo+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 9被引用 11

一句话总结

本文提出CATIROC，一种专为大型中微子实验中使用的光电倍增管（PMT）设计的16通道ASIC，用于高精度电荷与时间测量。结果表明，CATIROC适用于液态闪烁体探测器（如JUNO），在时间分辨率方面优于150 ps，电荷分辨率可达15 fC，通过优化配置可有效减轻单光子计数模式下的死时间和电荷堆积效应。

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.

研究动机与目标

• 将原本专为水切伦科夫探测器设计的CATIROC，适配至基于液态闪烁体的中微子实验（如JUNO）。
• 评估CATIROC在测量具有扩展时间轮廓（长达数百纳秒）的信号时的电荷与时间性能，此类信号典型存在于液态闪烁体中。
• 识别并缓解多个脉冲在数十至数百纳秒内相继到达时引发的关键问题，如触发死时间与电荷堆积。
• 验证CATIROC在大规模PMT阵列中单光子计数模式下的适用性，该模式下单个光子事件极为常见。
• 对CATIROC的可配置参数进行全面表征，以实现其在液态闪烁体应用中的最佳性能。

提出的方法

• 对CATIROC的自动触发模式与压缩数字输出进行表征，适用于高通道数系统。
• 采用多种独立方法测量时间分辨率，包括对TDC斜坡非线性进行修正。
• 通过设置约20 ns的电荷积分窗口，评估高增益（HG）与低增益（LG）模式下的电荷线性度与分辨率。
• 系统性测试触发死时间（TTrigDeadTime）与数字化死时间（TDeadTime ≈ 9 µs），并利用SCA系统实现缓解。
• 使用简易蒙特卡洛模拟评估信号振荡对电荷重建精度的影响。
• 将CATIROC的响应与采用3英寸PMT的独立读出系统进行对比，基于JUNO PMT的大样本数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 CATIROC能否可靠测量液态闪烁体中时间展宽达数百纳秒的PMT信号的电荷与时间？
• RQ2 在液态闪烁体发光时间特性下，CATIROC处理多个脉冲（脉冲间时间间隔典型为数十至数百纳秒）时的有效死时间是多少？
• RQ3 当两个脉冲在触发死时间窗口内到达时，电荷堆积对测量结果的偏差程度如何？
• RQ4 在液态闪烁体信号背景下，CATIROC在高增益与低增益配置下的电荷分辨率与线性度性能如何比较？
• RQ5 CATIROC能否在JUNO等实验中有效用于单光子计数模式，其中大多数PMT每个事件仅探测到一个光电子？

主要发现

• CATIROC的时间分辨率优于150 ps，通过修正TDC斜坡非线性可进一步提升。
• 高增益模式下电荷分辨率为15 fC，低增益模式下为73 fC，动态范围内线性度偏差低于1%。
• 触发阈值可低至0.16 pC（约0.3个光电子），在PMT增益为3×10⁶时可实现单光电子探测。
• 观察到约9 µs的死时间，主要源于电荷数字化过程，但可通过SCA系统缓解，以恢复丢失信号。
• 当CATIROC配置得当时，电荷堆积与信号丢失被最小化，尤其在脉冲间时间间隔小于250 ns时，覆盖JUNO SPMT系统中99%的情况。
• CATIROC的响应与独立读出系统一致，典型PMT信号参数下，重建平均值与标准差的偏差分别小于0.01 ADC单位与0.3%。