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

G. Baulieu, J. Billard+21 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用 7

一句话总结

本论文为RICOCHET CEνNS实验中的1K CryoCube探测器提出基于HEMT的前端电子学，采用低噪声HEMT（功耗15 µW）实现10 eV RMS热信号基线分辨率和20 eVee RMS电离基线分辨率。该系统采用反馈连接至HEMT源极的闭环放大器设计，实现高线性度、稳定增益（498）和高达40 kHz的带宽，对区分低能核反冲与本底事件至关重要。

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.

研究动机与目标

• 为RICOCHET CEνNS实验中用于低温Ge探测器的超低噪声前端电子学开发子10 eV能量分辨率。
• 克服在低能区实现10 eV RMS热基线分辨率和20 eVee RMS电离基线分辨率的挑战，以实现核反冲的鉴别。
• 在1 K下实现工作，功耗极低（每通道15 µW），并在100多个HEMT器件上实现高度可重复性。
• 将低温电子学集成在探测器附近，以最小化电缆寄生电容并提升信号保真度。
• 在闭环放大器配置中利用HEMT作为高阻抗输入器件，实现高线性度和稳定增益。

提出的方法

• 采用由CNRS/C2N开发并由CryoHEMT商业化的HEMT，专为1 K下超低噪声设计，功耗为15 µW。
• 实施闭环放大器配置，反馈连接至HEMT源极，形成非反相放大器，电压增益为1 + R9/R3 = 501。
• 将NTD-Ge传感器直接DC耦合至HEMT输入端，避免低频滚降，保持全带宽内平坦响应。
• 采用Howland电流泵（U2）稳定反馈电流，确保增益与电缆电阻无关。
• 在300 K使用运算放大器级，配合反馈电容C1，提供高开环增益，实现对放大器响应的精确控制。
• 在稀释制冷机中于4.2 K和1 K下测试放大器，使用模拟NTD电阻隔离HEMT噪声性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于HEMT的放大器能否在仅15 µW每通道功耗下，于1 K下实现10 eV RMS热基线分辨率？
• RQ2 对HEMT源极实施的闭环反馈配置是否能在15 MeV能量沉积动态范围内确保稳定增益和高线性度？
• RQ3 在1 K下，放大器在100 Hz–10 kHz范围内的电压噪声和带宽性能如何，该范围与CEνNS探测密切相关？
• RQ4 基于HEMT的前端电子学能否可靠地扩展至150个通道的CryoCube阵列，同时保持低噪声和高可重复性？
• RQ5 反馈配置在多大程度上减轻了电缆寄生电容和电阻对放大器性能的影响？

主要发现

• 在1 K下，HEMT基放大器的电压噪声底限约为0.5 nV/√Hz（100 Hz–10 kHz范围），放大器自身引入的附加噪声可忽略不计。
• 放大器表现出优异的线性度，在高达16 mV输入（对应约15 MeV能量沉积）的全动态范围内保持稳定增益498。
• 实测带宽范围为15 kHz至40 kHz，超过RICOCHET的要求，且因DC耦合未出现低频滚降。
• HEMT在1 K下保持一致性能，每通道功耗低至15 µW，并在约100个测试器件中表现出良好可重复性。
• 闭环反馈配置成功稳定了HEMT偏置，确保了恒定的Ids和Vds，实现了高输入阻抗并最小化增益漂移。
• 系统设计支持CryoCube的150个通道，经进一步优化后，有望实现目标的10 eV RMS热信号基线分辨率和20 eVee RMS电离基线分辨率。