[论文解读] Performance of a modular ton-scale pixel-readout liquid argon time projection chamber

DUNE Collaboration, B. Abi+1363 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2024

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

展示了 Module-0 的成像性能与系统集成，这是一种用于 DUNE ND 的模块化、吨级像素读出 LArTPC 原型，采用 80k-pixel charge readout 与先进光检测，在大约 8 天内收集了 ~25 百万宇宙射线事件。

ABSTRACT

The Module-0 Demonstrator is a single-phase 600 kg liquid argon time projection chamber operated as a prototype for the DUNE liquid argon near detector. Based on the ArgonCube design concept, Module-0 features a novel 80k-channel pixelated charge readout and advanced high-coverage photon detection system. In this paper, we present an analysis of an eight-day data set consisting of 25 million cosmic ray events collected in the spring of 2021. We use this sample to demonstrate the imaging performance of the charge and light readout systems as well as the signal correlations between the two. We also report argon purity and detector uniformity measurements, and provide comparisons to detector simulations.

研究动机与目标

• 演示在吨级 LArTPC（Module-0）中像素化三维电荷读出对成像能力的原型作用，作为 DUNE ND-LAr 设计的原型。
• 评估同时进行的电荷与光读出系统在事件重建与时序方面的性能。
• 使用大量宇宙射线数据集表征探测器的纯度、电场均匀性，以及数据/仿真的一致性。
• 评估在模块化近场探测器原型中电荷与光读出接口、数据采集、触发与时序的集成。

提出的方法

• 在两块对向阳极平面上使用二维电荷敏感垫阵列，以实现像素化三维读出，每块单元含 4,900 个垫，单元格为 70×70 网格。
• 使用 LArPix-v2 ASIC（每芯片 64 通道）实现像素级自触发读出，并在低功耗低温下工作。
• 集成 Pixel Array Controller and Network (PACMAN) 实现协调的数据采集和时序，具备命中级时间戳和离线时间排序过滤。
• 实现 ArCLight 与 Light Collection Module (LCM) 用于高覆盖度光子探测，使用 TPB 作为波长转换材料，并通过体掺杂来实现光捕获。
• 在一个 0.7 m × 0.7 m × 1.4 m 的模块中运行，中央阴极与 30 cm 漂移距离，并进行为期八天的宇宙射线数据采集（约 25 百万事件）。
• 将测得的性能与探测器仿真进行比较，并报告纯度、电场均匀性以及电荷-光信号匹配情况。

Figure 1: Gallery of four representative cosmic ray-induced events collected with Module-0 , as recorded in the raw event data, with collected charge converted to units of thousands of electrons. In all cases, the central plane in grey denotes the cathode, and the color scale denotes the collected c

实验结果

研究问题

• RQ1 像素化三维电荷读出在吨级 LArTPC 中的性能相比传统线阵读出有何差异？
• RQ2 高覆盖度光子探测系统在精确事件定时和电荷-光同步方面在 LArTPC 中的可行性与性能如何？
• RQ3 集成的电荷和光读出是否能在近场探测环境中实现无歧义的三维事件重构与堆叠抑制？
• RQ4 在宇宙射线数据-taking 条件下，一个模块化、像素读出 LArTPC 原型的运行特性（纯度、场均匀性、数据速率）是什么？

主要发现

• Module-0 在两块阳极平面上实现了约 78,400 个被探测像素。
• 宇宙射线自触发率约为每像素 0.25 Hz，总像素命中约 20 kHz，整个探测器的数据速率约 2.5 Mb/s。
• 读出系统对每个通道设定两档阈值（低约 5.8 ke- 每像素；高约 10.7 ke- 每像素），以在灵敏度与触发稳定性之间取得平衡。
• 在运行过程中没有 ASIC 失效；系统展示了健壮的‘hydra’网络数据路由，具备离线时间排序的时间戳和近实时监控功能。
• 对纯度、电场均匀性以及电荷-光信号匹配进行了表征并与仿真进行比较，以验证探测器性能。

Figure 2: Schematic of the $0.7~{}\mathrm{m}\times 0.7~{}\mathrm{m}\times 1.4~{}\mathrm{m}$ Module-0 detector with annotations of the key components.