[论文解读] Status of ProtoDUNE Dual Phase

C. Cuesta|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文介绍了位于CERN的ProtoDUNE-Dual Phase探测器的最新进展，该探测器是一座300吨级的液氩时间投影室，旨在验证DUNE实验所用双相技术。实验成功实现了高信噪比的电荷读出、稳定的电子漂移以及相关闪烁光检测，标志着在DUNE远端探测器建设之前，探测器性能与稳定性的关键里程碑。

ABSTRACT

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is a dual-site experiment for long baseline neutrino oscillation studies, and for neutrino astrophysics and nucleon decay searches. DUNE will comprise four 10 kton fiducial liquid argon time-projection-chamber (LAr TPC) modules placed at the Sanford Underground Research Facility (South Dakota, USA). One of these modules will profit form the dual phase (DP) technology where the charge is extracted, amplified, and detected in gaseous argon above the liquid surface allowing a fine readout pitch, a low energy threshold, and good pattern reconstruction of the events. To gain experience in building and operating such a large-scale DP LAr detector, a prototype is currently being assembled at the CERN Neutrino Platform. The ProtoDUNE-DP detector consists of a 6x6x6 m3 LAr TPC and commissioning started in Summer 2019.

研究动机与目标

• 通过一个大规模原型，验证双相液氩时间投影室（LAr TPC）技术在DUNE远端探测器中的适用性。
• 测试关键子系统（包括电荷读出平面、高压系统和低温仪器）的设计、组装与运行性能。
• 在真实条件下，展示6×6×6 m³ LAr TPC中电子漂移与放大过程的长期稳定性与性能。
• 通过双相信号读出与光子探测，实现低能阈值检测，并具备高空间与时间分辨率。
• 为四个10千吨DUNE远端探测器模块的设计与建造提供关键数据。

提出的方法

• ProtoDUNE-DP探测器采用6×6×6 m³液氩体积，配备双相读出系统，其中电离电子向液气界面漂移，并在气态氩中实现放大。
• 电子通过3.125 mm节距的不锈钢丝网格提取，并在大型电子倍增器（LEM）结构中放大，产生二次电致发光，用于电荷收集。
• 电荷信号通过36块0.5×0.5 m²的电荷读出平面（CRPs）读出，每块CRP包含LEM-阳极夹层结构，初始配置中2块完全配备LEM，2块未配备LEM。
• 低温前端电子学基于CMOS ASIC，在110 K下工作，数字化通过室温下的μTCA AMC卡完成，支持10 Gbit/s的数据传输。
• 闪烁光通过36个低温光电倍增管（8英寸，R5912-02MOD）探测，配备波长移位器（PEN或TPB），并采用基于光纤的LED校准系统以实现响应均衡。
• 建立全面的慢控与低温仪器系统，实时监测氩气纯度、温度、液位及系统行为，确保数据质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非抽真空低温杜瓦中，大型双相LAr TPC能否实现高电子寿命与低噪声的稳定长期运行？
• RQ2 双相电荷读出系统的性能如何，包括信号放大、电荷收集均匀性与空间分辨率？
• RQ3 闪烁光信号与收集电荷之间的相关性如何？能否有效用于事件触发与本底抑制？
• RQ4 高压系统与LEM放大组件在大体积探测器中能否实现长期稳定运行？
• RQ5 探测器性能在多大程度上符合DUNE远端探测器的设计目标，特别是在能量阈值与事例模式重建方面？

主要发现

• ProtoDUNE-DP探测器在3×1×1 m³演示器中实现了约4 ms的电子寿命，表明氩气纯度极高，运行稳定。
• 在有效增益约为3时首次获得数据，成功实现离子信号的高质量成像，证实了低噪声下双相读出的可行性。
• 读出平面上3米长条带的电荷收集几乎完全均衡，表明探测器有效区域性能均匀。
• 气相电致发光与收集电荷之间存在明显相关性，验证了双相信号响应机制的正确性。
• 探测器成功记录了气态与液态氩相中的宇宙射线事例，如图4所示，光电倍增管中可观测到闪烁光信号。
• 系统成功实现基于闪烁光信号的非束流事件触发，支持精确事件时间重建与本底抑制。