[论文解读] 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 2

一句话总结

本文在液氩暗物质探测器中，使用光电倍增管（PMT）读出闪烁信号，评估了CAEN V1751波形数字化仪的性能。在1–2 GS/s采样率下，具有低噪声和扩展动态范围，成功捕捉到快速的6–7 ns闪烁分量，证明其适用于高保真度信号重建的暗物质探测。

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.

研究动机与目标

• 评估CAEN V1751波形数字化仪在真实实验条件下用于暗物质探测的性能。
• 确定数字化仪的采样率和动态范围是否足以重建液氩中的快速闪烁信号。
• 通过与最先进的数字示波器对比，验证数字化仪的信号保真度。
• 确认数字化仪的带宽和固有噪声水平是否适合探测低能PMT信号。
• 验证通过轻微硬件改造可实现扩展动态范围，以满足相关能量范围的探测需求。

提出的方法

• 将CAEN V1751数字化仪部署于真实实验环境中，用于捕获液氩闪烁光产生的PMT信号。
• 该数字化仪在8个通道上以1 GS/s运行，或在4个通道上以双沿触发采样模式运行于2 GS/s，采用闪速ADC技术。
• 通过将数字化仪输出与高精度数字示波器的输出进行对比，验证了信号重建的准确性。
• 对硬件进行了小幅改造，以扩展动态范围，从而提高对低能信号的敏感度。
• 测量并评估了带宽和固有噪声水平，以判断其在暗物质探测中的适用性。
• 测试了系统分辨具有约6–7 ns衰减时间的快速闪烁分量的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 CAEN V1751数字化仪在1–2 GS/s采样率下，能否准确采样液氩中6–7 ns的闪烁分量？
• RQ2 经过轻微硬件改造后，数字化仪扩展的动态范围是否足以检测与暗物质搜索相关的能量范围内的信号？
• RQ3 CAEN V1751的固有噪声水平是否足够低，以实现对微弱闪烁信号的可靠检测？
• RQ4 在真实实验条件下，数字化仪的性能与最先进的数字示波器相比如何？
• RQ5 CAEN V1751的带宽是否足以捕捉液氩探测器中快速的PMT信号？

主要发现

• CAEN V1751数字化仪成功捕捉到液氩中具有约6–7 ns特征衰减时间的快速闪烁分量。
• 确认1或2 GS/s的采样率适用于高保真度重建快速闪烁信号。
• 数字化仪的固有噪声水平极低，支持对微弱信号的可靠检测。
• 数字化仪的带宽足以满足液氩暗物质探测器中所需信号带宽的要求。
• 经轻微硬件改造后，动态范围得到足够扩展，可检测与暗物质搜索相关的能量范围内的信号。
• 与最先进的数字示波器对比的结果表明，该数字化仪的性能适用于实际实验应用。