Conveners
15 - 电子学
- Tao Xue (Tsinghua University)
15 - 电子学
- Zhi Deng (Tsinghua University)
宇宙线是来自太空的粒子，高能宇宙线进入大气以后会产生“簇射”，其中次级带电粒子能够在大气中产生切伦科夫光。通过观测大气切伦科夫光可以测量宇宙线的能量和方向，与地面μ子探测器联合观测还可以确定宇宙线粒子的成分。位于四川稻城的高海拔宇宙线观测站建有世界上首台（组）可在满月条件下观测运行的大气切伦科夫望远镜，测量到了多个超级伽马射线源。
报告人所在的中国科学技术大学科研团队是PandaX合作组的重要成员，主要承担了PandaX-III（无中微子双β衰变实验）时间投影室探测器（TPC）的低本底读出电子学的研制任务，该工作得到了国家重点研发计划课题的支持。本报告将介绍PandaX-III读出电子学的研制历程，科研团队在TPC读出电子学的拓展应用，以及重点研发计划课题结束之后在基于TPC的低本底α/β测量方面的研究进展。
江门中微子实验将设计、研制并运行一个国际领先的中微子实验站，以测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数，并进行其它多项科学前沿研究。实验装置位于广东省江门市开平市金鸡镇地下700米的实验大厅。其中，中心探测器由2万吨液体闪烁体和17612个20英寸PMT及25600个3英寸PMT组成，用于中微子探测，能量分辨率达3%。中心探测器周围和顶部分别设有水契伦科夫探测器和顶部径迹探测器作为反符合探测器，用于探测和排除宇宙线信号。为了测量探测器中20英寸PMT的输出信号，读出电子学系统分为水下前端电子学及后端电子学两部分，水下电子学部分实现高速高精度波形数字化，实时信号处理和为PMT提供工作高压的功能，后端电子学部分则负责将数据传输到DAQ系统以及负责触发时钟的产生和分发。本报告将详细介绍20英寸PMT读出电子学系统的设计及制造生产，同时介绍目前电子学的安装情况。
报告将介绍中科院近物所核电子学室面向核物理实验及空间粒子探测开展的读出电子学研制相关工作。
MicroTCA（Micro Telecommunications Computing...
NνDEx(No Neutrino Double-beta-decay Experiment)是基于高压气体时间投影室（TPC）新型无雪崩放大电荷测量技术来寻找六氟化硒无中微子双贝塔衰变现象的实验。位于端盖的前端读出电子学平面是实验成败的关键与核心部分。前端电子学相关ASIC主要包含用于电荷收集与测量的CSA芯片Topmetal-S，以及用于波形数字化及数据传输的模数混合芯片DROC（Digitizing and Readout...
超高能中微子探测不仅可以直接回答宇宙线起源问题，也可以帮助我们在天文基线上研究中微子振荡现象，寻找超越标准模型的新物理。海铃计划是由上海交通大学牵头提出在我国南海海域建设由我国自己主导的下一代深海中微子望远镜。2021年9月，海铃计划完成探路者选址实验，在南海3500米深海处实现原位探测与数据采集，其中电子学系统包括多通道光电管数据采集、窄脉冲光驱动、白兔子时钟同步等。目前合作组针对一期建设任务，正在开展针对混合型探测器（光电管+SiPM）的电子学系统研发，其中光电管读出采用基于DRS4的高速波形数字化技术方案，而SiPM读出则是针对大面积SiPM阵列实现单光子信号高精度时间测量，采用高速甄别结合FPGA-TDC技术路线。
随着大型核与粒子物理实验的发展，对于读出电子学不断提出更高的需求与挑战。专用集成电路
（ASIC）是物理实验读出电子学领域的重要研究方向。本报告将介绍中科大在高精度时间测量、高精度电荷测量、波形数字化等方面ASIC研究的进展情况。
CMOS像素探测器（CPS）已经广泛应用于物理实验的带电粒子成像，包括STAR实验、ALICE实验等，也是国际直线对撞机（International Linear Collider, ILC）顶点探测器方案的有力竞争者。在ILC中，大量来自背景束带电粒子在CPS中形成额外命中，增加了探测器系统的输出数据量。
研究团队拟通过研发片上集成人工神经网络的智能化CMOS像素探测器专用集成电路，实现背景束粒子命中的标记和片上筛除，完成海量数据的压缩，降低探测器系统的数据量。研究团队开发了基于列级/像素级ADC架构的Clustering算法、Cluster特征提取算法等。另一方面，考虑到六边形像素几何结构在相邻像素数目等方面的优势，研究团队同步开展六边形几何结构的设计研究。
中子深度剖面分析是一种针对同位素特异性的近表面无损表征技术，通过具有位置灵敏特性的探测器，如硅微条探测器、像素探测器等，搭建测量系统获取轻元素浓度随深度变化的分布图像，而图像的质量与探测器的空间位置分辨率紧密相关。
对于此类成像应用的位置灵敏探测器而言，ASIC是构建其读出电子学系统的通解。但ASIC主要采用快慢通道分别获取核事例的幅度与时间信息，面对探测器上的核事例堆积难以厘清事例间边界，在成像时难以利用这部分数据，会导致成像边界模糊。对此，本文采用通用AFE芯片完成硅微条探测器的电子学通道读出，通过全波形实时直采的方式获取探测器所有通道的核脉冲信号，并在数字主控中完成定时触发、堆积剥谱、滤波成形等数字算法处理，进而提高成像质量。
A cryogenic low-noise CMOS preamplifier has been successfully developed for HPGe detectors for the CDEX dark matter search experiments. The noise of the ASIC was optimized for 1pF input capacitance. The prototype chip was implemented in GF 180 nm CMOS process and was fully evaluated at low temperature. The power-on-reset module of the 2023 version of the preamplifier was tested. The rise time...
光电读出器件作为时间投影室的“眼睛”，其重要性不言而喻。得益于SiPMs在诸多方面的杰出性能，目前已有DarkSide20k, Darwin, nEXO等合作组已经或者计划采用SiPMs而不是传统的PMTs来读出探测器的光子。采用液氦时间投影室技术的ALETHEIA探测器也拟采用SiPMs来收集光信号。但在本试验进行之前，对SiPMs进行过全面测试的最低温度是液氮温度 (77 K)，而液氦探测器上的SiPMs需要工作于液氦温度（4.5 K）附近。为此，本项目组对FBK NUV-HD-Cryo SiPMs在液氦温度附近进行了较为全面的测试，如I-V曲线，Photodetection efficiency (PDE), AP (After-pulses), CT (Cross-Talks)等。上述测试结果表明FBK公司的这款SiPMs完全适宜于在液氦时间投影室上工作。本报告将简要介绍上述测试。
