适用于中微子实验的低温极低噪声读出芯片及相关技术研究

In neutrino detection, dark matter experiments, cryogenic and low noise readout electronic system is playing a more and more important role, and is becoming a general requirement for such experiments. The ASIC will be studied based on nutrinoless double beta decay experiment. The experiment calls for very low noise and background feature, so the electronic readout system’s radioassy should as low as possible. Because of unique specification of noise, power consumption, integration and other advantages, ASICs have become the only choice for such experiments. In this project, a high- integration(64 channels), ultra-low noise (200e@20pF), good background, cryogenic ASIC will be studied based on the requirements of the EXO experiment. Meanwhile, the interconnection between the chip and the charge readout tile, also analog signal transmission at low temperature will be studied. It is hoped that take this project as the start point, the design principle and key techniques could be mastered of the ultra-low noise cryogenic chip and its background, also, its future application.

在中微子实验、暗物质探测等多个领域内，低温极低噪声读出电子学正发挥越来越重要的作用，已成为此类高能物理实验的普遍需求之一，本项目拟研制的芯片正是基于无中微子双β衰变的实验需求进行研究。此类实验对噪声、本底等性能都有极高的要求，这就要求电子学放射性尽量小、物质的量尽量低。专用集成电路（ASIC）由于其独特的噪声性能、功耗、集成度等优势，已成为此类实验的必然选择。本项目将根据实验需求，研制高集成度(64通道)、极低噪声(200e@20pF)、低本底、工作在低温（160K）下的芯片；并研究芯片与探测器的互连及模拟信号的低温长距离传输等相关内容。在此基础上研究低温条件下极低噪声电路设计、低本底控制的关键技术，期望以本项目的研究作为切入点，为国内低温极低噪声芯片的研制做出有益探索、推动国内低温低噪声电子学的进步。

本项目研究内容主要包括ASIC研制、电缆测试选取、整体读出系统研发及与探测器联调等内容。ASIC研制主要根据实验需求及物理分析，制定合适的芯片设计指标。电缆部分的主要研究内容包括电缆测试、选型等工作。整体读出系统的研究包括，ADC、FPGA等工作。通过本项目的研究，成功研制了低温低噪声及低本底的ASIC及其互连的读出电子学系统，为后续研究打下良好基础，同时也为国内低温低噪声低本底的读出系统积累了宝贵经验。本项目研究过程中，ASIC共计流片两次，芯片的测试结果表明AISC本身的噪声、线性度、串扰等主要性能指标基本达到预期的设计目标。ENC约265e@160K，低温下INL<0.4%，通过本项目的研究，完成了适用于低温电子学从ASIC到读出系统的初步过渡，初步完成了电荷读出原型系统的及其与ASIC的联调。原型电荷读出系统主要包括两个双通道900Msps，12-bit AD，共包含4个ADC通道，最终输出为千兆网输出，支持外部触发。计算机的数据获取软件采用Labview编写，该LabView程序是用于ADC模块的慢控制及部分DAQ。具体的测试结果表明，整体系统研制工作正常、基本达到预期目标。同时也完成了ASIC、探测器、后端读出系统的联调。具体的测试结果表明，整体系统研制工作正常、基本达到预期目标。