Conception d’un circuit d’étouffement de SPAD faible puissance dédié aux expériences à gaz nobles liquéfiés cryogéniques pour la physique des particules

Abstract

Le GRAMS est membre de la collaboration nEXO qui cherche à caractériser le neutrino. L’expérience vise à établir la hiérarchie de masse des neutrinos et déterminer si le neutrino est une particule Majorana (s’il est sa propre antiparticule). Le GRAMS travaille aussi avec des collaborations à prouver l’existence de la matière noire en utilisant un détecteur à l’argon liquide. Ces expériences nécessitent un comptage de photons à l’intérieur d’une chambre à projection contenant un gaz noble liquéfié. Généralement, elle requiert une grande surface de photosensibilité avec un haut taux de remplissage. Un CPN (convertisseur photon-numérique) est proposé par le GRAMS pour cette application. Son intégration verticale permet une plus grande surface photosensible tout en permettant d’avoir des fonctionnalités de traitement de signal plus complexes que leurs contreparties analogiques. Un circuit d’étouffement de photodiode avalanche monophotonique de 50 µm × 36 µm est conçu pour être intégré dans le CPN proposé par le GRAMS. Ce circuit d’étouffement consomme moins de 0;855 W=m2 (3,8% du budget de puissance de l’expérience nEXO) en application normale afin d’éviter l’ébullition du liquide noble dans la chambre à projection. Le temps d’étouffement est ajustable de 10 ns à 10 µs, diminuant ainsi la contribution du bruit corrélé en temps. Une gigue temporelle nettement sous 1 ns ouvre d’autres usages pour des applications sensibles au facteur temps. Les fonctionnalités du circuit d’étouffement sont validées à l’aide d’un ASIC dédié. Le circuit est implanté dans un CPN novateur de 4096 pixels.