Study of HEMT electronics coupled to cryogenic detectors for the RICOCHET experiment
Description
Cryogenic germanium detectors with heat-and-ionization double readout are able to identify the nature of the recoil induced by an interaction. Running in a low radioactivity dilution fridge and surrounded by lead and polyethylene shieldings they can be used as rare events search detectors. The RICOCHET experiment bolometers will measure neutrinos interactions by the so-called CENNS process (Coherent Elastic Neutrino Nucleus Scattering). They will discriminate the nuclear recoils induced by this interaction from the electronic recoils dominating the background events. The RICOCHET goal is to perform a precision measurement of the CENNS process, to compare it with the Standard Model predictions and to search possible signs of new physics. The experimental payload will consist of 27 germanium detectors of 38 g (CryoCube) and 9 superconducting zinc detector of 30 g (Q-Array). The cryostat will be installed at the Institut Laue-Langevin (ILL), 8 meters away from the 58 MW research reactor. The antineutrino flux of 1012/(cm2.s) at the detector level will induce 15 CENNS interactions per day on the CryoCube. The CryoCube detectors are produced by the IJCLab and are an optimization of the massive (800 g) detectors developed for the EDELWEISS-III Dark Matter search experiment. This optimization already allowed to reach 20 eV resolution on the heat channel and 200 eVee (electron equivalent) on the ionization channel. The goal is to reach a nuclear recoil threshold of 50 eV, corresponding to heat and ionization resolutions of 10 eV and 20 eVee, respectively. This thesis work aims at reaching those resolutions with the use of a High Electron Mobility Transistor (HEMT) technology developed by the C2N laboratory of CNRS for low frequency and high impedance applications. The HEMT are working at cryogenic temperatures below 4 K, which allows to use them close to the detectors. This reduces the total length and the stray capacitance of the cabling between the detectors and the first amplification stage, usually based on Si-JFET transistors working at about 120 K. Reducing the parasitic capacitance directly improves the ionization channel performance. A noise model, based on both 4.2 K HEMT data from C2N and optimized geometries for the RICOCHET detectors, has been developed. This model shows that the objectives are reachable for 38 g detectors and a total input capacitance at the HEMT input reduced to 20 pF. HEMT performance, such as gain and noise, has been measured in various conditions of temperature and power dissipation to constrain their use in the future experiment. Homogeneity of the results has been studied on 25 transistors and extrapolated to demonstrate the feasibility for RICOCHET to use up to 150 HEMT cooled on a 1 K stage only few cm away from the detectors. The readout and bias electronics will be coupled to the digitization, repartition and synchronization parts in a Bolometer Box, jointly developed by IP2I and Institut Neel electronics groups. The HEMT have been coupled to prototype detectors and have already reached a resolution of 41 eVee on the ionization channel before final electronics and cabling optimization. This resolution is the best obtained so far worldwide on massive cryogenic germanium detectors. Further optimization steps are well defined to reach the 20 eVee goal. Heat performance is limited to 60 eV as of today. A large excess noise has been identified but not fixed during this thesis work. Possible explanations have been exposed and should be tested in future works. The heat channels will be readout by a more standard, Si-JFET based, cold electronics during the first phase of the RICOCHET experiment. (author)
Abstract (French)
Les detecteurs cryogeniques en germanium a double mesure de l'ionisation et de la chaleur permettent d'identifier le type de recul provoque lors d'une interaction. Places dans un cryostat a dilution, optimise pour sa basse radioactivite et entoure de blindages plomb et polyethylene adaptes aux objectifs scientifiques, ils peuvent etre utilises comme detecteurs d'evenements rares. Les bolometres de l'experience RICOCHET serviront a mesurer l'interaction des neutrinos par diffusion elastique coherente neutrino-noyau (CENNS), en discriminant les reculs de noyaux induits par ce processus, des reculs electroniques, dominants pour les bruits de fond. L'objectif de RICOCHET est de realiser une mesure precise de l'interaction CENNS, de la comparer aux predictions du Modele Standard et de rechercher des signes de nouvelle physique. L'experience utilisera 27 detecteurs en germanium de 38 g (CryoCube) et 9 detecteurs de 32 g en zinc supraconducteur (Q-Array), et sera installee a l'Institut Laue-Langevin (ILL), a 8 m du reacteur de recherche de 58 MW. Le flux d'antineutrinos de 1012/(cm2.s) sur les detecteurs induira 15 interactions CENNS par jour sur le CryoCube. Les detecteurs de 38 g du CryoCube sont produits par l'IJCLab. Ils sont bases sur une optimisation des detecteurs massifs (800 g) de l'experience EDELWEISS-III de recherche de matiere noire. Cette optimisation a deja permis d'obtenir des resolutions de 20 eV en voie chaleur et 200 eVee (equivalent-electron) pour la voie ionisation. L'objectif pour RICOCHET est d'atteindre un seuil en energie de recul de 50 eV, correspondant a des resolutions de 10 eV chaleur et 20 eVee ionisation. Cette these a pour but d'atteindre ces resolutions, en utilisant une technologie de transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor), developpee pour des utilisations a basse frequence et tres haute impedance par le laboratoire C2N du CNRS. L'avantage de cette technologie reside dans sa possibilite de fonctionnement a temperature < 4 K, permettant d'utiliser les HEMT proches des detecteurs, et reduisant fortement la longueur et la capacite parasite du cablage, avant le premier etage d'amplification traditionnellement compose de transistor Si- JFET fonctionnant autour de 120 K. Ce gain en capacite parasite ameliore directement les performances en voie ionisation. Un modele de bruit, base sur les donnees HEMT du C2N a 4.2 K et sur les geometries de detecteurs optimisees pour RICOCHET, a ete developpe et montre que les objectifs sont atteignables pour des detecteurs de 38 g et une capacite totale en entree des HEMT reduite a 20 pF. Des mesures de gain et de bruit ont ete effectuees, afin de mesurer les performances des HEMTS pour un large spectre de conditions de temperature et de dissipation, et contraindre leur utilisation dans la future experience. L'homogeneite a ete etudiee sur 25 transistors et a permis d'extrapoler sur la faisabilite pour RICOCHET d'utiliser jusqu'a 150 HEMT sur l'etage 1 K, deporte a seulement quelques cm des detecteurs. L'electronique de lecture et de polarisation sera couplee dans un meme Boitier Bolometre (BB) avec l'electronique de numerisation, de repartition et de synchronisation des donnees, developpee conjointement par l'IP2I et l'Institut Neel. Les HEMT ont ete couples a des detecteurs prototypes et ont permis d'obtenir des resolutions en voie ionisation de 41 eVee, sans que l'electronique et le cablage ne soient entierement optimises. Cela constitue la meilleure performance mondiale obtenue sur des detecteurs cryogeniques en germanium. Les pistes d'optimisation sont bien definies pour atteindre l'objectif de 20 eVee. Les performances en voie chaleur sont limitees a environ 60 eV. Un large bruit en exces a ete identifie mais n'a pu etre regle dans le cadre de cette these. Des scenarios d'explications possibles ont ete definis et devront etre testes. Les signaux chaleur seront lus par une electronique plus classique, a base de Si-JFET, pendant la premiere phase de RICOCHET. (auteur)
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Additional titles
- Original title (French)
- Etude d'une electronique HEMT couplee a des detecteurs cryogeniques pour l'experience Ricochet
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 221 p.
- Report number
- FRNC-TH--14326
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54054421
- Subject category
- S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- AMPLIFIERS; ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTERS; BOLOMETERS; CRYOSTATS; ELASTIC SCATTERING; ELECTRODES; ENERGY RESOLUTION; FREQUENCY DEPENDENCE; GAIN; GE SEMICONDUCTOR DETECTORS; IONIZATION; PARTICLE DISCRIMINATION; READOUT SYSTEMS; RECOILS; SENSITIVITY; SIGNAL-TO-NOISE RATIO; SPECTRAL DENSITY; TEMPERATURE DEPENDENCE; TRANSISTORS
- Descriptors DEC
- AMPLIFICATION; CONTROL EQUIPMENT; DIMENSIONLESS NUMBERS; ELECTRONIC EQUIPMENT; EQUIPMENT; FUNCTIONS; MEASURING INSTRUMENTS; PARTICLE IDENTIFICATION; RADIATION DETECTORS; RESOLUTION; SCATTERING; SEMICONDUCTOR DETECTORS; SEMICONDUCTOR DEVICES; SPECTRAL FUNCTIONS; THERMOSTATS
Optional Information
- Notes
- 148 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses