Characterization of CRYO ASIC for charge readout in the nEXO experiment

Resumo Técnico: Caracterização do CRYO ASIC para Leitura de Carga no Experimento nEXO

Definição do Problema
O experimento nEXO é uma proposta de busca de próxima geração para a dupla desintegração beta sem neutrinos ($0\nu\beta\beta$) do $^{136}$Xe, utilizando uma câmara de projeção temporal (TPC) de escala de tonelada com xenônio líquido (LXe). Um requisito crítico para o experimento é um sistema de leitura de carga capaz de atingir uma resolução de energia global melhor que 1% no valor de $Q_{\beta\beta}$ de 2,458 MeV, mantendo simultaneamente uma radioatividade extremamente baixa e permitindo a reconstrução de posição em escala milimétrica. Para atender a esses objetivos, a eletrônica de leitura deve ser colocada diretamente no LXe para minimizar a capacitância de entrada e o ruído de captação. O sistema requer a digitalização de 3.580 canais independentes com resolução de tempo na escala de microssegundos, mantendo o ruído eletrônico abaixo de 150 elétrons equivalentes ($e^-$). O desafio reside no desenvolvimento de um circuito integrado de aplicação específica (ASIC) criogênico customizado que possa operar de forma estável no LXe, gerenciar a dissipação de calor sem induzir ebulição e manter baixo ruído e alta estabilidade de ganho por longos períodos.

Metodologia
Os autores caracterizaram o primeiro protótipo do CRYO ASIC, um digitalizador de forma de onda System-on-Chip (SoC) implementado no processo CMOS de 130 nm da TSMC. O ASIC apresenta 64 canais de entrada, cada um amostrado a 2 MSPS com resolução de 12 bits, e inclui regulação de suprimento on-chip e um sistema de pulso interno para calibração in-situ.

A metodologia de teste envolveu dois setups primários:

1. Câmara Ambiental Criogênica: Um ambiente de gás nitrogênio seco a 160 K foi utilizado para testar a funcionalidade, estabilidade de ganho e desempenho de ruído do ASIC sem as complicações da imersão em líquido. Duas placas de teste foram utilizadas: uma "Placa Fria" (Cold Board) para teste de chip único e uma Placa Mãe de Front-End (FEMB) para operação simultânea de chips duplos. Ambas as placas foram carregadas com capacitores cerâmicos C0G (22 pF ou 39 pF) para simular a capacitância de entrada do detector.
2. Stand de Teste de LXe: Um stand de teste dedicado na UC San Diego, consistindo em uma câmara interna de LXe submersa em um criostato de HFE-7000, foi usado para avaliar o desempenho do ASIC diretamente em xenônio líquido. O sistema foi monitorado via câmera e sensores de temperatura/pressão.

As variáveis experimentais principais incluíram a variação do tempo de pico (0,6 $\mu$s a 3,6 $\mu$s) e configurações de ganho, com foco na configuração de ganho de 28,6 mV/fC e tempo de pico de 1,2 $\mu$s. O estudo investigou especificamente o início da ebulição por nucleação causado pela dissipação de calor do ASIC e a eficácia da pressurização como estratégia de mitigação.

Principais Contribuições e Resultados

• Estabilidade Criogênica e Calibração: No ambiente de nitrogênio a 160 K, o CRYO ASIC demonstrou operação estável. Durante um intervalo de 14 horas, as variações de resposta relativa para quase todos os canais permaneceram abaixo de 0,2%. O sistema de pulso interno mostrou ser capaz de rastrear as variações de ganho de um sinal de referência externo com alta fidelidade, validando seu uso para calibração periódica in-situ.
• Mitigação de Ebulição: A operação inicial em LXe a ~0,095 MPa e 170,45 K resultou em ebulição visível ao redor do ASIC, o que correlacionou com o aumento do ruído na densidade espectral de potência. Ao aplicar aquecimento localizado ao flange superior para elevar a pressão da câmara para ~0,104 MPa (enquanto minimizava as mudanças de temperatura global), a ebulição foi suprimida. Os autores observam que o nEXO planeja operar a ~0,15 MPa, sugerindo que a ebulição não será um problema sob as condições finais do detector.
• Desempenho de Ruído: As medições de ruído em LXe (nas pressões que suprimem a ebulição) mostraram concordância com as simulações de projeto.
  • Para uma capacitância de carga de 22 pF (representativa dos canais do banco superior), o Carga de Ruído Equivalente (ENC) medido foi de aproximadamente 156 $e^-$ com um tempo de pico de 1,2 $\mu$s.
  • Para uma carga de 39 pF (banco inferior), o ENC foi maior, consistente com as tendências de simulação.
  • Extrapolando para a capacitância estimada do tile de carga do nEXO de 18,2 pF, o ENC esperado é de aproximadamente 137 $e^-$.
• Concordância de Simulação: Os valores medidos de densidade espectral de potência de ruído e ENC em LXe alinharam-se bem com os modelos de simulação, confirmando a validade das premissas de projeto.

Significância e Alegações
O artigo estabelece o CRYO ASIC como uma solução viável de leitura de carga em LXe de baixo ruído para o experimento nEXO. Os resultados demonstram que o ASIC alcança operação estável e estabilidade de ganho (<0,2% de variação) quando operado diretamente em LXe. Além disso, o estudo confirma que a dissipação de calor do ASIC pode ser gerenciada através da pressurização do sistema para evitar o ruído induzido pela ebulição. Crucialmente, a concordância entre o ruído medido em LXe e a simulação indica que o requisito de projeto de 150 $e^-$ pode ser satisfeito, particularmente quando extrapolado para a capacitância de carga esperada do nEXO. Esses achados validam a viabilidade da arquitetura de leitura proposta in-LXe. Trabalhos futuros envolverão o teste dos ASICs acoplados a tiles de sensores para leitura de carga de ionização, bem como testes de integração com cabos radiopuros e montagens mecânicas necessárias para o implante no experimento nEXO.