Développement et caractérisation d'un ASIC de lecture de macro-cellule de photo-détecteurs de grande dimension
Résumé
PMm² is a project funded for three years by the French National Agency for Research (ANR) with the complete title: “Innovative electronics for photo-detectors array used in high energy physics and astroparticles”. The R&D is carried out by three laboratories: the LAL, the IPN Orsay, the LAPP and collaboration with the Université Libre de Bruxelles (ULB). The coverage of large areas of photo-detection is a crucial element of experiments studying high energy atmospheric cosmic showers and neutrinos from different sources (sun, atmospheric, supernova, reactor and accelerator). The next generation of experiments, such as the post-Super-Kamiokande detector or all the Water Cerenkov detector of large dimensions, could not base their programs only on a simple enlargement of existing experiments to improve the detection performance but they must concentrate their efforts on the new R&D programs of complexity reduction. The objective of this project is thus an "upstream research" to realize big detectors using thousands of photomultipliers (PMTs). The project proposes to segment the large surface of photo-detection into macro pixels consisting of an array of 16 PMTs of 12-inches (2*2 m²), connected to an autonomous front-end electronics which works in a triggerless data acquisition mode placed near the array. This is possible thanks to the microelectronics progress that allows to integrate the readout and the signal processing, of all the photomultipliers, in the same circuit (ASIC) named PARISROC (Photomultiplier ARray Integrated in SiGe Read Out Chip). The ASIC must only send out the digital data by network to the surface central data storage. The PARISROC Chip, made in AMS' Silicon Germanium (SiGe) 0.35 µm technology, integrates 16 independent channels for each PMTs of the array, providing charge and time measurements. The charge channel is made by a voltage preamplifier and a slow shaper (up to 200 ns) to shape the input signal. The signal is then saved in the analog memory and converted to digital data thanks to an internal ADC (Analog to Digital Converter). The time channel is made by a fast shaper (15 ns) followed by a discriminator. Thanks to a TDC (Time to Digital Converter), that converts the amplitude in time, the signal is saved in the analog memory, in parallel with the charge, and converted to digital data by the ADC. One innovation is the digital part of PARISROC included in the ASIC to manage the counters, the signal sampling, their conversions and the data transmission. The first prototype of PARISROC chip has a total surface of 19 mm². It has been sent for fabrication in June 2008 to AMS foundry (AustriaMicroSystems) through the CMP (Multi Project Center) and received in December 2008. The ASIC measurements have led to the realization of a second prototype. Important measurements were brought in terms of noise, dynamic range, readout frequency (from 10 MHz to 40 MHz), time measurements (TDC improvements) and charge measurements (Slow shaper improvements). Sent for fabrication in November 2009 and received in February 2010, this new prototype PARISROC 2 has been tested and the characterisation has shown a good overall behavior and the verification of the improvements.
PMm² est un projet financé pour 3 ans (2007-2010) par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) dont le titre exact est “Electronique innovante pour photo-détecteurs distribués en physique des particules et astroparticule”. Le projet regroupe les partenaires suivants: le LAL, l'IPN Orsay, le LAPP et une collaboration avec l'Université libre de Bruxelles (ULB). La couverture de très grandes surfaces de photo-détection est un élément essentiel des dispositifs expérimentaux dévolus aux études des gerbes atmosphériques de grande énergie, des neutrinos de différentes sources (soleil, atmosphérique, supernova, réacteurs, accélérateurs). La prochaine génération d'expériences, comme l'après Super-Kamiokande ou tous les détecteurs Cerenkov à eau de très grande taille, ne pourront plus baser leur construction seulement sur un simple agrandissement des expériences existantes, pour améliorer les performances de détection. Ils doivent concentrer leurs efforts de R&D sur la réduction de la complexité. L'objectif de ce projet est donc une “recherche amont” en vue de facilité la réalisation de grands détecteurs utilisant des milliers de photomultiplicateurs (PMTs). Le projet PMm² propose de segmenter les grandes surfaces de photo-détection en “macro modules” de 16 PMTs de 12-inch (2x2 m²), connectés à une électronique innovante autonome qui fonctionne en déclenchement automatique et est installée proche des PMTs. Ce développement est rendu possible par les progrès de la microélectronique qui permettent d'intégrer la lecture et le traitement des signaux de tous ces photomultiplicateurs à l'intérieur d'un même circuit intégré (ASIC) baptisé PARISROC (Photomultiplier ARray Integrated in SiGe Read Out Chip) et seules les données numérisées sont ensuite transmises par réseau vers le système de stockage des données en surface. Le circuit PARISROC, réalisé en technologie AMS SiGe 0.35 μm, contient 16 voies totalement indépendantes correspondant aux 16 PMTs de chaque module. Chacune de ces voies permet la lecture de la charge du signal reçu ainsi que du temps associé. La voie pour la mesure de charge est réalisée par un préamplificateur de tension et un “shaper” lent (200 ns) qui permet de mettre en forme le signal. Le signal obtenu est ensuite stocké dans une mémoire analogique, avant d'être converti en signaux numériques grâce à un convertisseur analogique numérique (ADC). La voie pour la mesure de temps est, quant à elle, réalisée à partir du même préamplificateur suivi d'un “shaper” rapide (15ns) et d'un discriminateur. Grâce à un système de TDC (Time to Digital Converter) qui permet de convertir l'amplitude en temps, la mesure de temps est stockée dans une mémoire analogique, en parallèle de la charge, avant d'être convertie en signaux numériques. Une des innovations de PARISROC, est la partie numérique compilée, incluse dans l'ASIC pour gérer les compteurs, l'échantillonnage des signaux, leur conversion ainsi que la transmission des données. Le premier prototype du circuit PARISROC a une surface totale de 19 mm2. Il a été envoyé en fabrication en juin 2008 chez Austrian Micro-System (AMS) par l'intermédiaire du centre de multi-projet CMP (à Grenoble), puis livré au laboratoire en décembre 2008. Les mesures effectuées sur l'ASIC ont conduit à la réalisation d'un second prototype. Des améliorations notables ont été apportées, en termes de bruit, de dynamique, de vitesse de lecture du circuit (augmentation des horloges de 10 MHz à 40 MHz), de mesure de temps (améliorations de la TDC), de mesure de charge (améliorations du “shaper” lent). Envoyé en fabrication en novembre 2009 et reçu au laboratoire en février 2010, ce nouveau prototype PARISROC 2 a été testé en laboratoire et l'analyse a montré un comportement répondant aux besoins du projet et la réalisation des modifications apportées.