Characterization of VUV4 SiPM for liquid argon detector

Abstract

Silicon photomultiplier (SiPM), a new type of photosensor, is considered a substitute for traditional photomultiplier tube (PMT) in the next generation of dark matter and neutrino detectors, especially in noble gas detectors like liquid argon. However, the design of compact SiPM arrays and their cryogenic electronics that can work in liquid argon is barely developed. Thus, two candidate SiPM arrays from Hamamatsu and Onsemi were selected to verify the feasibility and effectiveness of the design. In this work, we successfully developed a cryogenic electronics read-out system that connects and works with 1-inch 4×4 SiPM arrays at 87 K. The power dissipation of amplifiers is less than 10 µW/mm 2 . Furthermore, multiply significant characteristics of both types of SiPM arrays were measured at liquid argon temperature, such as dark count rate (DCR), breakdown voltage (V bd ), single photoelectron (SPE) performance, signal to noise ratio (SNR) and correlated signal probability.

The estimation of n/$γ$ pulse shape discrimination capability of liquid argon scintillator with SiPM arrays contrast to PMTs

“…A cryogenic system was built for single photoelectron measurement at liquid argon temperature and the detail of the relevant experimental setup can be found in Ref. [17]. The SiPM array showed an excellent performance of the SPE energy resolution as expected and Fig.…”

“…A pre-amplifier (LMH6629) was used for amplifying signals from SiPM outputs in cryogenic environment. Our previous work [17] demonstrated the stability of the pre-amplifier at liquid argon temperature , although the datasheet claimed -40°C minimum operating temperature [18]. A readout circuit board and the connector of SiPM array are shown in the right side of Fig.…”

Application and development of liquid argon detector in rare event detection

“…LEGEND 实验组由 GERDA 实验组和 MAJORANA 实验组合并而成。这两个实验组 图 5 GERDAⅡ期实验装置图 [46] 是一种 p 型点电极高纯锗探测器，质量约 994 g，直径和高度均为 62 mm [51] ，探 测器外安装 NaI 闪烁体探测器作为反符合装置。CDEX 实验组利用 CDEX-1 探测器 给出了中国第一个基于 76 Ge 的无中微子双贝塔衰变的结果 [51] ，除此以外，也得到 了一些暗物质探测的结果 [52,53,54] 。 之后 CDEX 设计建造了 CDEX-10 探测器， CDEX-10 是在 CDEX-1 基础上，将 CDEX-1 所用高纯锗晶体串成阵列，一共包含 3 个阵列， 每个阵列包含三个锗晶体。CDEX-10 探测器用 20 cm 厚的高纯无氧铜包围，然后 整体浸在液氮中采集数据 [55] 。目前还在利用 CDEX-10 探测器采集的实验数据进行 分析工作，已经给出了暗物质探测相关的数据分析结果 [55,56] 。接下来 CDEX 实验组 计划开展 CDEX-50 和 CDEX-300项目分别继续开展暗物质探测和无中微子双贝塔 衰变搜索。其中 CDEX-300计划使用 225 kg 的宽能锗探测器进行无中微子双贝塔 衰变搜索，预计将 76 Ge 的无中微子双贝塔衰变的半衰期下限提升到 10 27 年的数量 级 [57] 。CDEX-300相较之前的的实验将作出大量升级，除了采用宽能锗探测器、 完善脉冲形状甄别技术等改进之外，最重要的是将加入液氩反符合系统，从而进 一步降低实验的本底水平 [57] 。 PandaX 实验组使用两相氙投影室来探测暗物质以及寻找 136 Xe 的无中微子双 贝塔衰变。他们首先建造了 PandaX-Ⅰ探测器，这是基于两相氙的时间投影室， 探测器内包含 120 kg 的液氙 [58] 。他们利用 PandaX-Ⅰ获得了初步的暗物质探测结 果 [58] 。之后 PandaX 实验组将探测器升级为 PandaX-Ⅱ，在 PandaX-Ⅰ的基础上将 液氙的质量增加到 580 kg [59] 。获得了中国第一个 136 Xe 的无中微子双贝塔衰变的 结果 [59] ，同时获得了暗物质探测的一些结果 [60] 。最近，PandaX 实验组再一次将探 测器升级为 PandaX-4T，探测器相比之前的整体尺寸扩大，而液氙的质量也增加 到 3.7 t [61] 。目前已经对 PandaX-4T 探测器进行了试运行，并获得了初步的暗物 质探测结果 [61] 。 未来他们将利用 PandaX-4T 探测器给出更好的暗物质探测的结果。 除此以外，他们还设计了 PandaX-Ⅲ探测器，希望用高压氙气投影室进行 136 Xe 的 无中微子双贝塔衰变搜索 [62] 。第一阶段计划使用 200 kg 的氙气，后续考虑升级 为吨级实验。目前已经完成了 20 kg 样机的建造，并获得了初步的的测试结果， 预计很快就会进入物理数据采集阶段 [62] 果进行了模拟，模拟结果表明除了 39 Ar和 85 Kr产生的本底外，液氩反符合系统使其 它本底计数降低到原来的三分之一左右，抑制效果十分明显 [64] 。 除了对液氩反符合系统的反符合效率模拟外，项目组还对氩闪烁光信号的读 出系统进行了测试 [65,66] 。 该项目计划使用 SiPM 来读出氩闪烁光信号， 因此对 SiPM 39 Ar 的衰变的连续谱对于暗物质探测影响较大。 39 Ar 是宇生核素，故在大气中提取的氩中 39 Ar 含量较高，大气氩中 39 Ar 的比活度约 1 Bq/kg [31] 。而采用地下氩可以尽量避免 40 Ar 与宇宙线发生反应，从而大幅减少 39 Ar 本底。目前 DarkSide 实验组已经建立了从提取，到纯化，再到氩同位素分离的 完整的地下氩生产流程。使用的 UAr 不仅本身的氩纯度较高，而且对…”

Why would you put a flashlight in a dark matter detector?

“…Indeed, calibration of external crosstalk is not possible at the single-device level, and can only be measured by other devices within the particle detector system. While numerous groups have studied internal crosstalk [9,10,12,13], limited attention [11,14,15] has been given to studies of external crosstalk between devices within a larger detector.…”