Development of Cryogenic Electronics for Dual-phase Liquid-Ar TPCs

• Project Area: Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos
• Project/Area Number: 21H00084
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 岸下 徹一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (80789165)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 液体アルゴンTPC / ASIC / ニュートリノ実験 / エレクトロニクス / 低温 / CMOS / TPC

Outline of Research at the Start

本研究では、ニュートリノ実験用の次世代大型液体アルゴンTPCの早期実現を目的として、87 Kという液体アルゴン温度で動作するcryogenic electronicsを自分たちの手で設計・開発できる環境を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、ニュートリノ実験への応用を目指して、液体アルゴン温度で動作するcryogenic electronicsの開発を行うことである。令和4年度の研究では、液体アルゴンTPC用の実機読み出し回路として、信号増幅回路などのアナログ回路だけでなく、メモリを含むデジタル回路と組み合わせたアナログ・デジタル混載型フロントASICを製作した。実際の回路設計では、KEKにある小型液体アルゴンTPCを読み出すことを想定して、外部トリガー信号や連続読み出しにも対応できる機能を追加した。また令和3年までの研究で使用したSilterra社の180 nm CMOSプロセスが利用できなくなったため、代替プロセスとしてTSMC社の180 nm CMOSプロセスを使用して設計を行なっているが、プロセスマイグレーションでアナログ性能が劣化しないように、回路シミュレータを用いて２つのプロセスでトランジスタパラメータの違いが雑音性能にどのように影響するかを詳細に検討し、低温環境におけるトランジスタの閾値電圧の変化にも耐えうるような仕様としている。それと並行してトランジスタ単体の電流・電圧特性をTSMC社のプロセスでも調査するためのテストチップを試作した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Performance study of a 3×1×1 m³ dual phase liquid Argon Time Projection Chamber exposed to cosmic rays (2021)
  • Author(s): Aimard B. et al.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 16 Issue: 08 Pages: P08063-P08063
  • DOI: 10.1088/1748-0221/16/08/p08063
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 位置有感生体組織等価比例計数箱 PS-TEPCの小型軽量モデルの開発 (2023)
  • Author(s): 窪田 雅弓
  • Organizer: 応用物理学会
• [Presentation] LTARS搭載の信号読み出しボードの開発～GRAMS実験への応用～ (2022)
  • Author(s): 清水 虎冴
  • Organizer: MPGD & Active媒質TPC2022研究会
• [Presentation] 次世代液体アルゴンTPC用信号読み出しエレクトロニクスの開発 (2022)
  • Author(s): 壽 和幸
  • Organizer: MPGD & Active媒質TPC2022研究会
• [Presentation] ニュートリノ実験に向けた液体アルゴンTPC用コールドエレクトロニクスの開発 (2022)
  • Author(s): 岸下徹一
  • Organizer: 日本物理学会2022年春季大会
• [Presentation] Development of Low Temperature Analog Readout (LTARS2018) for LAr-TPC (2021)
  • Author(s): Takuto Kosaka
  • Organizer: TIPP2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 液体アルゴンTPC用信号エレクトロニクスの低温性能向上のための開発 (2021)
  • Author(s): 小坂琢人
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会