CATIROC

Même si les neutrinos ont été découverts il y a plus d’un demi-siècle, la physique des neutrinos est encore l’un des domaines les plus actifs en physique. Une mesure précise des oscillations des neutrinos et de l’ordre de masse des neutrinos exige une large surface de détection et des performances complexes pour les nouvelles expériences. Des expériences multi-tonnes utilisant des milliers de tubes photomultiplicateurs (PMT) sont actuellement en cours de conception et de construction (par exemple, JUNO en Chine, HyperK au Japon,...). Pour ces expériences, des systèmes de lecture flexibles avec une réponse rapide, haute performance en mesure de charge et du temps avec un flux de données compact deviennent de plus en plus cruciaux.

CATIROC (Charge And Time Integrated Read Out Chip), un chip à 16 canaux, a été conçu par le laboratoire OMEGA en AustriaMicroSystems (AMS) dans la technologie SiGe 0,35 µm pour lire les PMT pour ces applications à grande échelle. Afin de faciliter l’intégration de la lecture et de réduire les coûts, la grande surface de photo-détection peut être segmentée en macropixels qui correspondent à une matrice de PMT avec une seule électronique de lecture. Dans ce but, CATIROC est conçu comme un SoC (System on Chip) qui traite les 16 signaux analogiques jusqu’à la numérisation pour réduire le coût et le nombre de câbles.

L’ASIC est composé de 16 canaux indépendants qui fonctionnent en mode « auto-déclenchement ». Chaque canal auto-déclenche sur le photoélectron unique et peut traiter un taux de bruit de 20 kHz Poissonien/canal. Il fournit une mesure de charge sur une plage allant de 160 fC (1 p.e. à un gain PMT de 10 6) à 70 pC (~400 p.e.). Chaque canal fournit également une mesure de temps avec une précision de 500 ps (200 ps rms). Un réglage du gain par canal (sur 8 bits) permet de compenser la non-uniformité des 16 PMT fonctionnant à la même haute tension. En fonctionnement normal, une seule ligne de données numériques, fonctionnant à 160 MHz, sort mais les 16 discriminateurs et filtres analogiques sont également disponibles pour d’autres utilisations.

L’ASIC, produit en 2015 dans une première version et en 2018 dans une deuxième version avec peu d’améliorations, présente de très bonnes performances :

- une capacité de déclenchement entièrement automatique à 50 fC (1/3 de photoélectron au gain PMT 106)

- une plage dynamique de charge jusqu’à 70 pC avec des résidus inférieurs à 0,7%

- Résolution temporelle inférieure à 500 ps avec une valeur rms de 167 ps

Ce ASIC peut être utilisé pour de nombreuses expériences internationales de détection de neutrinos avec des détecteurs multi-tonnes et sera mis en œuvre dans la carte de lecture (8 CATIROCs) du système SPMT (petit PMT) du projet JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) en construction dans le sud de la Chine.