Darkside costruisce il primo Photo-Detector Module di grande area basato sui SiPM

Durante la XLIX riunione del Comitato Scientifico dei LNGS, che si è svolta dal 26 al 27 marzo 2018, il gruppo della foto-elettronica dell’esperimento DarkSide ha annunciato la costruzione del primo PDM (Photo-Detector Module). Questo dispositivo coniuga lo stato dell’arte dei fotomoltiplicatori al Silicio, Silicon Photo Multiplier (SiPM), con un’elettronica criogenica a bassissimo rumore.
Ciascun PDM, realizzato con componenti ad alta radiopurezza, è costituito da 24 SiPM ed ha un'area totale di circa 24 cm2. Le varie parti che costituiscono il PDM sono assemblate con una struttura meccanica a bassa radioatività, realizzata in acrilico.
Questo primo modulo è il frutto di un lungo R&D svolto dal gruppo della foto-elettronica di DarkSide, costituito da oltre 30 ricercatori provenienti da istituti di ricerca italiani, canadesi e statunitensi. Per l’INFN sono coinvolte le sezioni di Bologna, Cagliari, LNGS, Milano, Napoli, Pisa,Tifpa e Torino. I SiPM sono stati prodotti da FBK ed il bonding è stato eseguito da ricercatori dell’Università di Princeton e dei LNGS.
Il PDM è il primo building-block del sistema di fotosensori di DarkSide-20k. Il rivelatore prevede oltre 5000 di questo moduli, il cui packaging sarà effettuato a NOA, la nuova facility in via di realizzazione ai LNGS. I risultati preliminari mostrano un Signal-to-Noise ratio ottenuto con questo primo PDM maggiore di 24 (vedi figura) e una risoluzione temporale pari a 3.5 ns, entrambi migliori di un fattore 3 rispetto alle specifiche di Darkside-20k.
La TPC da 20 tonnellate di Argon Liquido di Darkside-20k prevede una superficie fotosensibile di 14 m2, realizzata con oltre 125,000 SiPM. Per limitare il numero di canali di elettronica è necessario che ciascun PDM sia letto con un singolo canale. La principale difficoltà è dovuta all’alta capacità dei SiPM, pari a circa 50 pF/mm2, che rende problematica la lettura di aree di alcune decine di centimetri quadrati.
Si tratta di un'elettronica innovativa capace di gestire a temperature criogeniche grandi superfici fotosensibili con livelli di rumore elettronico senza precedenti.
La sezione INFN di Bologna ha la responsabilità del coordinamento della foto-elettronica ed è impegnata in diverse attività: la progettazione e la realizzazione della struttura in rame (motherboard) che fissa i 25 PDM, dei tool necessari per il montaggio dei PDM e delle strutture meccaniche necessarie al trasporto dei PDM e delle motherboard.
Per quanto riguarda l’elettronica la nostra sezione ha la responsabilità della progettazione del PCB sul quale vengono montati i SiPM (bonding), basato su un substrato a bassa radioattività, e il disegno del PCB per il routing dei segnali differenziali, delle basse tensioni e dei segnali di on/off degli amplificatori. Il laboratorio di elettronica di Bologna ha inoltre implementato con successo nelle FPGA il filtro digitale necessario per aumentare il SNR del segnale dei SiPM.
Il prossimo obiettivo sarà la costruzione di una motherboard equipaggiata con 25 PDM, da utilizzare nel prototipo da una tonnellata di Argon Liquido.