Electrónica distribuida de bajo ruido para la lectura de múltiples sensores CCDs

Abstract

Este trabajo presenta el diseño e implementación de un sistema de lectura escalable para un detector basado en dispositivos de carga acoplada tipo Skipper (Skipper-CCDs) con una alta cantidad de sensores para la búsqueda de materia oscura liviana en el experimento OSCURA. Este tipo de electrónica de instrumentación, adecuada para la escalabilidad a miles de Skipper-CCDs con mínimos niveles de ruido y recuento de componentes, no estaba disponible previamente. La electrónica de lectura se diseñó siguiendo una arquitectura de sistema de lectura distribuido basada en procesamiento analógico. En esta arquitectura, parte

de la electrónica se encuentra cerca de los sensores, seguida de etapas de multiplexación analógica para manejar un gran número de canales utilizando el menor número posible de convertidores analógico a digital. Esta electrónica de lectura logra la compatibilidad con detectores de miles de sensores aprovechando la capacidad de los Skipper-CCDs para alcanzar niveles de ruido muy bajos mediante el promediado de múltiples lecturas de cada píxel. El desarrollo incluyó el diseño y la fabricación de prototipos del empaquetado que agrupar 16 sensores por módulo, con el objetivo de aumentar rápidamente el número de sensores por módulo instalado y, al mismo tiempo, cumplir con los requisitos de pureza radioquímica de los materiales utilizados. El experimento OSCURA apunta a tener una sensibilidad sin precedentes a la materia oscura liviana y esto conlleva, además de la electrónica y empaquetado, otros grandes desafíos como garantizar una producción en masa de sensores, idear métodos efectivos de ensamblaje, pruebas, integración y refrigeración para una gran cantidad sensores, entre otros. Se presenta paso a paso la descripción de la aplicación y el desarrollo, que incluyen el diseño conceptual de la arquitectura, simulaciones, diseño, fabricación y pruebas tanto para la electrónica de lectura como para el empaquetado. El trabajo concluye mostrando en detalle un prototipo donde se implementa cada uno de los desarrollos descritos.

This work presents the design and implementation of a scalable readout system for a high-sensor-count detector based on Skipper-type Charge-Coupled Devices (Skipper-CCDs) for the search of light dark matter in the OSCURA experiment. This type of instrumentation electronics, suitable for scaling to thousands of Skipper-CCDs with minimum noise and component counts, was not previously available. The readout electronics were designed following a distributed system

architecture based on analog processing. In this architecture, part of the electronics is located near the sensors, followed by stages of analog multiplexing to handle a large number of channels using the least possible number of analog-to-digital converters. This readout electronics achieves compatibility with detectors of thousands of sensors, taking advantage of the Skipper-CCDs’ ability to achieve very low noise levels by averaging multiple readings of each pixel. The OSCURA experiment aims to achieve unprecedented sensitivity to light dark matter. In addition to the challenges related to electronics and packaging, there are other significant hurdles, such as ensuring mass production of sensors, devising effective assembly methods, conducting thorough testing, integrating a large number of sensors, and managing the cooling system, among other considerations The development included the design and fabrication of packaging prototypes that group 16 sensors per module, aiming to quickly increase the number of sen- sors per installed module while meeting the radiochemical purity requirements of the materials used. The description of the application and development is presen- ted step by step, including the conceptual design of the architecture, simulations, design, fabrication, and testing for both reading electronics and packaging. The work concludes by detailing a prototype where each of the developments described is implemented.