Development and characterization of novel electronics for the search of dark matter for DAMIC-M
Développement et caractérisation d'une nouvelle électronique pour la recherche de matière noire pour DAMIC-M
Résumé
There is plenty of astrophysical and cosmological evidence for the existence of dark matter. The DAMIC-M experiment is devoted to the search for light dark matter and other hidden sector candidates, through their direct interaction with the electrons or the nucleus of silicon atoms in the bulk of scientific-grade Charge-Coupled Devices (CCDs). A kilogram-sized target mass will be installed at the Modane underground laboratory which offers an excellent low background environment for such a rare-event search. One of the key features of the DAMIC-M detectors is the skipper readout, which allows for multiple non-destructive pixel charge measurements, reaching a readout noise of a fraction of an electron. This exquisite ability in terms of readout resolution can be limited by the radioactive background and the noise introduced by the external electronics. To support this undertaking a new custom acquisition system is developed by the collaboration. This thesis describes the advancements in the three main modules I contributed to, that compose the new system. A control board provides the necessary signals to the CCD that allow the exposure of the device, the transfer of the pixel charge to a readout amplifier, and its conversion to an analog signal. A front-end amplifier improves the signal-to-noise ratio and preprocesses the CCD output signal, and an analog-to-digital converter performs the transition to the digital domain. The new electronics are not yet ready but there has been much progress towards a complete acquisition system. Tests with several individual pieces have been successfully tested with CCDs as well as a preliminary version of a pure DAMIC-M system.
L'expérience DAMIC-M est consacrée à la recherche de matière noire légère et d'autres candidats du secteur caché, par leur interaction directe avec les atomes de silicium dans la masse des dispositifs à transfert de charges (CCD). Une masse cible de la taille d'un kilogramme sera installée au laboratoire souterrain de Modane qui offre un environnement à faible bruit de fond, excellent pour une recherche d'événements rares. L'une des principales caractéristiques des détecteurs DAMIC-M est la lecture du skipper, qui permet de multiples mesures, non destructives, de la charge d'un pixel, atteignant un bruit de lecture d'une fraction d'électron. Cette capacité exceptionnelle de lecture peut être limitée par le fond radioactif et le bruit introduit par l'électronique externe. Pour soutenir cette entreprise, un nouveau système d'acquisition personnalisé est développé par la collaboration. Cette thèse décrit les avancées dans les trois principaux modules de ce système auxquels j'ai contribué. Une carte de contrôle fournit les signaux nécessaires au CCD qui permettent l'exposition de l'appareil, le transfert de la charge du pixel à un amplificateur de lecture et sa conversion en signal analogique. Un amplificateur frontal améliore le rapport signal sur bruit et traite en amont le signal de sortie du CCD, et un convertisseur analogique-numérique effectue la transition vers les valeurs numériques. La nouvelle électronique n'est pas encore prête mais il y a eu un progrès significatif vers un système d'acquisition complet. Des tests avec plusieurs pièces individuelles ont été effectué sur des CCD avec succès ainsi qu'avec une version préliminaire d'un système DAMIC-M pur.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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