Etude d’une électronique HEMT couplée à des détecteurs cryogéniques pour l’expérience Ricochet

Study of HEMT electronics coupled to cryogenic detectors for the RICOCHET experiment

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Filippini
• Direction : Corinne Augier, Alexandre Juillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des astroparticules
• Date : Soutenance le 29/06/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Dany Davesne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Augier, Alexandre Juillard, Alessandro Monfardini, Claudia Nones, Yong Jin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandro Monfardini, Claudia Nones

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs cryogéniques

Mesure

Neutrinos -- Interactions

Innovation

Appareils et matériel

Instruments

Astrophysique

Mots clés libres

CENNS

Détecteur cryogénique

Electronique froide

HEMT

Instrumentation bas bruit

RICOCHET

CENNS

Cold electronics

Cryogenic detector

HEMT

Low noise instrumentation

RICOCHET

Résumé

Les détecteurs cryogéniques en germanium à double mesure de l’ionisation et de la chaleur permettent d’identifier le type de recul provoqué lors d’une interaction. Placés dans un cryostat à dilution, optimisé pour sa basse radioactivité et entouré de blindages plomb et polyéthylène adaptés aux objectifs scientifiques, ils peuvent être utilisés comme détecteurs d’événements rares. Les bolomètres de l'expérience RICOCHET serviront à mesurer l’interaction des neutrinos par diffusion élastique cohérente neutrino-noyau (CENNS), en discriminant les reculs de noyaux induits par ce processus, des reculs électroniques, dominants pour les bruits de fond. L’objectif de RICOCHET est de réaliser une mesure précise de l’interaction CENNS, de la comparer aux prédictions du Modèle Standard et de rechercher des signes de nouvelle physique. L'expérience utilisera 27 détecteurs en germanium de 38g (CryoCube) et 9 détecteurs de 32g en zinc supraconducteur (Q-Array), et sera installée à l'Institut Laue-Langevin (ILL), à 8 m du réacteur de recherche de 58 MW. Le flux d'antineutrinos de 10^12/(cm2.s) sur les détecteurs induira 15 interactions CENNS par jour sur le CryoCube. Les détecteurs de 38g du CryoCube sont produits par l’IJCLab. Ils sont basés sur une optimisation des détecteurs massifs (800g) de l'expérience EDELWEISS-III de recherche de matière noire. Cette optimisation a déjà permis d'obtenir des résolutions de 20 eV en voie chaleur et 200 eVee (équivalent-électron) pour la voie ionisation. L’objectif pour RICOCHET est d’atteindre un seuil en énergie de recul de 50 eV, correspondant à des résolutions de 10 eV chaleur et 20 eVee ionisation. Cette thèse a pour but d'atteindre ces résolutions, en utilisant une technologie de transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor), développée pour des utilisations à basse fréquence et très haute impédance par le laboratoire C2N du CNRS. L'avantage de cette technologie réside dans sa possibilité de fonctionnement à température < 4 K, permettant d'utiliser les HEMT proches des détecteurs, et réduisant fortement la longueur et la capacité parasite du câblage, avant le premier étage d’amplification traditionnellement composé de transistor Si-JFET fonctionnant autour de 120 K. Ce gain en capacité parasite améliore directement les performances en voie ionisation. Un modèle de bruit, basé sur les données HEMT du C2N à 4.2 K et sur les géométries de détecteurs optimisées pour RICOCHET, a été développé et montre que les objectifs sont atteignables pour des détecteurs de 38g et une capacité totale en entrée des HEMT réduite à 20 pF. Des mesures de gain et de bruit ont été effectuées, afin de mesurer les performances des HEMTS pour un large spectre de conditions de température et de dissipation, et contraindre leur utilisation dans la future expérience. L’homogénéité a été étudiée sur 25 transistors et a permis d’extrapoler sur la faisabilité pour RICOCHET d’utiliser jusqu’à 150 HEMT sur l’étage 1 K, déporté à seulement quelques cm des détecteurs. L’électronique de lecture et de polarisation sera couplée dans un même Boitier Bolomètre (BB) avec l’électronique de numérisation, de répartition et de synchronisation des données, développée conjointement par l’IP2I et l’Institut Néel. Les HEMT ont été couplés à des détecteurs prototypes et ont permis d’obtenir des résolutions en voie ionisation de 41 eVee, sans que l'électronique et le câblage ne soient entièrement optimisés. Cela constitue la meilleure performance mondiale obtenue sur des détecteurs cryogéniques en germanium. Les pistes d’optimisation sont bien définies pour atteindre l’objectif de 20 eVee. Les performances en voie chaleur sont limitées à environ 60 eV. Un large bruit en excès a été identifié mais n’a pu être réglé dans le cadre de cette thèse. Des scénarios d’explications possibles ont été définis et devront être testés. Les signaux chaleur seront lus par une électronique plus classique, à base de Si-JFET, pendant la première phase de RICOCHET.

Cryogenic germanium detectors with heat-and-ionization double readout are able to identify the nature of the recoil induced by an interaction. Running in a low radioactivity dilution fridge and surrounded by lead and polyethylene shieldings they can be used as rare events search detectors. The RICOCHET experiment bolometers will measure neutrinos interactions by the so-called CENNS process (Coherent Elastic Neutrino Nucleus Scattering). They will discriminate the nuclear recoils induced by this interaction from the electronic recoils dominating the background events. The RICOCHET goal is to perform a precision measurement of the CENNS process, to compare it with the Standard Model predictions and to search possible signs of new physics. The experimental payload will consist of 27 germanium detectors of 38g (CryoCube) and 9 superconducting zinc detector of 32g (Q-Array). The cryostat will be installed at the Institut Laue-Langevin (ILL), 8 meters away from the 58 MW research reactor. The antineutrino flux of 10^12/(cm2.s) at the detector level will induce 15 CENNS interactions per day on the CryoCube. The CryoCube detectors are produced by the IJCLab and are an optimization of the massive (800g) detectors developed for the EDELWEISS-III Dark Matter search experiment. This optimization already allowed to reach 20 eV resolution on the heat channel and 200 eVee (electron-equivalent) on the ionization channel. The goal is to reach a nuclear recoil threshold of 50 eV, corresponding to heat and ionization resolutions of 10 eV and 20 eVee, respectively. This thesis work aims at reaching those resolutions with the use of a High Electron Mobility Transistor (HEMT) technology developed by the C2N laboratory of CNRS for low frequency and high impedance applications. The HEMT are working at cryogenic temperatures below 4 K, which allows to use them close to the detectors. This reduces the total length and the stray capacitance of the cabling between the detectors and the first amplification stage, usually based on Si-JFET transistors working at about 120 K. Reducing the parasitic capacitance directly improves the ionization channel performance. A noise model, based on both 4.2 K HEMT data from C2N and optimized geometries for the RICOCHET detectors, has been developed. This model shows that the objectives are reachable for 38g detectors and a total input capacitance at the HEMT input reduced to 20 pF. HEMT performance, such as gain and noise, has been measured in various conditions of temperature and power dissipation to constrain their use in the future experiment. Homogeneity of the results has been studied on 25 transistors and extrapolated to demonstrate the feasibility for RICOCHET to use up to 150 HEMT cooled on a 1 K stage only few cm away from the detectors. The readout and bias electronics will be coupled to the digitization, repartition and synchronization parts in a Bolometer Box, jointly developed by IP2I and Institut Néel electronics groups. The HEMT have been coupled to prototype detectors and have already reached a resolution of 41 eVee on the ionization channel before final electronics and cabling optimization. This resolution is the best obtained so far worldwide on massive cryogenic germanium detectors. Further optimization steps are well defined to reach the 20 eVee goal. Heat performance is limited to 60 eV as of today. A large excess noise has been identified but not fixed during this thesis work. Possible explanations have been exposed and should be tested in future works. The heat channels will be readout by a more standard, Si-JFET based, cold electronics during the first phase of the RICOCHET experiment.