Centro Brasileiro de Pesquisas FísicasCentro Brasileiro de Pesquisas FísicasMestrado em Instrumentação CientíficaMestrado em Instrumentação Científica

Teste de componentes do Teste de componentes do sistema de veto de múons sistema de veto de múons

do Detector Neutrinos Angrado Detector Neutrinos Angra

Wallace Raposo FerreiraWallace Raposo Ferreira

Orientador: Dr. Mário Vaz da Silva FilhoOrientador: Dr. Mário Vaz da Silva Filho

Co-orientador: Dr. Luis M. Villaseñor Co-orientador: Dr. Luis M. Villaseñor CendejasCendejas

Sumário

1 - Introdução1 - Introdução

2 - Componentes e protótipo do sistema de veto 2 - Componentes e protótipo do sistema de veto de múonsde múons

3 - Sistema de teste de componentes do sistema 3 - Sistema de teste de componentes do sistema de veto de múonsde veto de múons

4 - Eletrônica do veto de múons4 - Eletrônica do veto de múons

5 - Resultados5 - Resultados

6 - Conclusão6 - Conclusão

1 - Introdução1 - Introdução

Motivação:Motivação:

Contribuir para o Projeto Neutrinos Angra: Contribuir para o Projeto Neutrinos Angra: detecção de antineutrinos em Angra II detecção de antineutrinos em Angra II

Múons cósmicos são fonte de ruído (1 Múons cósmicos são fonte de ruído (1 múon/cmmúon/cm2 2 s ao nível do mar), o que exige VETO.s ao nível do mar), o que exige VETO.

Base para desenvolvimento de eletrônica de Base para desenvolvimento de eletrônica de sinais típicos da física experimentalsinais típicos da física experimental

Espectro e Fluxo de Raios Cósmicos

O espectro de RC é mensurado em termos de energia, composição química e fluxo por altitude

Detecção de múons - técnicas

Câmaras de bolhas, emulsão fotográfica ou Câmaras de bolhas, emulsão fotográfica ou câmaras de Wilsoncâmaras de Wilson

Ionização de gases (Geiger-Muller, drift-Ionização de gases (Geiger-Muller, drift-chamber, proportional drift chamber, spark chamber, proportional drift chamber, spark chamber)chamber)

Detecção de luz Čerenkov em água ou Detecção de luz Čerenkov em água ou cintiladores líquidoscintiladores líquidos

Detecção de luz de fluorescência em plásticosDetecção de luz de fluorescência em plásticos

Double Chooz

Veto feito por dois detectores (inner/outer veto)Veto feito por dois detectores (inner/outer veto)

Outer veto usa placas e fibras tipo WLS de Outer veto usa placas e fibras tipo WLS de plásticos cintiladores, e tubos plásticos cintiladores, e tubos fotomultiplicadores de múltiplos anodos ou fotomultiplicadores de múltiplos anodos ou MAPMT (Multianode Photomultiplier Tube).MAPMT (Multianode Photomultiplier Tube).

Inner veto por tanque de cintilador líquido, luz Inner veto por tanque de cintilador líquido, luz Čerenkov observada por 78 PMT de 8".Čerenkov observada por 78 PMT de 8".

Detector Double Chooz

Detector Double Chooz

Detector Double Chooz

Neutrinos Angra - Detector

Detector de posição Planos X & Y

Cintilador FNAL & Fibra WLS

Fibra WLS - detalhe

Planos X&Y embutidos com a eletrônica

Detector de posição: X&Y ou TDC ?

Problema: geração de fantasmas, solucionado Problema: geração de fantasmas, solucionado com o uso de TDC (Time to Digital Converter)com o uso de TDC (Time to Digital Converter)

Determinação de posição por TDC

A resolução espacial é função da resolução A resolução espacial é função da resolução temporal : dt = dx / (0,6 * c ) = 140 ps para dx = temporal : dt = dx / (0,6 * c ) = 140 ps para dx = 5 cm5 cm

Utilizar a mesma fibra para duas ou mais placas Utilizar a mesma fibra para duas ou mais placas reduz à metade o número de MAPMTs, dentro reduz à metade o número de MAPMTs, dentro do limite do comprimento de atenuação da fibra.do limite do comprimento de atenuação da fibra.

TDC implementada em FPGA de baixo custo.TDC implementada em FPGA de baixo custo.

2 - Componentes do Sistema de veto

Placas cintiladorasPlacas cintiladoras

Fibras WLS Fibras WLS

Tubos fotomultiplicadores tipo MAPMTTubos fotomultiplicadores tipo MAPMT

Eletrônica de aquisição de dadosEletrônica de aquisição de dados

Luminescência

Processo que possibilita a emissão de fótons pelas placas e fibras cintiladoras

Fluorescência: tem as componentes rápidas da luminescência (Singlet states)

Envolve excitação de uma molécula em 10-15 s, seguida de uma relaxação (em ps) e em último a emissão de um fóton, em ns

Luminescência – Diagrama de Estados

Luminescência – Diagrama de Estados

Resposta do Cintilador FNAL

Resposta Cintilador FNAL

Cintilador FNAL X Fibra WLS

Espectro de sensibilidade da Espectro de sensibilidade da MAPMTMAPMT

Fibra WLS – compressão espectral

Possibilita o ganho em intensidade da luz Possibilita o ganho em intensidade da luz produzida pelo cintilador, devido ao excedente produzida pelo cintilador, devido ao excedente de energia dos fótons azuis.de energia dos fótons azuis.

Número de fótons verdes NNúmero de fótons verdes NVV gerados a partir de gerados a partir de

NNA A fótons azuis: fótons azuis:

Fibra WLS – compressão Fibra WLS – compressão espectralespectral

Nível de referência de energia: ENível de referência de energia: Eoo = E = Evv – E – Ea a onde onde

EEaa é a energia do fóton azul e E é a energia do fóton azul e Ev v a energia do a energia do

fóton verde, definidas em termos de E = fóton verde, definidas em termos de E = hνhν

A relação entre NA relação entre NV V e Ne NAA fica em torno de 1106, fica em torno de 1106,

compensando a perda de fótons por baixa compensando a perda de fótons por baixa eficiência de coleta das fibras e da relação de eficiência de coleta das fibras e da relação de área destas para a placa cintiladoraárea destas para a placa cintiladora

Tubo Fotomultiplicador

Sensor que realiza detecção de luz de Sensor que realiza detecção de luz de intensidade pequena (até um fóton)intensidade pequena (até um fóton)

Tubos FotomultiplicadoresOs fótons cedem energia ao fotocatodo, Os fótons cedem energia ao fotocatodo, gerando fotoelétrons segundo a eficiência gerando fotoelétrons segundo a eficiência quântica do PMTquântica do PMT

PMTs - Características a serem medidas

GanhoGanho

RuídoRuído

CrosstalkCrosstalk

Tempo de respostaTempo de resposta

Ganho de um PMT

O ganho do PMT depende da tensão entre os O ganho do PMT depende da tensão entre os dinodos, e, consequentemente, entre fotocatodo dinodos, e, consequentemente, entre fotocatodo e anodo, assim como da temperatura (A = f(T))e anodo, assim como da temperatura (A = f(T))

Ganho dos PMTs H7546A e R5912

Técnica para medição do ganho do PMT

Método estatístico (Vilar, CBPF 2009)Método estatístico (Vilar, CBPF 2009)

Técnica para medição do ganho do PMT

Experimento single photoelectron (fotoelétron Experimento single photoelectron (fotoelétron único) adotado neste trabalho.único) adotado neste trabalho.

Justificativa do método de fóton simples

Gerador de fóton único estável por diasGerador de fóton único estável por dias

Câmara escura com blindagem eletromagnética Câmara escura com blindagem eletromagnética de boa qualidadede boa qualidade

Osciloscópio digital de banda larga, alta Osciloscópio digital de banda larga, alta sensibilidade e baixo ruído, em ambiente sensibilidade e baixo ruído, em ambiente blindado eletromagneticamente.blindado eletromagneticamente.

Método de aquisição de dados eficiente gerando Método de aquisição de dados eficiente gerando alta amostragem estatística em computadoralta amostragem estatística em computador

Medidas de ruído em um PMT

Espectro de ruído correspondente a:Espectro de ruído correspondente a:

Emissão termiônicaEmissão termiônica

Corrente de fugaCorrente de fuga

Cintilação dos materiais do PMTCintilação dos materiais do PMT

Elétrons atraídos pelo campo elétricoElétrons atraídos pelo campo elétrico

Ionização de gasesIonização de gases

Raios cósmicos, observados por técnica Raios cósmicos, observados por técnica especialespecial

3 - Sistemas de Teste

Teste de componentes da front-end do sistema Teste de componentes da front-end do sistema de veto de múons de forma comparativa, de veto de múons de forma comparativa, integrando:integrando:

Varas de cintilador plásticoVaras de cintilador plástico

Fibras WLS Fibras WLS

FotomultiplicadorasFotomultiplicadoras

Com fótons simples e raios cósmicosCom fótons simples e raios cósmicos

Sistema de Teste Características

Alta resolução em carga (ordem de fC)Alta resolução em carga (ordem de fC)

Câmara escura: blindagem simultânea contra Câmara escura: blindagem simultânea contra luz e interferências eletromagnéticasluz e interferências eletromagnéticas

Dispensável o uso de pré-amplificadoresDispensável o uso de pré-amplificadores

Fonte de partículas: raios cósmicos e single Fonte de partículas: raios cósmicos e single fótonfóton

Técnicas de acoplamento ópticoTécnicas de acoplamento óptico

Sistema de Teste - Componentes

Câmara escuraCâmara escura

Osciloscópio TDS 1012BOsciloscópio TDS 1012B

Fontes DC, de alta e baixa tensão Fontes DC, de alta e baixa tensão

ComputadorComputador

PMTs: Hamamatsu R5912 de 8” e MAPMT PMTs: Hamamatsu R5912 de 8” e MAPMT Hamamatsu H7546A de 64 canaisHamamatsu H7546A de 64 canais

Sistema de Teste para R5912 por fóton simples

Sistema de Teste para R5912 por Sistema de Teste para R5912 por CerenkovCerenkov

Sistema de Teste para H7546B por fóton simples

Sistema de Teste para H7546B Sistema de Teste para H7546B por RCpor RC

Sistema de Teste – Hamamatsu H7546B

Sistema de Teste – Hamamatsu H7546B

Sistema de Teste – Hamamatsu H7546B

Gerador de pulsos para LED

Sistema de Teste para R5912 por fóton simples

Aquisição e processamento de dados

Aquisição e processamentos de dados feito com Aquisição e processamentos de dados feito com programa escrito em linguagem LabVIEW, a programa escrito em linguagem LabVIEW, a qual é otimizada para o controle e emulação de qual é otimizada para o controle e emulação de instrumentos (instrumentos virtuais)instrumentos (instrumentos virtuais)

Os dados são gravados em arquivo txt, Os dados são gravados em arquivo txt, possibilitando acumular uma grande quantidade possibilitando acumular uma grande quantidade de eventosde eventos

Dados adquiridos: varredura do osciloscópio, Dados adquiridos: varredura do osciloscópio, temperatura e tensão das fontes de alimentaçãotemperatura e tensão das fontes de alimentação

Aquisição e processamento de dados

A análise estatística dos dados é realizada com A análise estatística dos dados é realizada com a plataforma ROOTa plataforma ROOT

A macro escrita em C possibilita a filtragem de A macro escrita em C possibilita a filtragem de dados, de modo a separar ruído e sinaldados, de modo a separar ruído e sinal

Interface do programa de aquisição de varredura

A análise estatística dos dados é realizada A análise estatística dos dados é realizada com a plataforma ROOTcom a plataforma ROOT

A macro escrita em C possibilita a A macro escrita em C possibilita a filtragem de dados, de modo a separar filtragem de dados, de modo a separar ruído e sinalruído e sinal

Interface do programa de aquisição de temperatura e tensão

Sinais de H7546A no DSO90254A

4 – Eletrônica do veto de múons

Requisitos

Circuito com dimensões físicas pequenas o Circuito com dimensões físicas pequenas o suficiente para funcionamento com parâmetros suficiente para funcionamento com parâmetros concentradosconcentrados

Banda larga em frequência e baixo ruídoBanda larga em frequência e baixo ruído Blindada contra interferências eletromagnéticasBlindada contra interferências eletromagnéticas

MAPMT e eletrônica

Diagrama em blocos da eletrônica completa

Amplificador e discriminador

Amplificador e discriminador

5- Resultados5- Resultados

Monitoração da temperatura ambiente

Medidas com fótons simples no PMT R5912

Espectro de fótons simples do R5912

Espectro de fótons duplos do R5912

Medidas com RC no PMT R5912 (Čerenkov) - Múons verticais

Medidas com RC no PMT R5912 (Čerenkov) - Múons horizontais

Correlação separa ruído, foto-elétrons simples e duplos

Medidas com fóton simples no MAPMT H7546A

Distribuição de amplitude

Medida de ganho de H7546A com foto-elétrons simples

Medida de ganho de H7546A com foto-elétrons duplos

Considerações sobre as medidas

No total de 40199 eventos, para V > 1.1mV No total de 40199 eventos, para V > 1.1mV obtivemos 4398 eventos de fóton-elétrons simples, obtivemos 4398 eventos de fóton-elétrons simples, com amplitudes de sinais entre 1.1 e 3.5mVcom amplitudes de sinais entre 1.1 e 3.5mV

Portanto o valor médio da distribuição de Poisson Portanto o valor médio da distribuição de Poisson neste caso é 4398/40199 = 0.109 neste caso é 4398/40199 = 0.109

Para foto-elétrons duplos, com amplitudes acima de Para foto-elétrons duplos, com amplitudes acima de 3.5mV, o número de eventos seguindo Poisson 3.5mV, o número de eventos seguindo Poisson seria de 0.109 * 4398 / 2 = 240 eventos, e obteve-seria de 0.109 * 4398 / 2 = 240 eventos, e obteve-se o valor bem próximo de 234, com valor de carga se o valor bem próximo de 234, com valor de carga média o dobro do foto-elétron simples, 1.024 para média o dobro do foto-elétron simples, 1.024 para 0.511. 0.511.

H7546A a 900V – medidas com múons

6- Conclusões Desenvolvemos um sistema de testes de PMTs

com gerador de fótons simples e detecção de múons com cintiladores e fibras ópticas WLS.

Com ele medimos em PMT: ganho, ruído, crosstalk e tempo de resposta.

Podemos avaliar de forma comparativa, simples e eficiente, para fins de detecção de múons: os diversos canais de MAPMT, cintiladores, fibras WLS e da eletrônica.

Avaliamos a estabilidade a longo termo e o ruído da fonte de alta tensão desenvolvida no CBPF