centro brasileiro de pesquisas físicas mestrado em instrumentação científica teste de...
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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