Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
Mestrado em Instrumentação Científica
Teste de componentes do
sistema de veto de múons
do Detector Neutrinos Angra
Wallace Raposo Ferreira
Orientador: Dr. Mário Vaz da Silva Filho
Co-orientador: Dr. Luis M. Villaseñor Cendejas
Sumário
1 - Introdução
2 - Componentes e protótipo do sistema de veto
de múons
3 - Sistema de teste de componentes do sistema
de veto de múons
4 - Eletrônica do veto de múons
5 - Resultados
6 - Conclusão
1 - Introdução
Motivação:
Contribuir para o Projeto Neutrinos Angra:
detecção de antineutrinos em Angra II
Múons cósmicos são fonte de ruído (1
múon/cm2 s ao nível do mar), o que exige
VETO.
Base para desenvolvimento de eletrônica de
sinais 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 Wilson
Ionização de gases (Geiger-Muller, driftchamber, proportional drift chamber, spark
chamber)
Detecção de luz Čerenkov em água ou
cintiladores líquidos
Detecção de luz de fluorescência em plásticos
Double Chooz
Veto feito por dois detectores (inner/outer veto)
Outer veto usa placas e fibras tipo WLS de
plásticos
cintiladores,
e
tubos
fotomultiplicadores de múltiplos anodos ou
MAPMT (Multianode Photomultiplier Tube).
Inner veto por tanque de cintilador líquido, luz
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
com o uso de TDC (Time to Digital Converter)
Determinação de posição por
TDC
A resolução espacial é função da resolução
temporal : dt = dx / (0,6 * c ) = 140 ps para dx =
5 cm
Utilizar a mesma fibra para duas ou mais placas
reduz à metade o número de MAPMTs, dentro
do limite do comprimento de atenuação da fibra.
TDC implementada em FPGA de baixo custo.
2 - Componentes do Sistema de
veto
Placas cintiladoras
Fibras WLS
Tubos fotomultiplicadores tipo MAPMT
Eletrônica 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
MAPMT
Fibra WLS – compressão
espectral
Possibilita o ganho em intensidade da luz
produzida pelo cintilador, devido ao excedente
de energia dos fótons azuis.
Número de fótons verdes NV gerados a partir de
NA fótons azuis:
Fibra WLS – compressão
espectral
Nível de referência de energia: Eo = Ev – Ea
onde Ea é a energia do fóton azul e Ev a energia
do fóton verde, definidas em termos de E = hν
A relação entre NV e NA fica em torno de 1106,
compensando a perda de fótons por baixa
eficiência de coleta das fibras e da relação de
área destas para a placa cintiladora
Tubo Fotomultiplicador
Sensor que realiza detecção de
intensidade pequena (até um fóton)
luz
de
Tubos Fotomultiplicadores
Os fótons cedem energia ao fotocatodo,
gerando fotoelétrons segundo a eficiência
quântica do PMT
PMTs - Características a serem
medidas
Ganho
Ruído
Crosstalk
Tempo de resposta
Ganho de um PMT
O ganho do PMT depende da tensão entre os
dinodos, e, consequentemente, entre fotocatodo
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)
Técnica para medição do ganho
do PMT
Experimento single photoelectron (fotoelétron
único) adotado neste trabalho.
Justificativa do método de fóton
simples
Gerador de fóton único estável por dias
Câmara escura com blindagem eletromagnética
de boa qualidade
Osciloscópio digital de banda larga, alta
sensibilidade e baixo ruído, em ambiente
blindado eletromagneticamente.
Método de aquisição de dados eficiente gerando
alta amostragem estatística em computador
Medidas de ruído em um PMT
Espectro de ruído correspondente a:
Emissão termiônica
Corrente de fuga
Cintilação dos materiais do PMT
Elétrons atraídos pelo campo elétrico
Ionização de gases
Raios cósmicos, observados por
especial
técnica
3 - Sistemas de Teste
Teste de componentes da front-end do sistema
de veto de múons de forma comparativa,
integrando:
Varas de cintilador plástico
Fibras WLS
Fotomultiplicadoras
Com fótons simples e raios cósmicos
Sistema de Teste
Características
Alta resolução em carga (ordem de fC)
Câmara escura: blindagem simultânea contra
luz e interferências eletromagnéticas
Dispensável o uso de pré-amplificadores
Fonte de partículas: raios cósmicos e single
fóton
Técnicas de acoplamento óptico
Sistema de Teste - Componentes
Câmara escura
Osciloscópio TDS 1012B
Fontes DC, de alta e baixa tensão
Computador
PMTs: Hamamatsu R5912 de 8” e MAPMT
Hamamatsu H7546A de 64 canais
Sistema de Teste para R5912 por
fóton simples
Sistema de Teste para R5912 por
Cerenkov
Sistema de Teste para H7546B
por fóton simples
Sistema de Teste para H7546B
por 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
programa escrito em linguagem LabVIEW, a
qual é otimizada para o controle e emulação de
instrumentos (instrumentos virtuais)
Os dados são gravados em arquivo txt,
possibilitando acumular uma grande quantidade
de eventos
Dados adquiridos: varredura do osciloscópio,
temperatura e tensão das fontes de alimentação
Aquisição e processamento de
dados


A análise estatística dos dados é realizada com
a plataforma ROOT
A macro escrita em C possibilita a filtragem de
dados, de modo a separar ruído e sinal
Interface do programa de
aquisição de varredura


A análise estatística dos dados é realizada
com a plataforma ROOT
A macro escrita em C possibilita a
filtragem de dados, de modo a separar
ruído 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
suficiente para funcionamento com parâmetros
concentrados
Banda larga em frequência e baixo ruído
Blindada contra interferências eletromagnéticas
MAPMT e eletrônica
Diagrama em blocos da
eletrônica completa
Amplificador e discriminador
Amplificador e discriminador
5- 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
Medidas com fóton simples
no MAPMT H7546A
Correlação separa ruído, foto-elétrons simples e duplos
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
obtivemos 4398 eventos de fóton-elétrons
simples, com amplitudes de sinais entre 1.1 e
3.5mV
Portanto o valor médio da distribuição de
Poisson neste caso é 4398/40199 = 0.109
Para foto-elétrons duplos, com amplitudes
acima de 3.5mV, o número de eventos seguindo
Poisson seria de 0.109 * 4398 / 2 = 240 eventos,
e obteve-se o valor bem próximo de 234, com
valor de carga média o dobro do foto-elétron
simples, 1.024 para 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