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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
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Centro Brasileiro de Pesquisas FísicasMestrado 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, drift-chamber, proportionaldriftchamber, sparkchamber) 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 (MultianodePhotomultiplierTube). Inner veto por tanque de cintilador líquido, luz Čerenkov observada por 78 PMT de 8".
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
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 – Eaonde Ea é a energia do fóton azul e Eva 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 luz de intensidade pequena (até um fóton)
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))
Técnica para medição do ganho do PMT Método estatístico (Vilar, CBPF 2009)
Técnica para medição do ganho do PMT Experimento singlephotoelectron (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 técnica especial
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
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
