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Caracterización de dos Modelos de Fotomultiplicadores y Estudio mediante Simulación Monte Carlo de varios Sistemas de Ca

Caracterización de dos Modelos de Fotomultiplicadores y Estudio mediante Simulación Monte Carlo de varios Sistemas de Calibración basados en Optical Beacons. Juan de Dios Zornoza Gómez IFIC. Contenido. Introducción Caracterización de fotomultiplicadores Simulación del Optical Beacon

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Caracterización de dos Modelos de Fotomultiplicadores y Estudio mediante Simulación Monte Carlo de varios Sistemas de Ca

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  1. Caracterización de dos Modelos de Fotomultiplicadores y Estudio mediante Simulación Monte Carlo de varios Sistemas de Calibración basados en Optical Beacons Juan de Dios Zornoza Gómez IFIC

  2. Contenido • Introducción • Caracterización de fotomultiplicadores • Simulación del Optical Beacon • Conclusiones J. D. Zornoza - IFIC

  3. Introducción • Motivaciones científicas • Principio de detección • Fondo físico • El detector ANTARES • Prestaciones del detector J. D. Zornoza - IFIC

  4. Astrofísica Oscilaciones de neutrinos • Sensibilidad óptima en el primer mínimo de probabilidad de supervivencia: • Estrellas binarias de rayos X. • Restos de supernovas. • Núcleos Galácticos Activos. • Explosiones de rayos gamma. 0 60 120 E/cos Neutralinos Fuentes exóticas • Si existen, se acumularían en el centro de objetos masivos (Tierra, Sol, Galaxia). • Monopolos GUT • Monopolos relativistas. • SUSY Q-balls. • Nuevos fenómenos. Motivaciones científicas • Los neutrinos sólo interaccionan débilmente (al contrario que los rayos cósmicos o los fotones), de manera que son un instrumento único para explorar el Universo a altas energías. J. D. Zornoza - IFIC

  5. El neutrino atraviesa la Tierra e interacciona en las inmediaciones del detector, dando lugar a un muon. • La luz Cherenkov emitida por el muon se detecta mediante fotomultiplicadores. • Ángulo entre el neutrino y el muon: p    p Principio de detección J. D. Zornoza - IFIC

  6. Hay dos contribuciones al fondo físico:  (cm-2s-1sr-1) 10-8 10-11 10-14 10-17 • Muones inducidos por cascadas atmosféricas producidas por los rayos cósmicos primarios • Neutrinos atmosféricos que producen muones. -1 0 1 cos  10-8 10-13 10-20 • Para evitar los mounes inducidos se sitúa el detector en el fondo del mar y se detectan solamente neutrinos hacia arriba. • El fondo de neutrinos atmosféricos es irreducible, pero para E>10 TeV, la señal es mayor que dicho fondo. Ed/dE (cm-2s-2sr-1) 103 107 10 11 1015 E (GeV) Fondo físico J. D. Zornoza - IFIC

  7. El detector estará situado a 2400 m de profundidad, 40 km al SE de Tolón, Francia (42º 50’ N, 6º 10’ E) • Cobertura de 3.5 sr del cielo. • Superposición de 0.5 sr con AMANDA. • Cobertura del Centro Galáctico. • 13 líneas con módulos ópticos. • Hay tres módulos ópticos por piso, cada 12 m. • Cada línea tiene 30 pisos, separados 12 m (350 m de longitud activa). • La longitud total de cada línea es 450 m. El detector ANTARES J. D. Zornoza - IFIC

  8. Resolución angular • E<10 TeVError dominado por el ángulo - • E>10 TeVResolución mejor que 0.4º Resolución energética • E < 100 GeV la energía se estima por el alcance del muon. • E > 1 TeV E/E~3 log10(Erec/Egen) Prestaciones del detector J. D. Zornoza - IFIC

  9. Caracterización de fotomultiplicadores • Requisitos para ANTARES • Modelos estudiados • Montaje experimental • Espectro de un fotoelectrón • Resultados experimentales • - Ganancia • - Amplitud • - Amplitud – Ganancia • - Cociente pico/valle • - Resolución energética • - TTS • - Corriente oscura • - Afterpulses J. D. Zornoza - IFIC

  10. Dimensiones: Rcurv<19 cm y longitud < 35 cm. • Para que sea compatible con el tamaño de la esfera resistente a la presión. • Voltaje nominal (@G=5107) < 2000 V • Amplitud: >50 mV. • Relación Pico/Valle> 2. • Resolución energética< 40% (recomendado) • Corriente oscura<30 Hz/cm2. • 25% de la tasa por 40K. • Tasa de afterpulses: Prepulses < 1% • Delayed Pulses < 5% • Afterpulses-1 < 1% • Afterpulses-2 < 10% • TTS< 3 ns (FWHM) Requisitos para ANTARES J. D. Zornoza - IFIC

  11. Se han estudiado dos modelos de fotomultiplicadores Modelo Hamamatsu R8055 Photonis XP1804/D2 Diámetro del Fotocátodo 13’’ 10.6’’ Material del Fotocátodo Bialkali Bialkali Número de etapas 10 11 Estructura de dínodos Box-line Linear focused Modelos estudiados J. D. Zornoza - IFIC

  12. Generador de pulsos Láser Módulos NIM Osciloscopio digital Módulos CAMAC PC con Labview Montaje experimental • El láser es disparado por el generador de pulsos. • La digitalización se realiza mediante los módulos NIM y CAMAC y el osciloscopio. • Los datos se almacenan en el PC. • La conexión entre el osciloscopio, los módulos CAMAC y el PC se realiza via GPIB. J. D. Zornoza - IFIC

  13. El fotomultiplicador se sitúa en una caja negra para protegerlo de la luz ambiental. • La luz del láser se introduce en la caja mediante una fibra óptica. • Se usa un difusor lambertiano para iluminar homogéneamente la superficie del fotocátodo. Láser Difusor lambertiano Jaula de -metal Fotomultiplicador Señal HV • Fuente de luz: Láser Nd-YAG • =532 nm • FWHM~0.5 ns Montaje experimental J. D. Zornoza - IFIC

  14. El espectro se ajusta a la función: p4   del pico de 1 pe. p5  Fracción de sucesos al valle. p6  Pendiente de la exp. del valle. p7  Sucesos del valle en la exp. p0  nº medio de fotoelectrones. p1   del pedestal. p2   del pedestal. p3   del pico de 1 pe. Espectro de un fotoelectrón J. D. Zornoza - IFIC

  15. Calidad del ajuste • -La calidad de los ajustes es muy buena. Se obtiene 2/ ~1, salvo para voltajes fuera de las condiciones de trabajo. • Forma del valle Espectro de un fotoelectrón J. D. Zornoza - IFIC

  16. Se obtiene a partir del parámetro p3 del espectro de carga: • Para parametrizar la dependencia de la ganancia con el voltaje se usa el producto de una exponencial y una parábola. • La ganancia nominal (G=5·107) se consigue en los Photonis a voltaje más bajo. • Todos los PMTs de Hamamatsu llegan a ganancias de 108, pero solamente uno de los PMTs de Photonis. Ganancia J. D. Zornoza - IFIC

  17. La amplitud se obtiene ajustando el pico de 1 pe a una gaussiana. Amplitud J. D. Zornoza - IFIC

  18. Número de serie Amplitud nominal (mV) Phot 35 60.2  1.3 Phot 39 62.5 0.8 Ham AF0170 33.2 1.2 Ham AF0171 30.5 1.2 Ham AF0174 34.3 0.5 Ham AF0175 35.8 0.7 • Los PMTs de Photonis superan los 60 mV al voltaje nominal. • La amplitud nominal de los PMTs de Hamamatsu es menor de 40 mV, aunque alcanzan los 50 mV a voltajes ligeramente superiores. • La relación entre la amplitud y la ganancia es casi exactamente la misma para los fotomultiplicadores de Hamamatsu, mientras que se aprecia una pequeña diferencia al comparar las curvas de los PMTs de Photonis. Amplitud - Ganancia J. D. Zornoza - IFIC

  19. Se obtiene a partir del espectro de carga de un fotoelectrón como el cociente entre la altura del pico de 1 pe y la del valle. • El valor del cociente pico/valle es en general, superior a 3. • Tan sólo uno de los fotomultiplicadores (Phot 35) está por debajo de los requisitos (P/V>2). • En general, los PMTs de Hamamatsu presentan un pico/valle más alto. Cociente pico/valle J. D. Zornoza - IFIC

  20. Se obtiene a partir del espectro de carga de un fotoelectrón como el cociente entre la anchura (p4) del pico de 1 pe y su posición (p3). • La resolución energética de los fotomultiplicadores de Photonis es ~30%. • Para los PMTs de Hamamatsu es algo mayor, en torno al 35%. Resolución energética J. D. Zornoza - IFIC

  21. El nivel de iluminación ha de ser inferior a 1 pe, para evitar la coincidencia de dos o más pulsos, porque reduciría el TTS. • Se ha usado un umbral de discriminación de ½ fotoelectrón. Distribución temporal • La distribución temporal medida por el TDC se ajusta a la convolución de una gaussiana y una exponencial. • Se usa un PMT calibrado por Hamamatsu (TTS=0.230.01 ns) para medir la contribución no debida al PMT. TTS J. D. Zornoza - IFIC

  22. Según lo esperado, el TTS decrece con el voltaje. • Los PMTs de Photonis presentan un valor del TTS de ~2 ns al voltaje nominal. • El TTS de los PMTs de Hamamatsu es mayor: ~2.6 ns. • Ambos están dentro de los requisitos. TTS J. D. Zornoza - IFIC

  23. Se utiliza un contador digital de varias entradas para medir la corriente oscura a cuatro umbrales distintos simultáneamente. Evolución tras exposición a la luz ambiental • Se ha medido la evolución de corriente oscura tras exponer el fotomul-tiplicador a la luz ambiental durante 15 minutos (con el voltaje apagado). • Se observa una disminución bastante rápida de la corriente oscura: al cabo de una hora, la tasa medida es sólo dos veces mayor que la tasa de estabilización. Corriente oscura J. D. Zornoza - IFIC

  24. Dependencia con el voltaje • Suave crecimiento con el voltaje para ambos modelos. Dependencia con el umbral de discriminación • La corriente oscura decrece al subir el umbral. • Brusca disminución en región próxima a 1 pe, ya que la mayor contribución viene del efecto termoiónico. Corriente oscura J. D. Zornoza - IFIC

  25. Prepulses [–80 ns, –10 ns] fotón que es absorbido en el primer dínodo en lugar de en el fotocátodo (primario) • Definiciones: Delayed pulses [10 ns, 80 ns] fotoelectrón interceptado y reflejado por la rejilla de potencial (primario) Causa Afterpulses-1 [10 ns, 80 ns] fotón radiado en los últimos dínodos que llega hasta el fotocátodo (secundario) Afterpulses-2 [80 ns, 16 s] iones del gas residual (secundario) Afterpulses J. D. Zornoza - IFIC

  26. Prepulses, delayed pulses y afterpulses-1 Amplitud de prepulses, delayed pulses y afterpulses-1 Prepulses Delayed pulses Afterpulses-1 Afterpulses J. D. Zornoza - IFIC

  27. Afterpulses-2 Tasas (%) Número de serie Prepulses Delayed pulses Afterpulses-1 Afterpulses-2 Phot 35 0.0  0.4 4.7  0.2 1.8  0.1 15  3 Phot 39 0.0  0.3 4.7  0.2 1.8  0.1 21  4 Ham AF0170 0.7  0.2 5.0  0.2 2.8  0.1 20  2 Ham AF0171 0.8  0.2 4.8  0.2 2.6  0.1 15  2 Ham AF0174 1.6  0.2 5.2  0.3 1.7  0.2 17  3 Ham AF0175 2.3  0.2 4.8  0.3 1.6  0.2 17  3 Afterpulses J. D. Zornoza - IFIC

  28. Simulación delOptical Beacon • Calibración temporal • Fuentes y configuraciones propuestas • Programas de simulación • Modelos de agua • Análisis • Resultados de la simulación • Single LEDs • LED beacons • Laser beacon J. D. Zornoza - IFIC

  29. Calibración temporal • Para garantizar una correcta reconstrucción de la traza de los muones, es imprescindible controlar los retrasos en la propagación de la señal y sus fluctuaciones. • Tres sistemas de calibración complementarios: • Calibración del reloj interno del Módulo de Control Local. • · Se envía un pulso óptico desde la estación en tierra hasta cada LCM y se miden los retrasos relativos. • Calibración del tiempo de tránsito del fotomultiplicador. • · Mediante un LED situado en el OM, se monitorizará el tiempo de tránsito del PMT. • Calibración de los retrasos relativos con fuentes de luz externas (Optical Beacons). • · Usando intensas fuentes de luz externas (OBs) se integrarán todos los retrasos en la propagación de la señal. J. D. Zornoza - IFIC

  30. Fuentes de luz Láser LEDs • Fuente intensa y fija • =532 nm • Problema de absorción • FWHM  1ns • Calibración uniforme • =470 nm • Intensidad regulable • FWHM ~ 4 ns Configuraciones • Se han propuesto cuatro configuraciones para los Optical Beacons: • Un LED en cada Módulo Óptico (Single LEDs). • Varios cilindros con LEDs en cada línea (LED beacons). • Un láser en la línea de instrumentación (Laser beacon). • Un láser en una o varias líneas del detector. Fuentes y configuraciones propuestas J. D. Zornoza - IFIC

  31. GENDET: genera detectores espirales simulando los posibles desalineamientos y offsets. Programas de simulación • GEN: generación de fotones y almacenamiento de la información sobre posición, dirección y tiempo de llegada a esferas de distintos radios. Tanto la absorción como la dispersión de los fotones están simulados. • HIT: la información de GEN se convierte en probabilidades de fotoelectrones y distribuciones de tiempo de llegada para cada bin en que se dividen las esferas. • KM3MC: cálculo del número de fotoelectrones y su tiempo de llegada a cada PM para cada flash de luz. J. D. Zornoza - IFIC

  32. (, ) abs (m) 60 30 0 scat (m) 60 30 0 300 400 500 600 Modelos simulados:  (nm) • Medsea  (nm) abs (m) scat (m) 466 60.0 40.8 532 28.3 51.8 • Global  (nm) abs (m) scat (m) 466 60.0 52.0 532 28.3 66.8 Modelos de agua • Parámetros relevantes: abs() scat() • Otro parámetro útil es: • Dos tipos de centros de dispersión: • - fluctuaciones de densidad. • - partículas suspendidas. J. D. Zornoza - IFIC

  33. La salida de KM3MC son las distribuciones de tllegada-tdirecto. • Tanto la anchura del pulso de luz de la fuente como la del tiempo de tránsito del fotomultiplicador están simulados, lo que ensancha la señal. • El efecto de la dispersión es desplazar sucesos a tiempos mayores. • La distribución de tiempos de llegada se ajusta a una gaussiana hasta el tercer bin tras el máximo. • A partir de esta gaussiana se definen T100 y T50. • Una vez corregido el efecto de la dispersión se obtienen T0100 y T050. Análisis J. D. Zornoza - IFIC

  34. Un LED en cada Módulo Óptico emitiendo uniformemente en un cono. • Excelente redundancia en todo el detector. Cada PMT es iluminado (> 30 entradas en el bin máximo) por una media de 50 LEDs. • Únicamente 4 PMTs (98%) son iluminados por tan sólo 2 LEDs. Single LEDs J. D. Zornoza - IFIC

  35. La dispersión introduce una dependencia con la distancia que • se ajusta a un parábola para ser corregida. • Este efecto es más importante sobre T100 que sobre T50. • Buena compatibilidad entre los tiempos obtenidos por varios LEDs para un PM dado. Single LEDs J. D. Zornoza - IFIC

  36. Se han estudiado tres modelos para las propiedades ópticas del agua. Modelo abs scatt < cos  > eff (m) medsea 60 m 40 m 0.8972 396.8 med301 60 m 30 m 0.9244 396.8 med302 60 m 30 m 0.87 230.7 • Incluso para modelos con el mismo valor de eff, se obtienen distintas correcciones. • T0100 es más sensible a las incertidumbres las propiedades ópticas del agua que T050. • Para un caso pesimista (medseamed302), el error sistemático es ~0.5 ns en T0100 a 80 m y ~0.3 ns en T050. Single LEDs J. D. Zornoza - IFIC

  37. Efecto de la incertidumbre en la FWHM de la fuente • Una incertidumbre del 10% en la anchura de la fuente introduce un error de ~0.2 ns en T050 y no afecta a T0100. Estimación de LEDTTS • También se puede estimar la convolución de la anchura de la fuente y del TTS del PMT mediante la anchura de la distribución temporal: • Se encuentra que la dispersión ensancha la distribución. • A cortas distancias (> 1pe), input está sobreestimada porque la contribución del TTS del PMT es TTS/Q. Single LEDs J. D. Zornoza - IFIC

  38. Distribución uniforme en 50º <  < 120º. • 5 cilindros con LEDs a lo largo de cada línea. • 5 LEDs en cada una de las 6 caras. • Buena calibración del detector. Solamente algunos PMTs de las líneas externas y de los pisos inferiores son calibrados por menos de 2 LED beacons. LED beacons J. D. Zornoza - IFIC

  39. Buena reconstrucción de los tiempos de llegada. • La diferencia en el tiempo de subida de las distribuciones temporales para los modelos Global y Medsea no es muy grande para distancias del orden de scat. LED beacons J. D. Zornoza - IFIC

  40. Láser situado en la línea de instrumentación, a 60 m del detector. Laser beacon • La luz que sale del láser pasa por un difusor lambertiano y luego se refracta en el cilindro de vidrio. • Las distribuciones que se obtienen al reconstruir los tiempos son más anchas que en los casos anteriores, debido al efecto de la dispersión. J. D. Zornoza - IFIC

  41. Laser beacon • Para las mejores orientaciones, el nivel de un fotoelectrón se alcanza a los 250 m. • El número de fotones dispersos es un orden de magnitud mayor que el de los directos. • Sólo la parte inferior del detector recibe suficiente luz. • Hay una gran disparidad en la cantidad de luz que reciben distintas partes del detector. J. D. Zornoza - IFIC

  42. Comparación J. D. Zornoza - IFIC

  43. Conclusiones • Espectros bien reproducidos con buenos valores de 2/. • Todos los PMTs llegan a ganancias de 5·107. El voltaje nominal (G= 5·107) es menor para el modelo de Photonis (1600 V - 1750 V) que para el de Hamamatsu (1750 V- 2000 V). • La amplitud al voltaje nominal supera los 60 mV en el caso de Photonis. Los PMTs de Hamamatsu no llegan a los 40 mV, aunque alcanzan los 50 mV a voltajes algo mayores que el nominal. • La relación entre la amplitud y la ganancia es la misma para todos los PMTs del mismo modelo. • El pico/valle está entre 3 y 4 para todos los PMTs salvo para uno de los de Photonis. • La resolución energética es aproximadamente un 30% para los PMTs de Photonis y un 35% para los de Hamamatsu. • Ambos PMTs cumplen las especificaciones para el TTS (< 3 ns). El valor obtenido para los PMTs de Photonis es ~2 ns y para los de Hamamatsu, ~2.6 ns. • La corriente oscura es menor para los PMTs de Photonis (~4 kHz) que para los de Hamamatsu (5-10 kHz). • La tasa de prepulsos es baja para todos los fotomultiplicadores (sólo uno de ellos supera el 2%). La tasa de delayed pulses es un 5% en todos los PMTs. Los afterpulses 1 y 2 son aproximadamente un 2% y un 18%, respectivamente, es decir, dos veces el valor requerido. J. D. Zornoza - IFIC

  44. Conclusiones • La configuración de los Single LEDs proporciona un excelente nivel de redundancia. El tiempo se construye con una precisión mejor de 0.2 ns. • Los LED beacons también proporcionan una buena redundancia. Sólo algunos PMTs de las líneas externas y en los pisos inferiores podrían tener problemas para ser calibrados. • El láser en la línea de instrumentación es un útil sistema de calibración complementario, ya que puede iluminar los pisos inferiores. La absorción es un problema importante que impide que se pueda calibrar el detector globalmente con este sistema. • El error sistemático debido a incertidumbres en el modelo de agua es, para el caso estudiado, ~0.3 ns para T050 y ~0.5 ns para T0100 a 80 m. • Una incertidumbre del 10% en la anchura de la fuente da un error sistemático de ~0.2 ns en T050 a 80 m y apenas afecta a T0100. J. D. Zornoza - IFIC

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