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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.

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1 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

2 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

3 1 - Introdução Motivação: Contribuir para o Projeto Neutrinos Angra: detecção de antineutrinos em Angra II Múons cósmicos são fonte de ruído (1 múon/cm 2 s ao nível do mar), o que exige VETO. Base para desenvolvimento de eletrônica de sinais típicos da física experimental

4 Espectro e Fluxo de Raios Cósmicos O espectro de RC é mensurado em termos de energia, composição química e fluxo por altitude

5 Detecção de múons - técnicas Câmaras de bolhas, emulsão fotográfica ou câmaras de Wilson Ionização de gases (Geiger-Muller, drift- chamber, proportional drift chamber, spark chamber) Detecção de luz Čerenkov em água ou cintiladores líquidos Detecção de luz de fluorescência em plásticos

6 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".

7 Detector Double Chooz

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10 Neutrinos Angra - Detector

11 Detector de posição Planos X & Y

12 Cintilador FNAL & Fibra WLS

13 Fibra WLS - detalhe

14 Planos X&Y embutidos com a eletrônica

15 Detector de posição: X&Y ou TDC ? Problema: geração de fantasmas, solucionado com o uso de TDC (Time to Digital Converter)

16 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.

17 2 - Componentes do Sistema de veto Placas cintiladoras Fibras WLS Tubos fotomultiplicadores tipo MAPMT Eletrônica de aquisição de dados

18 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 s, seguida de uma relaxação (em ps) e em último a emissão de um fóton, em ns

19 Luminescência – Diagrama de Estados

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21 Resposta do Cintilador FNAL

22 Resposta Cintilador FNAL

23 Cintilador FNAL X Fibra WLS

24 Espectro de sensibilidade da MAPMT

25 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 N V gerados a partir de N A fótons azuis:

26 Fibra WLS – compressão espectral Nível de referência de energia: E o = E v – E a onde E a é a energia do fóton azul e E v a energia do fóton verde, definidas em termos de E = hν A relação entre N V e N A 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

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

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

29 PMTs - Características a serem medidas GanhoRuídoCrosstalk Tempo de resposta

30 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))

31 Ganho dos PMTs H7546A e R5912

32 Técnica para medição do ganho do PMT Método estatístico (Vilar, CBPF 2009)

33 Técnica para medição do ganho do PMT Experimento single photoelectron (fotoelétron único) adotado neste trabalho.

34 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. 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

35 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

36 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

37 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

38 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

39 Sistema de Teste para R5912 por fóton simples

40 Sistema de Teste para R5912 por Cerenkov

41 Sistema de Teste para H7546B por fóton simples

42 Sistema de Teste para H7546B por RC

43 Sistema de Teste – Hamamatsu H7546B

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46 Gerador de pulsos para LED

47 Sistema de Teste para R5912 por fóton simples

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

49 Aquisição e processamento de dados A análise estatística dos dados é realizada com a plataforma ROOT 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 A macro escrita em C possibilita a filtragem de dados, de modo a separar ruído e sinal

50 Interface do programa de aquisição de varredura A análise estatística dos dados é realizada com a plataforma ROOT 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 A macro escrita em C possibilita a filtragem de dados, de modo a separar ruído e sinal

51 Interface do programa de aquisição de temperatura e tensão

52 Sinais de H7546A no DSO90254A

53 4 – Eletrônica do veto de múons Requisitos Circuito com dimensões físicas pequenas o suficiente para funcionamento com parâmetros concentrados Circuito com dimensões físicas pequenas o suficiente para funcionamento com parâmetros concentrados Banda larga em frequência e baixo ruído Banda larga em frequência e baixo ruído Blindada contra interferências eletromagnéticas Blindada contra interferências eletromagnéticas

54 MAPMT e eletrônica

55 Diagrama em blocos da eletrônica completa

56 Amplificador e discriminador

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58 5- Resultados Monitoração da temperatura ambiente

59 Medidas com fótons simples no PMT R5912

60 Espectro de fótons simples do R5912

61 Espectro de fótons duplos do R5912

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

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

64 Correlação separa ruído, foto-elétrons simples e duplos Medidas com fóton simples no MAPMT H7546A

65 Distribuição de amplitude

66 Medida de ganho de H7546A com foto-elétrons simples

67 Medida de ganho de H7546A com foto-elétrons duplos

68 Considerações sobre as medidas No total de 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 = Para foto-elétrons duplos, com amplitudes acima de 3.5mV, o número de eventos seguindo Poisson seria de * 4398 / 2 = 240 eventos, e obteve-se o valor bem próximo de 234, com valor de carga média o dobro do foto-elétron simples, para

69 H7546A a 900V – medidas com múons

70 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


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