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PublicouTheo Santiago Alterado mais de 9 anos atrás
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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
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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
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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
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Espectro e Fluxo de Raios Cósmicos
O espectro de RC é mensurado em termos de energia, composição química e fluxo por altitude
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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
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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".
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Detector Double Chooz
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Detector Double Chooz
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Detector Double Chooz
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Neutrinos Angra - Detector
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Detector de posição Planos X & Y
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Cintilador FNAL & Fibra WLS
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Fibra WLS - detalhe
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Planos X&Y embutidos com a eletrônica
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Detector de posição: X&Y ou TDC ?
Problema: geração de fantasmas, solucionado com o uso de TDC (Time to Digital Converter)
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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.
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2 - Componentes do Sistema de veto
Placas cintiladoras Fibras WLS Tubos fotomultiplicadores tipo MAPMT Eletrônica de aquisição de dados
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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
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Luminescência – Diagrama de Estados
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Luminescência – Diagrama de Estados
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Resposta do Cintilador FNAL
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Resposta Cintilador FNAL
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Cintilador FNAL X Fibra WLS
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Espectro de sensibilidade da MAPMT
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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:
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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
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Tubo Fotomultiplicador
Sensor que realiza detecção de luz de intensidade pequena (até um fóton)
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Tubos Fotomultiplicadores
Os fótons cedem energia ao fotocatodo, gerando fotoelétrons segundo a eficiência quântica do PMT
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PMTs - Características a serem medidas
Ganho Ruído Crosstalk Tempo de resposta
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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))
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Ganho dos PMTs H7546A e R5912
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Técnica para medição do ganho do PMT
Método estatístico (Vilar, CBPF 2009)
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Técnica para medição do ganho do PMT
Experimento single photoelectron (fotoelétron único) adotado neste trabalho.
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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
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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
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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
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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
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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
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Sistema de Teste para R5912 por fóton simples
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Sistema de Teste para R5912 por Cerenkov
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Sistema de Teste para H7546B por fóton simples
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Sistema de Teste para H7546B por RC
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Sistema de Teste – Hamamatsu H7546B
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Sistema de Teste – Hamamatsu H7546B
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Sistema de Teste – Hamamatsu H7546B
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Gerador de pulsos para LED
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Sistema de Teste para R5912 por fóton simples
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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
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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
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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
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Interface do programa de aquisição de temperatura e tensão
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Sinais de H7546A no DSO90254A
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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
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MAPMT e eletrônica
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Diagrama em blocos da eletrônica completa
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Amplificador e discriminador
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Amplificador e discriminador
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5- Resultados Monitoração da temperatura ambiente
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Medidas com fótons simples
no PMT R5912
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Espectro de fótons simples do R5912
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Espectro de fótons duplos do R5912
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Medidas com RC no PMT R5912 (Čerenkov) - Múons verticais
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Medidas com RC no PMT R5912 (Čerenkov) - Múons horizontais
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Medidas com fóton simples no MAPMT H7546A
Correlação separa ruído, foto-elétrons simples e duplos 64
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Distribuição de amplitude
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Medida de ganho de H7546A com foto-elétrons simples
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Medida de ganho de H7546A com foto-elétrons duplos
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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 = 0.109 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
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H7546A a 900V – medidas com múons
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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 70
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