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1 Propostas para Fontes de Alta Tensão para Tubos Fotomultiplicadores do Detector Neutrinos Angra Gabriel Luis Azzi 1 Mário Vaz da Silva Filho 2 VI WORKSHOP.

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1 1 Propostas para Fontes de Alta Tensão para Tubos Fotomultiplicadores do Detector Neutrinos Angra Gabriel Luis Azzi 1 Mário Vaz da Silva Filho 2 VI WORKSHOP DE FÍSICA e ASTROFÍSICA DE NEUTRINOS 2009 V ENCONTRO DO PROJETO NEUTRINOS ANGRA 1 Laboratório Eletrônica - CAT - CBPF 2 LAFEX – CBPF

2 2 Tópicos Resultados Obtidos, Conclusões e Perspectivas Protótipos Realizados das Fontes de Alta Tensão Positiva e Negativa Requisitos para a alimentação de PMTs

3 3 Necessidade de fontes de alta tensão para alimentar tubos fotomultiplicadores – PMT com tensões positivas ou negativas, nas faixas de a volts a 3 mA e -500 a a 0,5 mA, respectivamente. Ponto de partida As fontes de alta tensão tem conversores CC-CC com: Ruído e consumo baixos, Estabilidade e rendimento altos.

4 4 - Custo mais alto - Modificações e manutenção difíceis - Informações do fabricante insuficientes - Falta de peças de reposição no mercado - Protegidas com resina epoxi Nosso protótipo: - Modular e Adaptável - Baixo custo - Manutenção fácil - Monitoramento remoto - Confiabilidade e taxa de falhas adequados Motivações Fontes Comerciais:

5 5 O ganho do PMT é função da alta tensão aplicada no PMT: Requisitos da Alimentação para PMTs Para medidas de precisão com a PMT é preciso que a fonte de alta tensão apresente: - Alta estabilidade e regulação de linha e carga, - Alta estabilidade com a temperatura, - Baixo ripple. É necessário também controle ou monitoração da temperatura. K é uma constante N é o n° de dinodos depende do material do dinodo, entre 0.6 e G = K. V N 1 Knoll G. Radiation Detection and Measurement John Wiley Sons, 1999 O ganho é muito sensível à variação da alta tensão, e da temperatura.

6 6 Projeto da Fonte Chaveada Diagrama de Blocos

7 7 Tensão de saída: 1700V a 2300V Corrente de saída máxima: 3mA Tensão de Alimentação: 10V a 14V Consumo máximo de potência: 6,9 W Tensão de ondulação (ripple) < 10mV Regulação de linha < 0,1% Regulação de carga < 0,2% Estabilidade: melhor que 0,1% Eficiência: rendimento melhor que 80% Protótipo de fonte de alta tensão positiva - 1 Especificações:

8 8 Protótipo da fonte de alta tensão positiva - 2

9 9 Protótipo da Fonte Positiva - 3

10 10 Protótipo da Fonte Positiva

11 11 Estabilidade da Fonte Positiva: 1º Ensaio: com PMT V entrada = 12Volts Período: 96 horas Temperatura: 25 °C Estabilidade: ± 0.1% V entrada = 12Volts I saída = 2mA Período: 14 horas Temperatura: 21°C Monitoramento: digital - LabView 2º Ensaio: com carga p/ 2mA Estabilidade: ± 0.1% Gráfico da estabilidade no período de 14 horas Gráfico da estabilidade na primeira hora de funcionamento

12 12 Rendimento da Fonte Positiva a) Para correntes de carga diferentes:b) Para tensões de entrada diferentes : Condições: V entrada = 12 Volts HV= 1900 Volts Condições: I saída = 2mA HV=1900 Volts

13 13 Ensaios com a Fonte Positiva no teste da Hamamatsu 5912 AngraNote Test Setup to Measure Gains of the Angra Photomultipliers Using the Single Photoelectron Technique W. Raposo, M. Vaz - CBPF, Rio de Janeiro, Brazil L. Villasenor - UMSNH, Morelia, Mexico Measurements of Signals from Muons Crossing Vertically and Horizontally the Hamamatsu R5912 PMT AngraNote

14 14 Protótipo de fonte de alta tensão negativa - 1 O projeto é idêntico ao do protótipo da fonte de altas tensões positivas. Difere quanto ao dobrador de tensão com filtro capacitivo que fornece tensões negativas e a realimentação para estabilização da tensão de saída.

15 15 Tensão de saída: -500V a -1000V Corrente de saída máxima: 0,5mA Tensão de Alimentação: 10V a 14V Consumo máximo de potência: 0,5 W Tensão de ondulação (ripple) < 10mV Regulação de linha < 0,1% Regulação de carga < 0,2% Estabilidade: melhor que 0,1% Eficiência: rendimento melhor que 80% Protótipo de fonte de alta tensão negativa - 2 Especificações:

16 16 Protótipo Final de fonte de alta tensão negativa - 3

17 17

18 18 Trabalhos em Andamento Implementação da lógica de controle por meio de microcontroladores PIC e/ou DSPs. Utilização de componentes em tecnologia SMD; Melhoria da estabilidade e do ripple. Optimização do lay-out e encapsulamento, aperfeiçoando a imunidade a ruídos (EMI);

19 19 Trabalhos em Andamento Criação da interface com o computador para o monitoramento das leituras das tensões e correntes de entrada e saída da fonte de alta tensão

20 20 Trabalhos em Andamento

21 21 Determinou-se as características principais das fontes, que apresentaram baixo ruído, alta estabilidade e regulação, baixo consumo, e um rendimento de cerca de 84%, para carga nominal, adequados a PMTs. Está na hora de interagirmos com o grupo da Bahia para concluir o monitoramento e controle remotos. Conclusões -1 Projetou-se e construiu-se fontes de alta tensão positivas e negativas na faixa de utilização esperada para os tubos fotomultiplicadores – PMTs do detector Neutrino Angra. As fontes foram usadas no CBPF em testes de PMTs ( dois anos com a Hamamatsu R5912 e um ano com a H7546A) que duravam vários dias, sem nenhuma falha, mantendo-se a estabilidade melhor que 0,1%. Custo das partes é inferior a 200 reais.

22 Fonte de Alta Tensão Negativa na Bandeja

23 23 Poderemos usar um sistema de no-break com banco de baterias seladas alimentadas por um carregador / retificador de 220 Vac ? Teremos um canal de tensão alimentando uma ou mais PMT? ( agrupar PMT por ganho, uso de splitters com ajuste de tensão individual) Usaremos o cabo de alta tensão para conduzir sinal ? ( redução do número de cabos com o uso de splitters ) Quais as PMT ? Esperamos especificações de tensões máxima e mínima, consumo, ruído/estabilidade da tensão, limitações para correntes e tensões, tudo isto para poder completar o projeto das fontes de alta tensão do detector Neutrinos Angra. Questões


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