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 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, proportional drift chamber, spark chamber) 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 (Multianode Photomultiplier Tube). Inner veto por tanque de cintilador líquido, luz Čerenkov observada por 78 PMT de 8".

Detector Double Chooz

Detector Double Chooz

Detector Double Chooz

Neutrinos Angra - Detector

Detector de posição Planos X & Y

Cintilador FNAL & Fibra WLS

Fibra WLS - detalhe

Planos X&Y embutidos com a eletrônica

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

Luminescência – Diagrama de Estados

Luminescência – Diagrama de Estados

Resposta do Cintilador FNAL

Resposta Cintilador FNAL

Cintilador FNAL X Fibra WLS

Espectro de sensibilidade da MAPMT

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 – 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

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))

Ganho dos PMTs H7546A e R5912

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

Técnica para medição do ganho do PMT Experimento single photoelectron (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

Sistema de Teste para R5912 por fóton simples

Sistema de Teste para R5912 por Cerenkov

Sistema de Teste para H7546B por fóton simples

Sistema de Teste para H7546B por RC

Sistema de Teste – Hamamatsu H7546B

Sistema de Teste – Hamamatsu H7546B

Sistema de Teste – Hamamatsu H7546B

Gerador de pulsos para LED

Sistema de Teste para R5912 por fóton simples

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

Interface do programa de aquisição de temperatura e tensão

Sinais de H7546A no DSO90254A

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

MAPMT e eletrônica

Diagrama em blocos da eletrônica completa

Amplificador e discriminador

Amplificador e discriminador

5- Resultados Monitoração da temperatura ambiente

Medidas com fótons simples no PMT R5912

Espectro de fótons simples do R5912

Espectro de fótons duplos do R5912

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

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

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

Distribuição de amplitude 65

Medida de ganho de H7546A com foto-elétrons simples 66

Medida de ganho de H7546A com foto-elétrons duplos 67

Considerações sobre as medidas No total de 40199 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 0.109 * 4398 / 2 = 240 eventos, e obteve-se o valor bem próximo de 234, com valor de carga média o dobro do foto-elétron simples, 1.024 para 0.511.

H7546A a 900V – medidas com múons 69

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