Desarrollo de la nueva electrónica del Telescopio centellador de rayos cósmicos para la detección de partículas de alta energía

Transcripción

1 Desarrollo de la nueva electrónica del Telescopio centellador de rayos cósmicos para la detección de partículas de alta energía Marcos A. Anzorena Méndez para la colaboración SciCRT 3 de octubre de 2018 Instituto de Geofísica Universidad Nacional Autónoma de México

2 Contenido Introducción El Telescopio centellador de rayos cósmicos Requerimientos de la nueva electrónica del Telescopio Diseño de la nueva electrónica mediante simulación MC Construcción y pruebas preliminares 1

3 Fulguraciones solares GOES:2003 SDO:2012 GOES:2006 2

4 Importancia de detectar neutrones solares 3

5 Detección de neutrones solares Características de la detección en superficie: 1. Es esencial medir la energía y tiempo de arribo. 2. Sólo detectamos neutrones muy energéticos (> 100 MeV). 3. Los telescopios de neutrones deben colocarse a gran altura. 4

6 Telescopio centellador de rayos cósmicos (SciCRT) 5

7 Construcción del telescopio barras de centelleo en total! 6

8 Espectro (aproximado) de rayos cósmicos en Sierra Negra Flux プロットした各粒子のフラックス of each particle (/ cm (/cm2/ 2 / s/ (MeV/ s/ n)) 1.0E E E E E E E E E E E E- 09 PARMA Cosmic-ray モデルで計算した大気中宇宙線フラックス flux calculated by PARMA ( 角度積分値 model ) 中性子 neutron 陽子 proton He He イオン Ion μ + μ+ 粒子 μ - 粒子 μ- 電子 electron 陽電子 positron photon 光子 1.0E E E E E E E E E+05 エネルギー Energy (MeV/ n) n) 7

9 Respuesta esperada a un evento de neutrones solares 8

10 Modo de operación del telescopio 9

11 Tasa de cuentas de µ 450 Counting rate [Hz] /12/04 17/12/11 17/12/18 17/12/25 18/01/01 18/01/08 Time [year/month/day] 10

12 Espectro acumulado de muones durante el mes de Junio log 10 (Counts/min) ADC channel 11

13 Ejemplo de una traza detectada en SB3 X-side Y-side

14 Ejemplo de una traza detectada en SB3 X-side Y-side

15 El problema con de la electrónica actual Por qué necesitamos nueva electrónica? Velocidad de transmisión insuficiente. El diseño no está optimizado para operar en un detector rayos cósmicos. No existen suficientes para completar la instalación del SciCRT. Debemos pensar en la operación a largo plazo. La construcción es costosa. 14

16 Operación básica del sistema de detección 15

17 Arquitectura propuesta Pre-amplificador FPGA Discriminador Filtro V th FPGA TDC PC otros canales 16

18 La técnica de time over threshold Amplitud [mv] Frecuencia Tiempo [ns] ADC [a.u.] TOT [ns] Frecuencia ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Amplitud [mv] TOT [ns] 17

19 Diseño de la nueva electrónica del Telescopio Parámetros de diseño Tiempo de integración del pre-amplificador τ int. Ganancia total del amplificador-formador G V. Tiempo de formación t peak. Resolución del TDC y rango dinámico T min, N (número de bits del TDC). Máxima tasa de detección. Restricciones Consumo de potencia. Tamaño de la tarjeta Costo Rango dinámico. 18

20 Simulación MC de una barra de centelleo 19

21 Objetivo: caracterizar la propagación de fotones en las barras. Parámetros considerados en la simulación Respuesta del centellador. Longitud de atenuación de la Fibra. Tiempos de decaimiento de la Fibra y el plástico. Single photoelectron response del MAPMT. 20

22 Resultados de la simulación Frecuencia Tiempo [ns] 21

23 Resultados de la simulación 6 5 Amplitude [mv] Time [ns] 22

24 Construcción de una tarjeta de 16 canales M A P M T Connection board 16ch Pre amp/ shaper board HV FPGA FPGA back plane board TDC logic, Signal splitter RJ45 Ether net Power Clock Trigger (Hit ) Signal mixer RJ45 Trigger Global Clock Hit RJ45 POE PC 23

25 Construcción de una tarjeta de 16 canales 24

26 Desarrollo de los circuitos para la interconexión Circuito de extracción Circuito de inyección 25

27 Prototipo del sistema completo 26

28 Prueba de toma de datos utilizando la señal de rayos cósmicos 10 3 log10 (Counts) T OT[ns] 27

29 Prueba usando LED log10 (Counts) T OT[ns] 28

30 Conclusiones Para entender la aceleración de partículas en el Sol los neutrones son esenciales. El SciCRT es una herramienta útil para nuestro objetivo. Es necesario el desarrollo e instalación de electrónica de mayor rapidez de lectura. Desarrollamos una metodología adecuada a través de un método MC. Tenemos (casi) listos los módulos para su instalación. Estamos esperando el inicio del ciclo solar