Sistema de Adquisición de Datos para la Caracterización de Fotomultiplicadores para Experimentos de Altas Energías

Transcripción

1 Sistema de Adquisición de Datos para la Caracterización de Fotomultiplicadores para Experimentos de Altas Energías Por Mauro Javier Bonilla Rosales Presentado como requisito parcial para la obtención del grado de: MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN ASTROFÍSICA en el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica Enero 2013 Tonantzintla, Puebla Supervisada por: Dra. Esperanza Carrasco Licea Dr. Ibrahim Torres Aguilar c INAOE 2013 El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir copias totales o parciales de esta tesis.

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3 No basta saber, se debe también aplicar. No es suficiente querer, se debe también hacer. Johann Wolfgang Goethe i

4 Agradecimientos La culminación de una etapa de mi vida profesional se ve reflejada en este trabajo de tesis, ya que la elaboración del proyecto ha llevado tiempo de preparación y aprendizaje. Pero en este proceso no he estado solo ya que ha habido muchas personas e instituciones que han estado apoyándome. Personas que me han brindado apoyo económico, personas que han compartido su conocimiento, personas que me han orientado en los diferentes pasos de mi vida, personas que me han apoyado y han estado ahí para mi. Una institución con la que estoy inmensamente agradecido es el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, que nos apoya es diversas formas a los estudiantes para poder llevar a cabo nuestros estudios y poder culminarlos. Un agradecimiento muy especial a Conacyt que es una institución que se preocupa por el avance de la tecnología y la formación académica de individuos que puedan aportar algo a la sociedad y al vasto conocimiento humano. Gracias a su apoyo por medio de becas hacen gran diferencia en la formación de personas mejor capacitadas. A las primeras personas que quisiera agradecer es a toda mi familia ya que ellos han estado para mi desde el principio de la maestría, me han ayudado de diversas formas y han sido un apoyo incondicional. Sin ellos el flujo de sucesos en mi vida no sería el mismo en esta etapa tan importante. Además de mi familia quiero agradecer a las personas que influyen en mi vida personal ya que todo forma parte de la formación de un individuo, cada aspecto ha sido labrado por tantas personas. En especial a la persona que alegra cada unos de mis días, que su calidez y apoyo impulsa mi trabajo día a día, brindando las fuerzas para seguir adelante e ir superando mis propias expectativas. También quisiera agradecer a los profesores que me han brindado las herramientas necesarias para abrirme paso en los estudios y llegar a esta etapa. Sobre todo a mis asesores la Dra. Esperanza Carrasco Licea, el Dr. Ibrahim Torres Aguilar y el Dr. Eduardo Moreno Barbosa, ellos me han guiado y compartido su experiencia y conocimiento en el desarrollo de mi proyecto de tesis. También al Dr. Andreas Tepes y el Dr. Ignacio Taboada que me apoyaron durante mi estancia en Georgia Institute of Technology en Atlanta, Georgia. Cada uno ha colaborado de manera muy importante en mi formación y al desarrollo de mi tesis. A todas estas personas que han tenido la paciencia y la virtud de enseñarme y ayudarme en mi formación académica se que sin ellos nada de esto sería posible y se los agradezco. ii

5 Para finalizar agradezco a mis compañeros, ya que no sólo han estado ahí para apoyarme, si no es cualquier cuestión ellos brindan también la experiencia que han ido adquiriendo y la comparten sin dudarlo. Gracias a todos los que han sido parte importante para terminar mi proyecto de tesis. iii

6 Resumen Los tubos fotomultiplicadores son sensores usados en los observatorios de rayos gamma debido a su alta sensibilidad y respuesta temporal de unos cuantos nanosegundos. Para experimentos de altas energías siguen siendo ampliamente utilizados. Los fotomultiplicadores necesitan ser calibrados y puestos a trabajar con la misma sensibilidad, para ello se han utilizado sistemas de caracterización elaborados por los grupos de trabajo donde ocupan este tipo de sensores. El desarrollo de un sistema de caracterización de fotomultiplicadores ha surgido de la reciente necesidad de contar con un sistema eficiente y confiable para determinar las características de los tubos fotomultiplicadores. Debido a que actualmente en el mundo se están llevando a cabo importantes experimentos para la detección de partículas de altas energías. México no es la excepción ya que en el estado de Puebla se están construyendo dos observatorios y el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) es una de las instituciones ĺıder para su desarrollo. Los observatorios que se está construyendo son High Altitude Water Cherenkov (HAWC) y Large Aperture GRB Observatory (LA- GO). Ambos son observatorios con detectores Cherenkov de agua. Por un lado HAWC es un observatorio de rayos gamma (γ) de gran apertura capaz de monitorear el cielo en el rango de energías de 100 GeV a 100 TeV. LAGO, una colaboración de instituciones latinoamericanas, busca detectar Gamma Ray Bursts (GRBs). El sitio elegido para instalar ambos observatorios es Sierra Negra con una diferencia de altura de unos cientos de metros. Para la creación del sistema de caracterización se utilizó una electrónica con dispositivos modulares que utiliza un sistema de comunicación que favorece la transferencia de datos de manera eficiente y rápida, por medio de protocolo de comunicación VERSA Module Eurocard (VME). Los dispositivos utilizados son una fuente de alto voltaje, un tarjeta digitalizadora, un puente de USB y la caja donde van todos los dispositivos. Para realizar la adquisición de datos y la configuración de los módulos se desarrolló un programa en C++, además se creó otro programa para la traducción a datos de carga, amplitud máxima y tiempos que tarda la señal en llegar al 50 % y 90 % de la carga total. El sistema brinda las características del tubo fotomultiplicador sobre linealidad, corriente oscura, respuesta a un fotoelectrón y ganancia. Por lo que los tubos que se piensan usar en el experimento LAGO podrían ser calibrados y establecer el rango de ganancia para tener la misma sensibilidad por medio del sistema de caracterización de una manera eficiente y rápida. Además podría usarse para algunos tubos fotomultiplicadores de HAWC. iv

7 Abstract The photomultiplier tubes are sensors used in gamma ray observatories due to its high sensitivity and response time of a few nanoseconds. For high-energy experiments are still widely used. The photomultipliers need to be calibrated and set to work with the same sensitivity, for this reason have been developed characterization systems by the working groups which occupy this kind of sensors. The photomultipliers characterization system has been thought from the increasing need to have a more efficient and reliable system for data collection to characterize fotomultiplicadore tubes. This is because the world is currently being conducted important experiments for the detection of high energy particles. Mexico is no exception, in the state of Puebla are building two observatories and the INAOE is one of the leading institutions for their development. The observatories are being built HAWC and LAGO. Both are observatories work with water Cherenkov detectors. HAWC is a large aperture gamma ray observatory (γ) capable of monitoring the sky in the energy range from 100 GeV to 100 TeV. LAGO is a collaboration of latinamerican institutions, seeks to detect GRBs. The site chosen to install both observatories of each project is Sierra Negra with height difference of a few hundred meters. For the creation of the system is used a modular electronic devices using a communication protocol that benefit the data transfer efficiently and quickly through VME bus also the devices can work with few nanoseconds signals. The devices used are high voltage source, a digitizer card, a USB bridge and a crate where all the devices are installed. The devices used are a high voltage source, a digitizing card, a bridge USB and the box where all the devices. For data acquisition and configuration of the modules, a program was developed in C + +, also another program was created to translate data charge, maximum amplitude and time that takes the signal to reach 50 % and 90 % total charge. The system provides the characteristics of the photomultiplier tube on linearity, dark current, a photoelectron response and gain. So you think the tubes used in the experiment LAGO could be calibrated and set the gain range to have the same sensitivity through characterization system efficiently and quickly. It could also be used for some HAWC PMTs. v

8 Índice General Agradecimientos ii Resumen iv Abstract v Índice de Figuras xi Índice de Tablas xii Acrónimos xiii 1. Introducción Rayos gamma Rayos cósmicos Cascadas atmosféricas Luz Cherenkov Detectores de agua Cherenkov MILAGRO HAWC LAGO Tubos Fotomultiplicadores Funcionamiento Efecto fotoeléctrico Emisión secundaria Dispositivos periféricos Fuente de alto voltaje Circuito divisor de voltaje Caja de aislamiento Métodos de operación Características del PMT Linealidad vi

9 Uniformidad Estabilidad Ganancia del PMT Corriente Oscura del PMT Relación señal a ruido Tiempos característicos Área sensible Factores ambientales Exposición a la luz ambiental Temperatura Humedad Campos magnéticos Construcción del Sistema Sistema de referencia Hardware del sistema VME Caja VME y mecánica de los módulos Puente USB Tarjeta Digitalizadora Fuentes de alto voltaje Generador de funciones Caja de aislamiento de luz Acoplamiento del sistema Software del sistema VME Adquisición de datos Configuración de dispositivos VME Configuración del puente USB Configuración de la tarjeta digitalizadora y adquisición de datos Configuración de la fuente de alto voltaje Almacenamiento de datos Traducción de datos Archivo de datos Pedestal Carga Amplitud máxima Voltaje mínimo Tiempo t Tiempo t Pruebas y Resultados Calibración de los dispositivos VME Pruebas de calibración para la tarjeta digitalizadora Pruebas de calibración para la fuente de alto voltaje vii

10 4.2. Caracterización de un PMT Corriente oscura del PMT Linealidad del PMT Respuesta de un PMT a un fotoelectrón Ganancia del PMT Conclusiones Aplicaciones Trabajo a futuro A. Código de Adquisición 89 B. Código de Procesado 100 C. Hoja de datos del PMT 104 Bibliografía 107 viii

11 Índice de Figuras 2.1. Esquema de un Fotomultiplicador Efecto Fotoeléctrico Emisión Secundaria Método de Operación Básico Circuito Divisor de Voltaje Niveles de Luz Método DC de Detección Método AC de Detección Método de Conteo de Fotones Ejemplo de relación señal a ruido Definición de Tiempos Característicos Diagrama a Bloques del Sistema de Referencia Generador de Funciones Osciloscopio Fuente de Voltaje Sistema de Caracterización de Fotomultiplicadores Programa de Adquisición de Datos Primer Archivo de Datos en ASCII Programa para la Traducción de Datos MiniCrate VME Sistema Modular VME Módulo VME: puente USB V Módulo VME: tarjeta digitalizadora V Módulo VME: fuente de alto voltaje V Generador de Funciones Interior de la Caja de Aislamiento de Luz Ambiental Diagrama a Bloques del Sistema de Caracterización Tubo Fotomultiplicador en el Sistema de Caracterización Diagrama de Flujo para la Adquisición de Datos Diagrama de Flujo para la Configuración de la Tarjeta Digitalizadora Diagrama de Flujo para la Adquisición de Datos Diagrama de Flujo para la Configuración de la Fuente de Voltaje Diagrama de Flujo para Almacenamiento de los Datos de Voltaje ix

12 3.23. Diagrama de Flujo para la Traducción de Datos Diagrama de Flujo para la Traducción de Datos Diagrama de Flujo para Obtener el Valor de Ruido o Pedestal Diagrama de Flujo para Obtener la Carga Diagrama de Flujo para Obtener el Valor de Amplitud Máxima Alcanzada Diagrama de Flujo para Obtener el Valor de Voltaje Mínimo Diagrama de Flujo para Obtener t Diagrama de Flujo para Obtener t Histogramas de Estabilidad con el Sistema VME (a). Histograma de Carga con el Sistema VME (b). Histograma de Voltajes Máximos con el Sistema VME (c). Histograma de Voltajes Mínimos con el Sistema VME (d). Histograma de T1/2 con el Sistema VME Histogramas de Comparación con el Sistema de Referencia (a). Histograma de Carga con el Sistema de Referencia (b). Histograma de Voltajes Máximos con el Sistema de Referencia (c). Histograma de Voltajes Mínimos con el Sistema de Referencia (d). Histograma de T1/2 con el Sistema de Referencia Histogramas de Comparación entre Sistemas (a). Histograma de Comparación para la Carga con Ambos Sistemas (b). Histograma de Comparación para el Voltaje Máximo con Ambos Sistemas (c). Histograma de Comparación para el Voltaje Mínimo con Ambos Sistemas (d). Histograma de Comparación para t1/2 con Ambos Sistemas Exactitud de las Fuentes de Alto Voltaje (a). Canal (b). Canal (c). Canal (d). Canal (e). Canal (f). Canal Dependencia entre Canales de Alto Voltaje (a). Canal (b). Canal (c). Canal (d). Canal (e). Canal (f). Canal Error por canal de alto voltaje Arreglo Experimental para la Prueba de Corriente Oscura del PMT Histograma de Corriente Oscura del PMT para 1500 Volts Variación de la Corriente Oscura del PMT Dada por la Carga con Respecto al Voltaje de Alimentación del PMT x

13 (a). Variación de la corriente oscura del PMT dada por la carga con respecto al voltaje de alimentación del PMT (b). Variación de la corriente oscura del PMT dada por la carga con respecto al voltaje de alimentación del PMT con su respectivo ajuste Arreglo Experimental para la Prueba de Linealidad del PMT Histograma de Linealidad para 1500 Volts Gráficas de Linealidad del PMT (a). Variación de la carga con respecto al voltaje de alimentación del PMT para obtener (b). una curva de linealidad del PMT Variación de la carga con respecto al voltaje de alimentación del PMT para obtener una curva de linealidad del PMT, se puede ver su ajuste para encontrar una recta o región lineal Arreglo Experimental para la Respuesta del PMT a un Fotoeletrón Histograma para la Respuesta del PMT a un Fotoelectrón (a). Voltaje de Alimentación del PMT de (b). Voltaje de Alimentación del PMT de (c). Voltaje de Alimentación del PMT de (d). Voltaje de Alimentación del PMT de Curva para la Respuesta del PMT a un Fotoelectrón (a). Respuesta del PMT a un fotoelectrón (b). Respuesta del PMT a un fotoelectrón ajustando una ĺınea recta Curva de Ganancia del PMT (a). Curva de ganancia del PMT (b). Curva de ganancia del PMT ajustando una ĺınea recta xi

14 Índice de Tablas 4.1. Datos de Calibración del Photomultiplier Tube (PMT) con el Sistema VME Datos de Calibración del PMT con el sistema de Referencia Calibración de la Fuente de Alto Voltaje Prueba de Dependencia entre los Canales de Alto Voltaje Pruebas de Correlación de Temperatura de la Fuente de Alto Voltaje Tabla de Corriente Oscura del PMT Tabla de Linealidad del PMT Tabla de Datos para la Respuesta del PMT a un Fotoelectrón Tabla de Ganancia del PMT Comparación de Tiempos de Caracterización xii

15 Acrónimos AC ADC ASCII BUAP DAC DC FPGA GPIB GRB GTM HAWC INAOE LAGO LAN LCD LED Alternating Current Analog to Digital Converter American Standard Code for Information Interchange Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Digital to Analog Converter Direct Current Field-Programmable Gate Array General Purpose Instrumentation Bus Gamma Ray Burst Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano High Altitude Water Cherenkov Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica Large Aperture GRB Observatory Local Area Network Liquid Crystal Display Light Emitting Diode MILAGRO Multiple Institution Los Alamos Gamma Ray Observatory NIM PMT RAM Nuclear Instrumentation Module Photomultiplier Tube Random Access Memory xiii

16 RMS SHV SRAM TTL USB VME WCD Root Mean Square Safe High Voltage Static Random-Access Memory Transistor-Transistor Logic Universal Serial Bus VERSA Module Eurocard Water Cherenkov Detector xiv

17 Capítulo 1. Introducción 1.1. Rayos gamma Las ondas de radio, la luz visible y los rayos X y gamma son distintas manifestaciones de un mismo fenómeno: las ondas electromagnéticas o fotones. Lo que las diferencia es su longitud de onda o, equivalentemente, la energía del fotón en cuestión. Así, la luz visible corresponde a fotones de entre 2 ev -luz roja- y 3 ev para la luz violeta. La luz ultravioleta es más dañina para los organismos ya que sus fotones pueden tener una energía de 10 ev. Los rayos X tienen energías de centenares o miles de ev, y traspasan la piel y materiales delgados sin mayor dificultad. Los rayos γ son los fotones de mayor energía, y en particular HAWC * estudiará el cielo detectando fotones con energías de 100 GeV o mayores. Sólo los fenómenos más violentos del Universo pueden producir este tipo de radiación Rayos cósmicos En 1912 Victor Hess descubrió que la Tierra es literalmente bombardeada por radiación proveniente del espacio, la cual no llega hasta nosotros al ser absorbida por la atmósfera. En los años posteriores se demostró que esta radiación, denominada rayos cósmicos, está constituida por partículas cargadas, en su mayoría protones y núcleos atómicos, de muy alta energía. Los rayos cósmicos tienen energías enormes, desde algunos GeV hasta centenares de EeV. Los rayos cósmicos ultra-energéticos son millones de veces más energéticos que las partículas producidas por lo grandes aceleradores creados por el hombre (INAOE, 2011). Siendo partículas cargadas, al propagarse por el espacio son desviadas por campos magnéticos en la Galaxia, de manera que su dirección de arribo no corresponde con el objeto de origen. A casi un siglo de su descubrimiento, el origen de los rayos cósmicos sigue siendo uno de los mayores enigmas de la astrofísica. Una de las llaves para resolver este misterio son las fuentes celestes de rayos γ. La producción de rayos γ requiere de partículas cargadas de alta energía, por lo que las fuentes celestes de rayos γ deben coincidir con las fuentes de los rayos cósmicos. * Por sus siglas en inglés: High Altitude Water Cherenkov. Es un observatorio de rayos gamma. 1

18 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.3. CASCADAS ATMOSFÉRICAS 1.3. Cascadas atmosféricas Los rayos cósmicos y los rayos γ son absorbidos por la atmósfera terrestre, por lo que su estudio se realiza en parte desde el espacio. Sin embargo, las partículas y fotones más energéticos depositan una cantidad tal de energía (comparable a un ergio) que es posible detectarlas y medirlas desde la superficie. A una altura de unos 20 km los fotones se convierten en un electrón y un positrón (γ e + e + ), los cuales penetran unos 3 km más adentro antes de emitir un fotón cada uno (e e + γ). A ese nivel la energía del rayo γ original se ha repartido entre cuatro partículas, las cuales se irán multiplicando siguiendo los mismos procesos. El aumento en la densidad del aire al penetrar la atmósfera, provoca que estas reacciones se den después de recorrer distancias cada vez menores, de manera a que a los 8 km de altura hay mas de mil partículas, y un millón a 2700 metros de altura. Estas partículas forman lo que se denomina una cascada atmosférica, o cascada electromagnética (INAOE, 2011). Los rayos cósmicos generan también cascadas atmosféricas, pero de un tipo distinto, denominado cascada hadrónicas. Los rayos cósmicos son en su mayoría protones, los cuales se clasifican como hadrones, siendo un hadrón una partícula formada por quarks. Los protones de alta energía tienen reacciones más complicadas en la atmósfera. Al chocar con un núcleo atmosférico, nitrógeno u oxígeno, producen piones neutros y cargados, los piones son partículas de la familia de los mesones, y estos son hadrones formados por dos quarks. Los piones son partículas muy inestables que rápidamente dan lugar a partículas más estables. Los piones cargados (π, π + ) producen muones y electrones, mientras que los piones neutros dan lugar a fotones (π 0 γ + γ), por lo que las cascadas hadrónicas contienen una mayor variedad de partículas que las electromagnéticas. Las cascadas atmosféricas se desarrollan hasta que las partículas de la misma no tienen la energía suficiente para producir las reacciones necesarias, lo cual sucede a unas decenas de MeV. Si la cascada fue originada por un fotón de 1 TeV la cascada dejará de crecer a unos 5 o 6 km de altura, punto donde alcanza su desarrollo máximo. Las cascadas tienen también un desarrollo lateral, de manera que las partículas de la misma caen en una zona con dimensiones de unos cientos de metros, dependiendo de la energía del rayo γ o cósmico original (INAOE, 2011) Luz Cherenkov La velocidad de la luz en el vacío es c = m/s. Esta velocidad representa un ĺımite de velocidad universal, el cual no puede ser superado o alcanzado por un partícula con masa. Los rayos cósmicos son las partículas que más se aproximan a este ĺımite: un protón de 1 TeV viaja a m/s, esto es el % de la velocidad de la luz, mientras que un electrón de misma energía viaja a m/s, esto es equivalente al %. Por otro lado resulta que la luz en un medio se propaga más lento que en el vacío, de acuerdo a la fórmula v = c, donde n es el índice n de refracción del medio, de manera que la velocidad de la luz en el aire (n = ) es de alrededor de m/s, mientras que en el agua n = 1.33 y la velocidad de la luz es de m/s. Se da la situación de que los rayos cósmicos y muchas de las partículas de una cascada atmosférica se propagan más rápido que la luz en el aire. 2 de 108

19 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.5. DETECTORES DE AGUA CHERENKOV En 1934 Pavel Alekseyevich Cherenkov observó que el paso de partículas cargadas por un material dieléctrico producía radiación. Estudios posteriores mostraron que esta radiación es generada por el paso de partículas de muy alta energía que se propagan por el medio a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el mismo, generando un frente de fotones causado por la polarización y despolarización de las moléculas alĺı presentes. La radiación Cherenkov se propaga formando un cono de luz que va detrás de la partícula. La condición para que este frente de fotones sea observable es que debe estar en fase con los fotones emitidos por el paso de la partícula. Esta condición se expresa en función del ángulo de emisión α, de la siguiente forma (INAOE, 2011): cos α c = 1 β ɛ (ω) Donde ɛ (ω) es la constante dieléctrica del medio, ω es la frecuencia de oscilación de las moléculas del medio y β la velocidad de la partícula. De esta última expresión tenemos que existen dos ĺımites, o condiciones, para que una partícula cargada produzca radiación Cherenkov: β min = 1/ ɛ (ω) y β max = 1. La dependencia de ɛ con ω restringe la radiación Cherenkov emitida a un ancho de banda debido a parámetros físicos como frecuencias de resonancias y absorción del medio Detectores de agua Cherenkov Los observatorios Cherenkov de agua, como MILAGRO *, LAGO ** y HAWC, se basan en la detección de la luz Cherenkov producida por las partículas de la cascada atmosférica al entrar al agua. Son grandes depósitos de agua, aislados de la luz ambiental y dotados de numerosos tubos fotomultiplicadores, capaces de detectar intensidades muy bajas de luz de hasta un fotón. Tienen la ventaja de poder operar las 24 horas del día, sin interrupción por las condiciones de luz o de clima. Son capaces de detectar rayos γ de cualquier dirección dentro de un cono de unos 45 grados de apertura con respecto a la vertical, correspondiente a un 15 % del cielo. Y al ir rotando la bóveda celeste cambia la región del cielo accesible al observatorio, de manera que después de un día (sideral) el instrumento ha observado dos tercios del cielo. Esto se repite cada día, acumulándose los datos constantemente, de manera que logra una exposición profunda de un porción importante del cielo después de varios años (INAOE, 2011). El alto índice de refracción del agua garantiza que prácticamente todas las partículas de la cascada emiten este tipo de luz. El agua debe ser transparente para que la luz Cherenkov no se pierda antes de llegar a los tubos fotomultiplicadores. Los detectores de rayos γ requieren distinguir éstos de los rayos cósmicos, los cuales forman una especie de ruido de fondo ante el cual requerimos ver la señal de la fuente celeste. Por ello es importante poder diferenciar entre los dos tipos de cascadas. La discriminación entre cascadas electromagnéticas y hadrónicas se hace mediante la detección de muones, presentes mayormente en las cascadas hadrónicas y el reconocimiento de patrones, siendo las cascadas hadrónicas más disgregadas que las * Por sus siglas en inglés: Multiple Institution Los Alamos Gamma Ray Observatory. ** Por sus siglas en inglés: Large Aperture GRB Observatory. 3 de 108

20 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.5. DETECTORES DE AGUA CHERENKOV electromagnéticas. Cada fotomultiplicador se aísla de los demás, ya sea mediante cortinas o poniéndolos en tanques individuales, de manera que un electrón sólo ilumina un tubo fotomultiplicador. Los muones son partículas mucho más penetrantes, capaces de iluminar varias celdas contiguas, lo cual provee un método de diferenciar entre cascadas electromagnéticas y hadrónicas. Un WCD * es un dispositivo que usa el principio de radiación Cherenkov para detectar la traza de partículas secundarias generadas en una cascada aérea extensa que atraviesan un tanque con agua purificada. Está compuesto de: Tanque Tanque Electrónica El tanque es un recipiente capaz de contener agua y que consta de las siguientes partes: Difusor interno: en algunos experimentos se usa un difusor interno que es un material sintético hecho de fibras de polietileno de alta densidad que garantiza un alto porcentaje de difusión y reflectividad. Se ubica dentro de tanque en contacto directo con el agua. Este material se denomina Tyvek R 10. Aislante fotónico: material hecho en polietileno de alta densidad, se ubica dentro y fuera del tanque evitando el ingreso de radiación de baja energía principalmente de origen solar. Agua: debe tener un coeficiente de absorción bajo para garantizar la libre propagación de los fotones dentro del tanque. Electrónica La electrónica que utiliza un WCD se compone de: Tubo fotomultiplicador: es un dispositivo de alta sensibilidad espectral que usa el principio fotoeléctrico para generar un flujo de corriente en función de un número de fotones incidentes en él. Consta de un fotocátodo donde se producen electrones que se aceleran por una serie de electrodos, o dínodos, conectados a una serie de diferencias de potencial en cascada. Estos electrones, al llegar al último dínodo denominado ánodo, se convierte en un pulso de voltaje. Un PMT ** se caracteriza por tener las siguientes regiones de trabajo: lineal, estable y exponencial. Estas regiones surgen por la forma en que los electrones son desprendidos de las moléculas que componen los electrodos. A medida que se aumenta el voltaje, los electrones de valencia de los electrodos son acelerados, generando un flujo de corriente de forma lineal, en relación con el aumento de voltaje; después de cierto voltaje no es posible desprender más electrones, llegando a * Por sus siglas en inglés: Water Cherenkov Detector ** Por sus siglas en inglés: Photomultiplier Tube 4 de 108

21 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.5. DETECTORES DE AGUA CHERENKOV una región donde el flujo de electrones permanece constante al aumento de voltaje. Esta región se conoce como región estable de trabajo. Si el voltaje sigue aumentando los electrones de las capas más internas son desprendidos y dan lugar a una región de flujo exponencial de corriente. La Estación Local: es un dispositivo electrónico alimentado por una fuente de 12 voltios que permite, por una parte, controlar el PMT y por otra adquirir, digitalizar y enviar a un computador las señales producidas en el tanque. Ésta maneja un protocolo de adquisición, generalmente se obtienen los siguientes histogramas a partir de un mínimo de energía o umbral deseado: * Histograma de Carga: este histograma de carga corresponde al conteo de partículas en función del área bajo la curva de la señal. Un histograma de carga típico muestra el número de partículas que han depositado cierta cantidad de carga dentro del tanque. * Histograma de Voltaje Pico: este histograma corresponde al pico máximo de voltaje de la señal, mostrando el número de partículas en función del pico máximo de la señal. Computadora: ésta es usada para la administración y control de la estación local y el tubo fotomultiplicador. Además para el almacenamiento y procesamiento de los datos MILAGRO MILAGRO estaba situado en las montañas Jemez de Nuevo México, a 2650 m de altura, el área que cubría corresponde a un rectángulo de 50 por 80 m, con 8 m de profundidad. Además del reservorio principal, MILAGRO tenía una serie de tanques auxiliares en su periferia para poder abarcar mejor las cascadas atmosféricas. Después de 7 años de operación los datos de MILAGRO han dado el mapa más extenso del cielo visto en fotones con energías de alrededor de 1 TeV, descubriendo una región particularmente brillante en la constelación de Cygnus HAWC HAWC es un observatorio de rayos γ de gran apertura capaz de monitorear el cielo en el rango de energías de 100 GeV a 100 TeV, permitiendo el estudio de fuentes celestes de rayos γ que son inalcanzables con el conjunto actual de instrumentos. HAWC está siendo construido por una colaboración de científicos de México y Estados Unidos; entre estas instituciones el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) es la institución ĺıder en México. El lugar donde se está llevando a cabo este proyecto es Sierra Negra, México, que está a una altura aproximada de 4100 m situado cerca de las instalaciones del Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM). El observatorio ocupará detectores Cherenkov de agua, como su predecesor MILAGRO, también utilizará muchos de los componentes de MILAGRO. Debido al aumento de altitud, la mayor área física, y el diseño optimizado, HAWC tendrá una mejor resolución angular, mayor área efectiva, la disminución de la energía umbral de antecedentes y mejor rechazo de hadrones. Estas mejoras se traducirá en una sensibilidad de 10-15x mejor que la de MILAGRO y se puede lograr sin nueva tecnología, con sólo una modesta mejora de la electrónica actual. Se han utilizado los datos existentes de MILAGRO y simulaciones para comprobar estos cálculos. 5 de 108

22 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.5. DETECTORES DE AGUA CHERENKOV Algunos de los objetivos y actividades mecionados en INAOE (2011), que se pretenden realizar con HAWC son: 1. Mapear la emisión galáctica difusa de rayos gamma por encima de 1 TeV y, por tanto, medir el flujo de rayos cósmicos y el espectro en toda la galaxia. Este mapa permitirá ver las regiones de fuerte emisión por encima de lo esperado a partir de interacciones con la materia: indicativo de la aceleración de rayos cósmicos. 2. HAWC con su resolución angular y de energía además de mejorar el rechazo de fondo, descubrirá las fuentes de rayos gamma de más alta energía en la Galaxia. MILAGRO ya ha observado los rayos gamma de una fuente, MGROJ , hasta 90 TeV. La medición del espectro de alta energía de HAWC permitirá determinar si estas fuentes son también fuentes de los rayos cósmicos galácticos. 3. Llevar a cabo un mapeo imparcial del cielo con un umbral de detección de 30 mcrab en dos años, lo que permite el monitoreo de fuentes conocidas y el descubrimiento de nuevas clases de fuentes de rayos gamma, tanto puntuales como difusas en TeV. 4. Con la sensibilidad para detectar un flujo de 5 veces la del Cangrejo en sólo 10 minutos a lo largo de todo el cielo, HAWC observará destellos de núcleos activos de galaxias que no son observables por otros instrumentos, incluidos los destellos huérfanos de TeV. Observaciones multi-longitud de onda de destellos de núcleos activos de galaxias, desde radio hasta TeV, probará el medio ambiente hasta unos cuantos cientos de UA del agujero negro súper-masivo, limitando los modelos de producción de rayos gamma y la aceleración de partículas cargadas. 5. La sensibilidad a bajas energías del HAWC y su continua operación son únicos y esenciales para medir la rápida emisión de las explosiones de rayos gamma GRBs. HAWC podrá detectar GRBs con un corrimiento al rojo z 1 si, como se predijo, su fluencia (la tasa a la cual un flujo de partículas cruza una unidad de área) en TeV es comparable a su fluencia en kev, mientras que para GRBs más cercanas se pueden detectar fluencias mucho menores. Detector HAWC utilizará PMTs de 8 Hamamatsu de MILAGRO, desplegará 3 PMTs de 8 y uno de 10 en un tanque metálico de 5 m de profundidad por 7 m de diámetro. Los tanques se desplegarán en un denso patrón que proporciona más del 75 % de cobertura del área instrumentada de 150 m x 150 m. Las partículas secundarias, que se producen cuando un rayo gamma de alta energía incide en la atmósfera de la Tierra, iluminan el PMT con la luz Cherenkov que producen. Cuando varios tanques observan la misma cascada electromagnética, es posible reconstruir la dirección del rayo gamma primario que causó la cascada. El rechazo del fondo por HAWC a las más altas energías (> 50 TeV) es más de un orden de magnitud mejor que el de MILAGRO, y permitirá una medición casi libre del fondo. Este rechazo del fondo, combinado con la resolución de energía y resolución angular de HAWC, nos permitirá hacer una medición precisa, nunca vista, de los rayos gamma de más alta energía (INAOE, 2011). 6 de 108

23 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.5. DETECTORES DE AGUA CHERENKOV LAGO LAGO surge como una contraparte a los extensos y costosos experimentos existentes de rayos cósmicos, así como un complemento o experimento paralelo a los detectores satelitales. Su fórmula es: cadena de sitios en alta montaña + detectores Cherenkov de agua + SPT (Single Particle Technique, simplemente la idea es contabilizar todas las partículas que atraviesan los detectores independientemente de si pertenecen a un chubasco) = Detección de GRBs en la superficie terrestre. Por ello, actualmente LAGO contempla los siguientes sitios: Chacaltaya, Bolivia; Pico Espejo, Venezuela; Marcapomacocha, Perú y Sierra Negra, México. A 5300, 4750, 4470 y 4650 m sobre el nivel del mar respectivamente. LAGO detecta la componente de alta energía del espectro de emisión del GRB, específicamente alrededor de 100 GeV, puesto que es más observable esta componente del espectro que la de 1 TeV. En LAGO se propone utilizar detectores Cherenkov de agua por su sensibilidad para detectar fotones, los cuales representan hasta un 90 % de las partículas secundarias de las mismas cascadas iniciadas por fotones de alta energía. La sensibilidad de la electrónica juega un papel importante en los tiempos en que ocurre el fenómeno. El tiempo de duración del GRB vs. respuesta de la electrónica, si consideramos que el tiempo típico de duración para GRBs cortos es de medio segundo y de alrededor de 1 minuto para los largos, LAGO tiene ventaja en este aspecto puesto que la electrónica funciona a un conteo de partículas de cada 5 ms, aún para los destellos más cortos, de 1 s, se tendrá una ventana de 100 bines de resolución. 7 de 108

24 Capítulo 2. Tubos Fotomultiplicadores Un fotomultiplicador es un dispositivo de detección de luz que convierten la luz recibida en una señal eléctrica medible, después amplifica la señal a niveles útiles por medio de la emisión secundaria de fotones. En la emisión secundaria se consigue amplificaciones con factores de multiplicación desde 10 3 hasta 10 9, que es una ventaja del fotomultiplicador sobre otros detectores luminosos. Además, en algunos fotomultiplicadores se pueden conseguir respuestas con tiempos de subida menores a 1 ns. En la actualidad los fotomultiplicadores son utilizados en varias disciplinas como astronomía, biología, medicina, bioquímica, medio ambiente, fotografía, en la industria, entre otras. Los tubos fotomultiplicadores han sido usados desde hace muchos años para detectar fotones de altas energías (rayos x y gamma) y siguen siendo ampliamente utilizados en los experimentos para la detección de altas energías por medio de radiación Cherenkov. Algunas de las razones por las cuales son tan usados son: Área de sensado grande. Excelente desempeño en los tiempos de respuesta. Alta ganancia y bajo ruido. Elementos de un fotomultiplicador: Fotocátodo: convierte el flujo luminoso en un flujo de electrones que se conocen por fotoelectrones para remarcar su origen fotoeléctrico, en oposición a los otros electrones que se originan por emisión secundaria en los dínodos. Los cátodos usados en los fotomultiplicadores son hechos de un semiconductor fotoemisivo. Sistema de focalización: acelera y dirige los fotoelectrones hacia el multiplicador de electrones. El sistema debe ser capaz de enfocar el máximo número de electrones sobre el primer dínodo sin tener en cuenta la velocidad inicial y en que parte del fotocátodo son originados. Estos dos factores son importantes para la rápida respuesta en los fotomultiplicadores. La proporción entre el número de electrones que alcanzan el área útil del primer dínodo y el número total de electrones emitidos por el cátodo es llamada eficiencia de recolección. Ésta es generalmente superior al 80 %. 8

25 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES Figura 2.1 Figura 2.1: En el esquema se pueden observar los diferentes elementos que integran un tubo fotomultiplicador desde la placa frontal que es donde inicia la detección de la luz hasta la base que proporciona la señal de salida. Imagen obenida de Hamamatsu Photonics (1998). Multiplicador de electrones: consiste en electrodos de emisión secundaria llamados dínodos, formando una cadena de dínodos, para tener un sistema de amplificación. Los dínodos del multiplicador de electrones están acomodados de tal forma que los campos eléctricos entre ellos causan que los electrones emitidos por cada dínodo lleguen a golpear los siguientes con la energía de unos cientos de ev. Como resultado de la emisión secundaria, el número de electrones se incrementa de dínodo a dínodo dando la multiplicación requerida. Si un dínodo i tiene un coeficiente de la emisión secundaria δ i y una eficiencia de recolección n i, la ganancia g i se puede expresar: Y la ganancia total M del fotomultiplicador es: g i = δ i n i M = N i=1 g i donde N es el número total de etapas. Los factores más importantes que influyen en la ganancia y tiempo de respuesta del multiplicador son los materiales y la geometría de los dínodos. Ánodo: colecta el flujo de electrones del multiplicador y produce la señal eléctrica de salida. La forma y arreglo de los electrodos en el extremo de salida del multiplicador, ánodo o colector,es diferente al de las etapas intermedias. La geometría debe permitir colectar todos los electrones secundarios emitidos por el último dínodo, reducir los efectos espaciales de carga para asegurar una respuesta lineal y acoplar la impedancia del ánodo a la impedancia del conector de salida. En la figura 2.1 se puede observar el esquema de un tubo fotomultiplicador y las diversas partes que lo componen. 9 de 108

26 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.1. FUNCIONAMIENTO 2.1. Funcionamiento Hay dos fenómenos en los que se basa fundamentalmente el funcionamiento y operación de un fotomultiplicador: el efecto fotoeléctrico, que tiene lugar en el fotocátodo del fotomultiplicador y la emisión secundaria que tiene lugar en la cadena de dínodos. Si el número de fotones que inciden en el primer dínodo es n k, y la ganancia es g 1, el número de electrones secundarios es n k g 1, después si el segundo dínodo tiene una ganancia g 2, emite n k g 1 g 2 electrones. Este proceso se repite en cada dínodo hasta llegar al ánodo. Si N es el número de dínodos, el número de electrones colectados por el ánodo es: Efecto fotoeléctrico n a = n k N g i La fotoemisión, que está representada en la figura 2.2, es el proceso en el que un fotón es capaz de arrancar un fotoelectrón del material que lo absorbe y se pueden distinguir 3 etapas (Flyckt and Marmonier, 2002). Los fotones absorbidos proporcionan energía a los electrones del material. Los electrones energizados se difunden a través del material, perdiendo parte de su energía. Los electrones llegan a la superficie con un exceso de energía suficiente para escapar de ésta. No todos los fotones incidentes sobre el material fotoemisivo causan este efecto. A la proporción del número de electrones emitidos entre el número de fotones incidentes es llamada eficiencia cuántica. Ésta siempre es menor a la unidad por la pérdida de energía en el proceso de fotoemisión. La eficiencia cuántica es función de la longitud de onda de la luz incidente, composición y espesor del material Emisión secundaria Al igual que en el caso de la fotoemisión se pueden distinguir 3 etapas en la emisión secundaria que se muestra en la figura 2.3: Los electrones primarios absorbidos proporcionan energía a los electrones del material. Los electrones energizados se difunden a través del material. Los electrones alcanzan la superficie con el suficiente exceso de energía para escapar al vacío. i=1 10 de 108

27 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.1. FUNCIONAMIENTO Figura 2.2 Figura 2.2: Al incidir un fotón en una placa de material fotosensible se proporciona la energía suficiente para que algún electrón se difunda a través del material y escape de éste. Imagen obtenida de Flyckt and Marmonier (2002) Figura 2.3 Figura 2.3: Al incidir un electrón primario con suficiente energía en alguna superficie induce la emisión de electrones secundarios. Imagen obtenida de Hamamatsu Photonics (1998). 11 de 108

28 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.2. DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS Figura 2.4 Figura 2.4: En el esquema se observan los elementos necesarios para tener operando un fotomultiplicador, entre estos componentes se encuentran la caja de aislamiento, la fuente de alto voltaje, el circuito divisor de voltaje y el circuito de detección de señal. Imagen obtenida de Hamamatsu Photonics (1998) Dispositivos periféricos Los tubos fotomultiplicadores requieren una fuente estable de alto voltaje, un circuito divisor de voltaje que se encargue de distribuir este voltaje de manera óptima en cada uno de los dínodos y un elemento para aislar el PMT de la luz como se puede ver en la figura Fuente de alto voltaje Los tubos fotomultiplicadores ocupan una fuente de alto voltaje ya sea positivo o negativo. Como la ganancia del PMT es extremadamente alta, con valores que van desde 10 3 hasta 10 8, es muy susceptible a variaciones que se den en la fuente de alimentación. Si la estabilidad de la salida del fotomultiplicador quiere ser mantenida dentro del 1 %, la fuente de alto voltaje debe tener una estabilidad que esté dentro del 0.1 % Circuito divisor de voltaje El voltaje de alimentación debe ser distribuido en cada uno de los dínodos. Para este propósito se usa generalmente un circuito divisor de voltaje (figura 2.5) y proporcionar un gradiente de voltaje entre cada dínodo. 12 de 108

29 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.3. MÉTODOS DE OPERACIÓN Figura 2.5 Figura 2.5: El circuito de divisor distribuye el voltaje en cada uno de los dínodos. Imagen obtenida de Flyckt and Marmonier (2002). Figura 2.6 Figura 2.6: La imagen muestra una definición gráfica de los niveles de luz. En un alto nivel se tiene la llegada de muchos fotones que coinciden y se superponen dando como resultado una señal de DC. A niveles bajos la cantidad de fotones es mucho menor pero aún así no es posible distinguir cada fotón de manera independiente. A un nivel muy bajo de entrada de luz se puede distinguir cada fotón en la señal. Imagen obtenida de Hamamatsu Photonics (1998) Caja de aislamiento Dado que los PMTs tienen una sensibilidad muy alta, pueden detectar luz parásita que no corresponde a la que se desea medir. Esto disminuye la relación señal a ruido, así que se ocupa una caja de aislamiento para la luz externa. Dependiendo de las necesidades o condiciones esta caja de aislamiento también puede tener blindaje contra campos magnéticos o mantener una temperatura constante y baja para un funcionamiento más estable del tubo fotomultiplicador Métodos de operación La salida de un tubo fotomultiplicador puede ser procesada eléctricamente como una fuente de corriente constante. Aunque, es mejor conectarlo con algún esquema de acuerdo a los métodos de operación, 13 de 108

30 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.3. MÉTODOS DE OPERACIÓN Figura 2.7 Figura 2.7: Método DC de detección. La luz de entrada llega como si fuera una señal directa ya que se sobreponen las señales de los pulsos por la gran cantidad que llega, detecta los componentes DC en la salida del fotomultiplicador. La señal es amplificada y pasa por un filtro pasa bajas para al final usar un ADC para poder leer la señal de salida del fotomultiplicador. Imagen obtenida de Hamamatsu Photonics (1998). Figura 2.8 Figura 2.8: Método AC de detección. Extrae los componentes alternas de la salida del PMT a través de un condensador y los convierte en señales digitales, este método es usado en las regiones donde los componentes AC son predominantes en la señal de salida sobre los componentes DC. Imagen obtenida de Hamamatsu Photonics (1998). dependiendo de la luz incidente y las características de frecuencia requeridas (Hamamatsu Photonics, 1998). El método DC * (figura 2.7) detecta los componentes DC en la salida del fotomultiplicador. La señal es amplificada y pasa por un filtro pasa bajas. Este método es desarrollado para la detección de niveles de luz relativamente altos, la definición gráfica de los distintos niveles de luz que se manejan en esta sección se pueden ver en la figura 2.6. El método AC ** (figura 2.8) solamente extrae los componentes alternas de la salida del PMT a través de un condensador y los convierte en señales digitales a través de un ADC *** de alta velocidad. Este método es generalmente usado en las regiones de baja intensidad de luz donde los componentes AC son predominantes en la señal de salida sobre los componentes DC. El método DC y el método AC (métodos analógicos) se usan principalmente en altos niveles de luz para moderarlos. En muy bajos niveles de luz, el método de contador de fotones es el más efectivo. En * Por sus siglas en inglés: Direct Current ** Por sus siglas en inglés: Alternating Current. *** Convertidor Análogico a Digital. Por sus siglas en inglés: Analog to Digital Converter 14 de 108

31 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.4. CARACTERÍSTICAS DEL PMT Figura 2.9 Figura 2.9: Método de conteo de fotones. Los pulsos de salida del fotomultiplicador son ampliados y sólo las pulsaciones con una amplitud mayor que la de un pulso discriminador presente son contadas como señales de fotones, este método también es conocido como método digital. Imagen obtenida de Hamamatsu Photonics (1998). este método, la luz es medida al contar individualmente los fotones. En el método de conteo de fotones (ver figura 2.9) la salida del fotomultiplicador consiste de pulsos los cuales son ampliados y solamente las pulsaciones con una amplitud mayor que la de un pulso discriminador presente son contadas como señales de fotones. Este método permite la observaciones de pulsos discretos de salida del tubo fotomultiplicador, y es la técnica más efectiva en al detección de niveles muy bajos de luz (Hamamatsu Photonics, 1998) Características del PMT Linealidad Los fotomultiplicadores tienen una buena linealidad en la corriente de salida del ánodo sobre un amplio intervalo de niveles de luz incidente, es decir ofrece un amplio rango dinámico. La linealidad del tubo fotomultiplicador depende de las características de linealidad del cátodo y el ánodo, si alguna de las características de estos elementos se ve afectada, el comportamiento lineal de la señal de salida del PMT es afectado. Una de las razones comunes donde se ve afectado el comportamiento lineal de salida es si la cantidad de luz incidente es muy grande afectando las características de la respuesta lineal del ánodo. Otro factor común que puede suceder es que el PMT sea alimentado con un bajo voltaje, provocando que no haya un campo magnético lo suficientemente fuerte para enfocar la gran cantidad de corriente, dando como resultado la modificación de la linealidad del cátodo. Si el voltaje es constante, la respuesta lineal tanto del cátodo como del ánodo depende únicamente de la corriente. La linealidad en el ánodo está limitada por dos factores: El circuito divisor de voltaje. Efectos de carga espacial debido a una gran cantidad de corriente. 15 de 108

32 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.4. CARACTERÍSTICAS DEL PMT Si llega un pulso de luz intenso, fluye una corriente muy grande entre los dínodos, incrementando la densidad de carga espacial y causando una saturación de corriente. Los efectos de carga espacial también dependen de la distribución y la intensidad del campo eléctrico entre cada dínodo. En general, mientras la alimentación de voltaje aumenta tendrá una mejor respuesta lineal debido a que la fuerza del campo eléctrico se incrementa Uniformidad La uniformidad es la variación de la señal de salida con respecto a la posición del fotocátodo. La salida depende de la uniformidad del cátodo y de los dínodos, de las condiciones de la superficie del fotocátodo y la degradación de eficiencia de colección entre los dínodos debido a un bajo voltaje. Hay dos formas de medir la uniformidad: Espacial: usando los ejes X y Y. Angular: debido al angulo de incidencia de la luz difusa que se apunta hacia el tubo fotomultiplicador Estabilidad La estabilidad es la capacidad del PMT para tener el mismo comportamiento en la salida y conservar sus características de ganancia ante el paso del tiempo. El principal factor que afecta la estabilidad es la fatiga que es el deterioro del desempeño resultado del estrés impuesto por el voltaje de alimentación, corriente y temperatura ambiente. Las variaciones que pueden afectar ya sea la vida del tubo fotomultiplicador o sólo su desempeño inicial son clasificada de acuerdo si afectan en periodos largos o cortos de funcionamiento Ganancia del PMT La ganancia es la razón entre la corriente de salida en el ánodo y la corriente en el fotocátodo. Idealmente la ganancia de un fotomultiplicador se define como δ n, donde n es el número de dínodos y δ es el factor de emisión secundaria: dado por la expresión (Hamamatsu Photonics, 1998): δ = AE α donde A es una constante, E es la diferencia de potencial entre los dínodos y α es un coeficiente que depende del material de dínodo y la estructura geométrica. Su valor va de 0.7 a 0.8. Un fotomultiplicador tiene un factor de ganancia que va de 10 3 hasta La alta ganancia elimina la necesidad de amplificadores especiales. 16 de 108

33 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.4. CARACTERÍSTICAS DEL PMT Corriente Oscura del PMT Una pequeña cantidad de corriente fluye en un tubo fotomultiplicador incluso cuando opera en completa oscuridad. A este fenómeno se le llama corriente oscura y las causas son (Hamamatsu Photonics, 1998): Emisión termoiónica de electrones: debido a que los materiales del fotocátodo y de los dínodos tienen funciones de trabajo muy pequeñas, éstos emiten electrones termoiónicos incluso a temperatura ambiente. La mayor parte de la corriente oscura del PMT se debe a este factor. Corriente de fuga o fugas óhmicas: las fugas óhmicas son el resultado de un aislamiento insuficiente en la base del tubo y en los conectores. Resulta importante cuando el fotomultiplicador opera a bajo voltaje y baja temperatura. La suciedad y humedad pueden ser fuentes de estas fugas óhmicas. Centelleo del vidrio: algunos electrones pueden ser desviados de su trayectoria, por lo que no contribuyen a la señal de salida. Estos electrones pueden impactar sobre el vidrio del tubo, dando lugar a posibles centelleos. Emisión de campo: cuando a un fotomultiplicador se le aplica un voltaje cercano al voltaje máximo, los electrodos pueden emitir electrones debido a los fuertes campos eléctricos. Se recomienda trabajar con los PMTs con un voltaje 200 o 300 V por debajo del máximo. Ionización de gases residuales: los tubos fotomultiplicadores se encuentran al vacío pero llega a haber gases residuales que pueden ser ionizados por el flujo de electrones. Cuando estos iones golpean el fotocátodo o los primeros dínodos, pueden emitir electrones secundarios, dando lugar a pulsos de ruido. Ruido debido a rayos cósmicos y rayos gamma ambientales: muchos rayos cósmicos caen a la Tierra constantemente. Entre ellos los muones que pueden ser la mayor fuente de ruido Relación señal a ruido Al observar la onda de salida de un tubo fotomultiplicador, se pueden observar 2 componentes de ruido: uno presente sin la señal de luz y el otro generado por la señal de luz de entrada. La relación señal a ruido se expresa en RMS *. Cuando la señal y forma de la onda son como las que se muestran en la figura 2.10 se puede analizar de la siguiente forma: Valor medio de la componente de ruido Componente de AC de ruido Valor medio de la señal (componente de ruido incluido) Componente de AC de la señal (componente de ruido incluido) I d i d (RMS) I p+d i p+d (RMS) * Por sus siglas en inglés: Root Mean Square. 17 de 108

34 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.4. CARACTERÍSTICAS DEL PMT Figura 2.10 Figura 2.10: Ejemplo de relación señal a ruido. Imagen obtenida de Hamamatsu Photonics (1998). La relación señal a ruido está dada por (Hamamatsu Photonics, 1998): en donde I p se obtiene restando I d de I p+d. SN = I p i p+d Tiempos característicos Los fotomultiplicadores tienen tiempos de subida (10 % al 90 %) de 1 a 2 ns. El tubo fotomultiplicador es un fotodetector que tiene una excelente respuesta temporal determinada principalmente por el tiempo de tránsito que se requiere para que los electrones emitidos del fotocátodo alcancen el ánodo. El tiempo de tránsito depende del tipo de dínodo pero también del voltaje de alimentación. Incrementar la intensidad del campo eléctrico mejora la velocidad de tránsito del electrón y disminuye el tiempo de tránsito. En la figura 2.11, el tiempo de subida se define como el tiempo para que la señal de salida se incremente del 10 al 90 %. El tiempo de caída se define como el tiempo que se requiere para decrecer del 90 al 10 % Área sensible Los tubos fotomultiplicadores se fabrican en gran variedad de tamaños así como en diferentes configuraciones ópticas. Un ejemplo claro de esta diferencia es el aréa de un fotocátodo de un diámetro de 12.7 cm o 5 y un área útil de 97 cm 2, en contraste con 1.27 cm o 0.5 en otro fotomultiplicador donde se tiene un área sensible de tan sólo 0.14 cm 2 (BURLE INDUSTRIES, 1980). 18 de 108

35 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.4. CARACTERÍSTICAS DEL PMT Figura 2.11 Figura 2.11: Definición del tiempo de subida, caída y tránsito del electrón. Imagen obtenida de Hamamatsu Photonics (1998). En el caso de experimentos de astronomía de altas energías se requiere un área grande de sensado y es una de la razones por la que los tubos fotomultiplicadores son preferidos con respecto a otros dispositivos Factores ambientales Exposición a la luz ambiental Los tubos fotomultiplicadores son muy sensibles a la radiación incidente por lo tanto se debe cuidar que no se expongan a la luz ambiental cuando estén alimentados por la fuente de alto voltaje. Si llega a pasar esto, la gran cantidad de corriente generada por el PMT puede llegar a dañarlo. Incluso es mejor evitar a exponerlos a la luz ambiental aunque no estén conectados al voltaje, ya que puede dar como resultado un aumento en la corriente oscura del PMT Temperatura Los tubos fotomultiplicadores muestran una sensibilidad a los cambios de temperatura. Si se quieren hacer medidas de precisión en el fotomultiplicador es conveniente trabajar con una temperatura controlada. Entre las consecuencias que tiene operar bajo cambios de temperatura son la variación en la sensibilidad del fotocátodo y la variación de la corriente oscura del PMT. Los PMTs se deben manejar generalmente a temperaturas menores a 75 C Humedad Se recomienda que los tubos fotomultiplicadores operen con una humedad por debajo del 60 %. Ya que las fugas óhmicas aumentan notablemente en los conectores del tubo cuando se trabaja por encima de éste parámetro de humedad. 19 de 108

36 CAPÍTULO 2. TUBOS FOTOMULTIPLICADORES 2.4. CARACTERÍSTICAS DEL PMT Campos magnéticos La mayoría de los tubos fotomultipplicadores son afectados por los campos magnéticos. Estos pueden desviar la trayectoria de los electrones causando una pérdida de ganancia. Esta pérdida depende del tipo de fotomultiplicador y la posición de éste con respecto al campo magnético. Es conveniente tener un blindaje para proteger el PMT de los campos magnéticos. 20 de 108

37 Capítulo 3. Construcción del Sistema 3.1. Sistema de referencia Para la caracterización de los tubos fotomultiplicadores se requiere un sistema que pueda proporcionar una manera de obtener los datos de carga y voltaje para poder obtener las características de los PMTs como la linealidad, ganancia y corriente oscura. Para poder obtener dichas características no existe un sistema comercial y cada institución usa los elementos y protocolos establecidos localmente por el grupo de trabajo para poder caracterizar estos sensores. Comúnmente con el uso de fotomultiplicadores se utiliza la electrónica con el protocolo de canales VME de forma generalizada en el mundo, incluso ya está un poco estandarizado su uso en experimentos de altas energías, por su velocidad en la transferencia de datos. En México la única institución que contaba con una electrónica basada en el protocolo de comunicación VME era la Universidad Nacional Autónoma de México. La Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP) cuenta con un sistema de caracterización y detección de señales, este sistema funciona con instrumentos que fácilmente se encuentran en el laboratorio ya que está programado en LabView. El sistema ya ha sido ampliamente utilizado y probado en la BUAP para distintos fotomultiplicadores. A partir de este sistema que sirve de referencia, agradeciendo la colaboración con dicha institución y la disponibilidad de compartir los programas, se ha creado un nuevo sistema de caracterización. Para entender la construcción del nuevo sistema se explica en qué consiste el sistema de referencia. Éste cuenta con una fuente de alto voltaje para la alimentación del PMT, y un osciloscopio para la adquisición de la señal de salida del PMT, el diagrama a bloques del sistema se puede ver en la figura 3.1. La interfaz de usuario del sistema está hecha en Labview. El sistema captura la señal de salida, ésta se encuentra dada en Volts, del PMT por medio del osciloscopio recolecta 1250 puntos que son enviados a la PC como una cadena de caracteres ASCII *, * Por sus siglas en inglés: American Standard Code for Information Interchange. 21

38 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.1. SISTEMA DE REFERENCIA Figura 3.1 Figura 3.1: El sistema de referencia cuenta con una fuente de alto voltaje, un osciloscopio y un generador de señales, todos controlados a través de una computadora. El PMT se aísla de la luz para poder obtener sus características de ganancia, corriente oscura y linealidad. dichos caracteres son procesados en otro programa hecho en Labview para poder obtener los datos de interés. Los instrumentos electrónicos que se usaron para adaptar el sistema fueron: Generador de Funciones Tektronix AFG 3101: se usa para generar el pulso que alimenta el LED * y producir la señal a leer. Este pulso tiene un ancho de nanosegundos y una frecuencia de 10 khz. Además proporciona la señal de disparo para el sistema y hacer una toma de datos. Ver figura 3.2. Osciloscopio Digital Tektronix TDS 2024C: es el elemento que se encarga de guardar la señal producida. El osciloscopio tiene una frecuencia de muestreo de 2 GS/s. Al osciloscopio se conectará la salida del fotomultiplicador y la señal de disparo. Este deberá ser ajustado en cuanto la amplitud, la rapidez de muestreo y la señal de disparo conforme a la señal de salida. Ver figura 3.3. Fuente de Alto Voltaje Standford Research System PS325: es la fuente de alimentación del PMT. Ver figura 3.4. El osciloscopio y el generador de funciones se conectan vía USB ** a la computadora que contiene el instrumento virtual en LabView. La fuente de alto voltaje usa el protocolo de comunicación GPIB ***, * Por sus siglas en inglés: Light Emitting Diode. ** Por sus siglas en inglés: Universal Serial Bus. *** Por sus siglas en inglés: General Purpose Instrumentation Bus. 22 de 108

39 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.1. SISTEMA DE REFERENCIA Figura 3.2 Figura 3.2: Generador de funciones que se usa en el sistema de referencia para alimentar el LED que proporciona la señal controlada que va a detectar el PMT. El LED es alimentado por un pulso en cuanto la amplitud, ancho y offset varían de acuerdo a la prueba a realizar. pero se tiene un conversor de GPIB a USB. En la figura 3.5 se puede ver el conjunto de instrumentos necesarios para tener el sistema de caracterización de fotomultiplicadores. A esto se debe añadir una computadora con la potencia y características necesarias para poder tener un programa gráfico que consume bastante memoria RAM * y un procesador rápido para la ejecución de dicho instrumento virtual. Después de montar el sistema y aislar el PMT de la luz ambiente se inicia el programa para la adquisición de datos, mostrada en la figura 3.6, toma 1250 puntos del osciloscopio y los guarda en la computadora en código ASCII. Después se guardarán en un archivo para identificar cada evento se guarda una ĺınea inicial (#1#2#3#4#5) que sirve como guía, se ilustra en la figura 3.7. A continuación este archivo de caracteres en ASCII se debe traducir a datos experimentales. Para este propósito se usa otro programa hecho en LabView, ver figura 3.8, donde nos dará un nuevo archivo que proporcionará los siguientes datos de interés: Columna 1: número de evento. Corresponde al número cuando se ha detectado un flanco de la señal de disparo. Columna 2: carga en (pc). Se obtiene integrando el voltaje de la señal recibida. Columna 3: tiempo (1/2) (ns). Es el tiempo que le lleva a la señal de carga en ir de su valor mínimo a la mitad de su máximo. Columna 4: tiempo (10-90) (ns). Es el tiempo que le lleva a la señal de carga en ir de su valor del 10 % hasta el 90 %. * Por sus siglas en inglés: Random Access Memory. 23 de 108

40 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.1. SISTEMA DE REFERENCIA Figura 3.3 Figura 3.3: Osciloscopio que se usa para adquirir la señal de salida del fotomultiplicador. El osciloscopio tiene una frecuencia de muestreo de 2 GS/s y toma 1250 muestras de la señal. Figura 3.4 Figura 3.4: Fuente de alto voltaje que alimenta el PMT. La fuente puede proporcionar hasta 2500 V. 24 de 108

41 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.1. SISTEMA DE REFERENCIA Figura 3.5 Figura 3.5: Sistema de caracterización de referencia adaptado en el INAOE con las especificaciones de instrumentos proporcionados por la BUAP. Se pueden observar el osciloscopio, la fuente de alto voltaje y el generador de señales necesarios para la caracterización de PMTs. Figura 3.6 Figura 3.6: Programa de adquisición de datos del sistema de caracterización que se tiene en la BUAP, el programa está elaborado en LabView. Imagen obtenida de Pérez González (2010). 25 de 108

42 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.2. HARDWARE DEL SISTEMA VME Figura 3.7 Figura 3.7: Archivo de datos en código ASCII que se guarda después de la adquisición con el osciloscopio, este archivo aún debe ser traducido y procesado. Imagen obtenida de Pérez González (2010). Columna 5: voltaje (mv). Es el voltaje máximo medido para la señal, es decir la amplitud máxima alcanzada. Columna 6: fecha en la que se procesan los datos. Columna 7: hora en la que se procesan los datos. Ya teniendo estos datos sólo queda aplicar algún programa estadístico sobre los datos y obtener un histograma, media, desviación estándar y darle su respectiva interpretación. A partir de este sistema descrito, se quiere tener un sistema para caracterizar los tubos fotomultiplicadores más adecuado a las necesidades de tiempo que se requieren. Ya que se requiere una toma de datos más rápida por la gran cantidad de PMTs que se requieren caracterizar para los detectores de altas energías que usan la radiación Cherenkov para detección de partículas Hardware del sistema VME Esta sección describe el funcionamiento de los dispositivos electrónicos que integran el sistema de caracterización, además se da una breve descripción de la construcción física de todo el sistema. Se usa un conjunto de dispositivos modulares que usan el el protocolo de comunicación VME. Este estándar es muy ocupado para la instrumentación electrónica de física nuclear, subnuclear y de astropartículas. Este estándar fue desarrollado desde un punto de vista de la computación, lo que conduce 26 de 108

43 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.2. HARDWARE DEL SISTEMA VME Figura 3.8 Figura 3.8: Programa para la traducción de datos, fue programado en LabView. Se tiene como parámetro de entrada el archivo en código ASCII y a partir de éste se obtienen los datos de carga y voltaje necesarios para obtener las características del PMT. Imagen obtenida de (Pérez González, 2010). a un esquema de memoria completamente asignada. Cada dispositivo se puede ver como una dirección, o un bloque de direcciones. Bajo VME, las direcciones y los datos no son multiplexados. Sin embargo el sistema de transferencia por bloques es posible para algunas aplicaciones. El bus o canal permite tener varias tarjetas maestras y contiene un sistema de interrupciones bastante completo con muchas aplicaciones. El canal VME establece la velocidad de transferencia de datos de aproximadamente 20 MB por segundo. En la actualidad VME64 tiene una velocidad máxima de transferencia de 80 MB por segundo. Una transferencia típica se compone de un ciclo para obtener el control del bus, de un ciclo para seleccionar el registro y el ciclo de datos real. Las tareas de transferir, leer, escribir y modificar bloques son compatibles Caja VME y mecánica de los módulos Para el uso de los módulos VME se requiere un elemento que sirva para conectar cada uno de los dispositivos, que se encargue de la alimentación en los módulos. El gabinete elegido es el VME 8004 que tiene 4 ranuras compatible con VME64, éste es de un tamaño pequeño pero con los espacios suficientes para tener las tarjetas que se van a usar en el sistema que en caso del sistema de caracterización son 3. Tiene una altura de 2U (2 unidades en un estante o rack), 27 de 108

44 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.2. HARDWARE DEL SISTEMA VME Figura 3.9 Figura 3.9: MiniCrate VME8004, apariencia y vista frontal de la caja que se usa para la conexión de los módulos VME, imagen obtenida de CAEN (2012c) aproximadamente cm y de ancho cm, que es el ancho estandarizado para montar la caja en un rack. La alimentación de la caja es de 100 a 230 VAC, 50 a 60 Hz, lo que indica que se puede conectar a los diferentes estándares de conexiones eléctricas para el voltaje de alimentación, ya sea europea o americana. En la figura 3.9 se pueden apreciar físicamente algunas de las propiedades descritas anteriormente para la caja de conexión de los módulos. El sistema es modular y sigue el estándar VME. El tamaño habitual de las tarjetas es de 160 x 216 mm. Estás pueden realizar transferencias de 8, 16 o 32 bits y tienen un rango grande de direcciones. En la figura 3.10 se puede observar el sistema modular completo que se usó para hacer el sistema de caracterización de fotomultiplicadores. Se hace énfasis en que es una electrónica rápida para la adquisición de datos Puente USB El módulo V1718 es una unidad maestra de VME, sirve para controlar otros dispositivos conectados vía el canal VME de comunicación, la cual puede ser operada desde el puerto USB de una computadora estándar. El módulo puede trabajar en un sistema multimaestro con la posibilidad de operar como sistema de control, en este caso, que es la opción por defecto cuando la tarjeta es insertada en la ranura 1 de la caja, trabaja como controlador de la señal de reloj y de los canales de comunicación. 28 de 108

45 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.2. HARDWARE DEL SISTEMA VME Figura 3.10 Figura 3.10: El sistema consiste en una caja con espacio para 4 tarjetas: la tarjeta digitalizadora, la fuente de alto voltaje, el puente USB y un espacio disponible para cualquier otro módulo VME. El módulo tiene un panel de LEDs que permite monitorear la actividad del canal VME en detalle. El panel frontal cuenta con 5 salidas programables TTL * /NIM ** con conectores LEMO *** 00 y dos entradas programables TTL/NIM, también con conectores LEMO 00. La interfaz entre V1718 y la computadora es compatible con USB 2.0, que tiene una velocidad máxima de 60 MBytes por segundo y una promedio de 15.6 MBytes por segundo. Las transferencia de datos toma lugar a través del protocolo de transacción de volumen de alta velocidad (High Speed Bulk Transaction). La transferencia de datos a través del canal VME no requiere ser sincronizado a la transferencia por el USB gracias a su búfer local de 128 Kbytes. Los controladores del módulo se encuentran en las plataformas para computadora personal comunes: Windows y Linux. El puente USB proporciona el control con las fuentes de alto voltaje y la tarjeta digitalizadora, además es el puente entre la computadora y los dispositivos VME. La computadora tiene como sistema operativo CentOS 6 y es donde se encuentra el programa realizado en C++ para adquisición e interpretación de datos. En la figura 3.11 se puede observar la tarjeta que corresponde al puente USB, se puede ver el conector USB de tipo B, los LEDs indicadores de datos, direcciones y otros procesos. También se ven los conectores de entrada LEMO para señales. * Por sus siglas en inglés: Transistor-Transistor Logic. Estándar de especificaciones para voltajes lógicos. ** Por sus siglas en inglés: Nuclear Instrumentation Module. Estándar de especificaciones para voltajes lógicos. *** Compañía manufacturera de conectores, sus conectores tienen el nombre de la compañia y un número de identificación. 29 de 108

46 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.2. HARDWARE DEL SISTEMA VME Figura 3.11 Figura 3.11: Módulo VME: puente USB V1718, éste módulo se encarga de comunicar la computadora, que contiene el programa de control, con los otros dispositivos VME. Imagen obtenida de CAEN (2009) Tarjeta Digitalizadora El módulo V1751 (ver figura 3.12) es una unidad VME que tiene 8 canales de conversión analógico a digital (ADC * ) de 10 bits y 1 GS/s con umbral de auto-disparo. El módulo también puede trabajar con 4 canales teniendo una mejora en la frecuencia de muestreo a 2GS/s. La entrada dinámica de cada canal es de 1 Vpp. La compensación de DC en la señal de entrada puede ser ajustada canal por canal por un convertidos digital a analógico (DAC ** ) programable de 16 bits. Los datos son continuamente escritos en un búfer de memoria circular. Cuando la señal de disparo ocurre, la FPGA *** escribe N muestras nuevas después de la señal de disparo y se guarda en el búfer que puede ser leído vía VME. La adquisición puede continuar sin tiempo muerto en un búfer nuevo. Cada canal tiene un búfer de memoria estática de acceso aleatorio (SRAM **** ), disponible en tamaño entre y 14.4 MS/ch, el cual se puede volver 3.6 y 18.8 MS/ch cuando se usa el muestreo por cada dos canales), con acceso de escritura y lectura independiente dividido entre 1 a 1024 búfers de tamaño programable. La señal de disparo se puede proporcionar de manera externa por medio de una entrada en el panel frontal o a través de los canales de comunicación VME, pero también puede ser generada de manera interna. La señal de disparo puede ser propagada a otros dispositivos a través de la salida de disparo en el panel frontal. La señal de salida del fotomultiplicador es leída por la tarjeta digitalizadora. La señal se convierte de su forma a analógica a digital y se guarda en la memoria. El fotomultiplicador proporciona una salida en voltaje la cuál se guarda en un archivo de datos. * Por sus siglas en inglés: Analog to Digital Converter. ** Por sus siglas en inglés: Digital to Analog Converter. *** Por sus siglas en inglés: Field-Programmable Gate Array. **** Por sus siglas en inglés: Static Random-Access Memory. 30 de 108

47 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.2. HARDWARE DEL SISTEMA VME Figura 3.12 Figura 3.12: Módulo VME: tarjeta digitalizadora V1751, se encarga de digitalizar la señal de salida del PMT. Imagen obtenida de CAEN (2012a) Fuentes de alto voltaje El módulo V6533 (ver figura 3.13) es una unidad que aloja 6 canales de alto voltaje de alimentación, pueden llegar a dar 4 kv y 3 ma. Tiene una resolución de 0.1 V. La tarjeta puede proporcionar una salida de polaridad positiva o negativa, incluso una versión mezclada con 3 canales positivos y 3 negativos. Se usará con una polaridad positiva que es con lo que se alimenta el PMT que se tiene. Las salidas de alto voltaje son entregadas a través de conectores SHV * y la velocidad de subida y bajada se pueden seleccionar independientemente para cada canal dentro de un rango de 1 a 500 V/s con un paso de 1 V/s. Las características de seguridad incluidas son: Advertencia cuando la salida de voltaje difiere del valor programado por más del 2 % del valor ajustado (mínimo 10 volts). Límite de voltaje máximo y corriente máxima programable. Detección de sobrecorriente: si el canal pide más corriente de su ĺımite programado, entra en un estado de alarma y mantiene el valor antes de ser apagado. Los canales pueden ser habilitados o deshabilitados a través de lógica global de enclavamiento. Los canales son habilitados individualmente a través de puentes del panel frontal. La función de este módulo es alimentar el fotomultiplicador para variar su sensibilidad. Para ajustar el voltaje en el que se desea configurar se hace mediante software, instrucciones dadas en C Generador de funciones El generador de funciones (ver figura 3.14) es el único que no se usa con el protocolo VME, esto es con el propósito de poder cumplir la exigencias que se requieren al momento de crear un pulso de unos cuantos ns para la alimentación del LED que se requiere para la caracterización. * Por sus siglas en inglés: Safe High Voltage. 31 de 108

48 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.2. HARDWARE DEL SISTEMA VME Figura 3.13 Figura 3.13: Módulo VME: fuente de alto voltaje V6533, se encarga de alimentar el PMT. Imagen obtenida del CAEN (2012b) Figura 3.14 Figura 3.14: Generador de funciones de la marca Tektronix y modelo AFG3101, el cual alimenta el LED que se necesita para tener la señal de luz controlada. Imagen obtenida de Tektronix (2005a). El generador tiene tres funciones integradas: Generador de funciones de 100 MHz. Generador de pulsos de 50 MHz. Generador de formas de ondas arbitrarias de 14 bits. Además cuenta con una pantalla LCD * a color, aislamiento a tierra, funcionamiento síncrono, interfaz de memoria USB, sistema de ayuda sensible al contexto. La amplitud de la señal proporcionada puede ser hasta 10 Vpp y puede ser conectado a través de diferentes puertos de comunicación USB, GPIB, LAN **. * Por sus siglas en inglés: Liquid Crystal Display. ** Por sus siglas en inglés: Local Area Network 32 de 108

49 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.2. HARDWARE DEL SISTEMA VME Figura 3.15 Figura 3.15: Fotografía tomada de la parte interna de la caja de aislamiento, donde se puede ver que su interior está pintado de negro para evitar reflexiones. Además cuenta con una pantalla blanca que sirve para algunas pruebas para obtener la incidencia de un sólo fotoelectrón en el PMT. Este instrumento cumple una de las funciones más importantes ya que debe ser configurado para la alimentación del pulso que alimentará un LED, que en el caso del sistema es la fuente de luz controlada. Para diversas pruebas se requiere que la señal sea de unos cuantos ns de duración para no saturar el PMT, por la misma razón la amplitud del pulso debe ser pequeña, pero la necesaria para encender el LED Caja de aislamiento de luz La caja de aislamiento sirve para poder tener al fotomultiplicador cuidado de la exposición a la luz ambiental. Los PMTs son dispositivos muy delicados en cuanto a su manejo, ya que una gran cantidad de luz puede exceder sus parámetros de tolerancia en la detección y dañarlos, además que para tener una adecuada caracterización el aislamiento es importante para evitar introducir ruido innecesario. Para ello se creó un elemento para lograr dicho aislamiento, una caja hecha de cartón por su fácil obtención, bajo precio y ser ligera. La caja está pintada completamente de negro en sus paredes interiores para evitar que se refleje la luz, como se ilustra en la figura 3.15, además que cuenta con una cubierta para tener aislamiento externo. A estás condiciones también se les añade las del laboratorio que está adaptado con cortinas y persianas para mantener lo más oscuro posible todo el entorno Acoplamiento del sistema El sistema cuenta con una computadora que tiene una comunicación bidireccional con el puente USB, ya que éste pasa las instrucciones que programadas en C++ para controlar los dispositivos VME 33 de 108

50 CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA 3.2. HARDWARE DEL SISTEMA VME Figura 3.16 Figura 3.16: Diagrama a bloques del proceso de caracterización de un tubo fotomultiplicador. Figura 3.17 Figura 3.17: Tubo fotomultiplicador dentro de la caja de aislamiento de luz ambiental y conectado al sistema caracterizador. y a su vez recibe los datos que necesitaran ser procesados en un programa estadístico. El puente USB también tiene una comunicación bidireccional con los dispositivos ya que escribe y lee las direcciones de los dispositivos a través de los canales VME. La fuente de alto voltaje se conecta al circuito divisor de voltaje, éste último proporciona la alimentación al tubo fotomultiplicador. La señal de salida del PMT llega a la tarjeta digitalizadora y después llega a la computadora. El generador de funciones genera un pulso que alimenta un LED que produce un señal de luz que llega al tubo fotomultiplicador. El proceso puede ser visto en el diagrama a bloques de la figura En la figura 3.17 se puede observar el tubo fotomultiplicador usado dentro de la caja de aislamiento a su derecha se encuentra el LED que se encarga de producir la señal luminosa para la caracterización. El LED cuenta con un aislamiento en la parte lateral para lograr un comportamiento direccional e ilumine la pantalla que se encuentra enfrente del PMT. 34 de 108