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Desarrollo y Caracterización de
Fotomultiplicadores de Silicio para
NEXT
Trabajo Fin de Master
04/10/10
David Lorca Galindo
INDICE
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•
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El neutrino y la desintegración doble beta.
Anteriores Experimentos.
NEXT.
Fotomultiplicadores de Silicio (Si-PMs).
Tetraphenyl Butadiene (TPB).
Resultados y Discusión.
Aplicaciones en Física Médica.
El neutrino y la desintegración
doble beta.
Wolfgang Pauli
1930
Spin +1/2
Modelo
Estándar
Sin Carga
Masa Nula
Partícula
De
Dirac
Oscilación
de
Neutrinos
trinos
•Idénticas a sus Antipartículas
•Violación del número leptónico.
•Violación CP-Paridad.
Desintegración Doble Beta
Según el Modelo Estándar.
Observada en varios núcleos como
76Ge, 48Ca, 100Mo, 82Se o 150Nd,
con vidas medias de 1019-1020 años.
Prohibida por el Modelo Estándar.
Choca con la Teoría de Dirac.
Determinando la vida media de
esta desintegración obtendríamos
información sobre la masa del
neutrino.
Anteriores Experimentos.
CUORE (128Te)
NEMO y
SuperNEMO (82Se)
Gerda (76Ge)
SNO (150Nd)
EXO (136Xe)
NEXT
(Neutrinoless Experiment with Xenon TPC)
• Es un experimento para medir la desintegración
doble beta sin neutrinos en el xenon usando una
Cámara de Proyección Temporal (TPC) con 100kg de
Xe enriquecido con su isótopo 136Xe (Qββ=2.48MeV
τββ=1022-25 años) a 10bar.
• Utilizaremos la electroluminiscencia para obtener
una señal luminosa que captaremos con
fotomultiplicadores, midiendo así la energía y las
trayectorias de los electrones emitidos en la
desintegración doble beta.
Procedimiento físico de NEXT
Los electrones emitidos en la desintegración doble beta excitan
e ionizan al xenon
El xenon se desexcita emitiendo fotones de
175 nm en un pico de varios ns. Esa luz será el
inicio del evento, el centelleo primario (t0).
Los electrones de la ionización son acelerados por un campo
eléctrico hacia el ánodo.
En el ánodo un campo eléctrico de 3-6kV/cm/bar acelerará los
electrones produciendo electroluminiscencia sin ionizar el xenon.
Es el centelleo secundario (EL) varios μs después del primario.
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Prototipo NEXT-1.
Actualmente en
construcción
Espectro desintegración
doble beta.
Resolución mejor que 1%.
SIN
Neutrinos
Fotomultiplicadores de Silicio
(Si-PMs)
Principio de funcionamiento.
Unión p-n
Voltaje Inverso
Aplicado
Región Proporcionalidad
Ganancia 50-50000
Modo Geiger
Ganancia ≈ 106
Si-PMs en NEXT
Matrices de pequeños
APDs funcionando en
modo Geiger.
Multi-Pixel Photon Counter
(MPPC) serie S10362
Hamamatsu Photonics.
Señal de salida de un MPPC = Suma de señales de cada uno de los pixeles.
•Bajo Voltaje
Operación
•Bajo Coste
•Alta eficiencia de
fotodetección
El principal problema es la no adaptación
entre el rango de sensibilidad de los MPPCs
con las longitudes de onda provenientes del
xenon (175 nm)
Debemos introducir un cambiador
de longitud de onda.
Efectos de Temperatura sobre la ganancia de los MPPCs.
Agrupación de Si-PMs en
NEXT-1
¿Mínima dispersión en
Ganancia?
Dependencia directa entre Ganancia y Voltaje de Operación.
Tetraphenyl Butadiene (TPB)
Solución a la insensibilidad de los Si-PMs a las longitudes de
onda provenientes del xenon.
•Molécula orgánica con estructura de niveles.
•Absorción en UV profundo, alrededor 175
nm.
•Rango de Reemisión 400-480 nm
•Centrado en 440 nm
Según estudios anteriores
Dependencia directa entre la
eficiencia de conversión y la
densidad de TPB del
depósito.
Máxima eficiencia de conversión a
0,05 mg/cm2
Necesitamos un método de deposición
de esta molécula preciso, que nos
permita controlar las condiciones en
que se realiza y el espesor conseguido.
Método de Deposición
•Se ha llevado a cabo en dos laboratorios diferentes.
•Se evapora la molécula en una cámara de vacío controlando presión y temperatura.
Primera Deposición: Laboratorio de James White en TAMU (Texas A&M University)
Evaporando a:
•8 cm de la superficie.
•212 ºC
•2.10-5 mbar.
Se realizó un depósito de 1 mg/cm2 no
uniforme sobre una placa formada por 19 SiPMs y un cristal de cuarzo.
Sirvió como calibración y
muestra para los primeros
estudios.
Segunda deposición: Instituto de Ciencia Molecular (ICMOL)
•Sala limpia clase 10000
•En atmosfera de Nitrogeno.
•Cámara de vacio
4 evaporadores
independientes.
Detectores de oro para medir
el espesor de la deposición.
Evaporación + Rotación.
Deposiciones realizadas en ICMOL
TiO2: endurecimiento, bloqueador UV
SnO2: hidrofóbica
Iluminación con lámpara UV.
Reemisión en visible.
Estudios y Resultados.
•Ganancia de Si-PMs en función de su voltaje de operación
•Efectos de Temperatura sobre la Ganancia de Si-PMs.
•Depósito directo de TPB sobre Si-PMs.
•Depósito de TPB sobre cristales.
•Autoabsorción del depósito de TPB.
•Homogeneidad de los depósitos.
Ganancia de Si-PMs en función de
su voltaje de operación
Circuito Amplificador
Si-PM
MPPCs de Hamamatsu Photonics
S10362-11-025C
S10362-11-050C
LED 400 nm
•Fuente de Tensión KEITHLEY 6487
•Generador de Pulsos AGILENT 33250A
Señal de Trigger
Pulso
Histograma
2º pico p.e.
1º pico p.e.
Pedestal
Ajuste Gaussiano de los picos.
Centroide de los picos corresponde con la
carga generada en cada detección.
Diferencia entre centroides = carga
generada por un solo fotón.
Ganancia del
MPPC
e = carga del electrón = 1,602.10-19 C
Rosciloscopio= 50 Ω
050C
Dependencia lineal entre
Ganancia y Voltaje de
alimentación.
025C
025C
Selección adecuada de MPPCs
Dispersión < 5%
Efectos de Temperatura sobre la
Ganancia de Si-PMs
Termómetro Digital
Si-PM
¿Dependencia de la Ganancia
con la Temperatura?
¿Podría ser corregida?
Célula peltier
Circuito Amplificador
Cálculo de la Ganancia de un MPPC S10362-11-025C
en diferentes condiciones de Temperatura
Disminución de
Ganancia con la
Temperatura
G = 3.5 . 105
Correcciones on line del
Voltaje de alimentación
de Si-PMs
Depósito directo de TPB sobre Si-PMs.
PCB
Colimado
r
Electrónica
Asociada
Condiciones de iluminación
(distancia, iluminación, voltajes, etc)
constantes
¿Efecto de TPB sobre la
respuesta de Si-PMs?
¿Eficiencia de Conversión de
TPB en función del grosor
del depósito?
Efecto producido
únicamente por
TPB
Si-PMs sin TPB
Si-PMs con TPB
Pico
Autoabsorción a
340 nm
Se observa un incremento en la
señal detectada por los Si-PMs
para bajas longitudes de onda.
Se observa una ligera
disminución para longitudes
de onda superiores: Ligera
autoabsorción.
•Ampliar el estudio para longitudes de onda mas bajas, cercanas a la emisión del xenon, <260
•Ampliar el estudio de autoabsorción.
Bajas longitudes de onda (260, 285, 315 nm)
Eficiencia de Conversión depende
directamente del espesor de TPB.
Espesor Optimo = 0,05 mg/cm2
Altas longitudes de onda (400, 370, 341 nm)
Reducción de señal al aumentar el espesor
de los depósitos.
Mayor Absorción a 340 nm
Depósito de TPB sobre cristales.
Nace por la necesidad de conocer que
configuración es más ventajosa.
La deposición directa imposibilita la
reutilización de Si-PMs.
Utilizamos una PCB de referencia para
observar el efecto del TPB en los SI-PMs
Cristales con una
componente de TiO2
Bloqueador UV profundo
Cristal
con TPB
Soporte
Teflón
Transmitancia = 5% para  = 260 nm
Medimos eficiencia de
conversión en función del
espesor de TPB.
Solo  = 260 nm
Mismo comportamiento que para
la deposición directa.
Reducción considerable de la
señal detectada por los SI-PMs.
Autoabsorción del depósito de TPB
Reemisión del TPB
a 440 nm.
¿qué cantidad de esta luz
no es capaz de atravesar
el depósito?
PMT R8520 de Hamamtsu
Diferencia entre las
señales del PMT con y sin
depósito de TPB.
Dependencia directa
entre grosor y
autoabsorción.
Recordamos: espesor óptimo de la eficiencia de conversión 0,05 mg/cm2
Efecto no significativo pero si debe
ser tenido en cuenta.
Homogeneidad de los depósitos.
Desuniformidad
de grosor de TPB
Diferencias en la
eficiencia de
conversión
Respuesta diferente
de los Si-PMs.
Estudio de la respuesta de un Si-PMs en diferentes
posiciones del cristal.
Desviacion
estándar de la
serie de medidas
Repetido con varios Si-PMs para eliminar errores sistematicos.
HOMOGENEIDAD
Reducción de la
Homogeneidad para
bajos espesores.
Efecto debido a la
técnica empleada
(ROTACIÓN)
Futura producción de
Si-PMs con TPB para
NEXT
Eficiencia de
Conversión
Homogeneidad
Planes de Futuro
•Agrupación de Si-PMs
adecuadamente para su
implementación en PCBs
•Calibración de PCBs para el
prototipo NEXT-1.
•Deposición de TPB sobre
PCBs.
•Estudio de la degradación del
TPB con el tiempo.
PCBs
hijas
PCB
madre
Aplicaciones en Física Médica
Actualmente desarrollo de Si-PMs para su implementación en PET (Positron
Emission Tomography)
Técnica NO invasiva que
proporciona una imagen
tridimensional de la distribución
espacial de un radiofármaco en
el organismo.
Detección en coincidencia de
dos fotones antiparalelos de
aniquilación e—e+
Uso de PMTs junto con cristales centelleadores para medir la energia de los
fotones. (LYSO, GSO y BGO)
Si-PMs en PET
¿Ventajas de la utilización de Si-PMs en PET?
•Insensibles a campos magnéticos.
(Integración en MRI)
•Alta eficiencia de
fotodetección. PDE > 65% a
400 nm.
•Bajo coste.
•Bajo Voltaje de Operación.
A
A
a
•Excelente resolución
temporal. (100 ps)
Substitución de cristales centelleadores por xenon liquido.
Ventajas:
•LXe tiene una eficiencia de
centelleo dos veces mayor que
el NaI.
•Tiempo de desexcitación del
Lxe (3 ns), frente a LSO (40 ns).
•Adaptabilidad, se ajusta a
cualquier geometria.
Detector = Si-PMs
Futuros PET
Medio activo = Xenon Liquido
Adaptador = TPB