Caracterización de dos Modelos de Fotomultiplicadores y Estudio mediante Simulación Monte Carlo de...

Caracterización de dos Modelos de Fotomultiplicadores y

Estudio mediante Simulación Monte Carlo de varios Sistemas

de Calibración basados en Optical Beacons

Juan de Dios Zornoza Gómez

IFIC

28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC

Contenido

1. Introducción

2. Caracterización de fotomultiplicadores

3. Simulación del Optical Beacon

4. Conclusiones

28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC3

Introducción

• Motivaciones científicas

• Principio de detección

• Fondo físico

• El detector ANTARES

• Prestaciones del detector


Motivaciones científicas

• Los neutrinos sólo interaccionan débilmente (al contrario que los rayos cósmicos o los fotones), de manera que son un instrumento único para explorar el Universo a altas energías.

Neutralinos

•Si existen, se acumularían en el centro de objetos masivos (Tierra, Sol, Galaxia).

Fuentes exóticas

•Monopolos GUT•Monopolos relativistas.•SUSY Q-balls.•Nuevos fenómenos.

Astrofísica•Estrellas binarias de rayos X.•Restos de supernovas.•Núcleos Galácticos Activos.•Explosiones de rayos gamma.

Oscilaciones de neutrinos

222 27.12 m

E

LsensenP

•Sensibilidad óptima en el primer mínimo de probabilidad de supervivencia:

0 60 120

E/cos


Principio de detección

p

p

1. El neutrino atraviesa la Tierra e interacciona en las inmediaciones del detector, dando lugar a un muon.

2. La luz Cherenkov emitida por el muon se detecta mediante fotomultiplicadores.

6.0

º7.0

TeVE

•Ángulo entre el neutrino y el muon:


Fondo físico•Hay dos contribuciones al fondo físico:

• Muones inducidos por cascadas atmosféricas producidas por los rayos cósmicos primarios • Neutrinos atmosféricos que producen muones.

ee

Kp

...)(

-1 0 1 cos

10-8

10-11

10-14

10-17

(cm-2s-1sr-1)

• Para evitar los mounes inducidos se sitúa el detector en el fondo del mar y se detectan solamente neutrinos hacia arriba.• El fondo de neutrinos atmosféricos es irreducible, pero para E>10 TeV, la señal es mayor que dicho fondo.

10-8

10-13

10-20

103 107 10 11 1015

Ed

/dE

(cm

-2s-2

sr-1)

E (GeV)


El detector ANTARES

• El detector estará situado a 2400 m de profundidad, 40 km al SE de Tolón, Francia (42º 50’ N, 6º 10’ E)

• Cobertura de 3.5 sr del cielo.

• Superposición de 0.5 sr con AMANDA.

• Cobertura del Centro Galáctico.

• 13 líneas con módulos ópticos.

•Hay tres módulos ópticos por piso, cada 12 m.

• Cada línea tiene 30 pisos, separados 12 m (350 m de longitud activa).

• La longitud total de cada línea es 450 m.


Prestaciones del detectorResolución angular

• E<10 TeVError dominado por el ángulo -• E>10 TeV Resolución mejor que 0.4º

Resolución energética

• E < 100 GeV la energía se estima por el alcance del muon.• E > 1 TeV E/E~3

log10(Erec/Egen)


Caracterización de fotomultiplicadores

• Requisitos para ANTARES

• Modelos estudiados

• Montaje experimental

• Espectro de un fotoelectrón

• Resultados experimentales- Ganancia- Amplitud- Amplitud – Ganancia- Cociente pico/valle- Resolución energética- TTS- Corriente oscura- Afterpulses


Requisitos para ANTARES

• Dimensiones: Rcurv<19 cm y longitud < 35 cm.

Para que sea compatible con el tamaño de la esfera resistente a la presión.

• Voltaje nominal (@G=5107) < 2000 V

• Amplitud: > 50 mV.

• Relación Pico/Valle > 2.

• Resolución energética < 40% (recomendado)

• Corriente oscura <30 Hz/cm2.

25% de la tasa por 40K.• Tasa de afterpulses: Prepulses < 1%

Delayed Pulses < 5%

Afterpulses-1 < 1%

Afterpulses-2 < 10%• TTS < 3 ns (FWHM)


Modelos estudiados• Se han estudiado dos modelos de fotomultiplicadores

Linear focusedBox-lineEstructura de dínodos

1110Número de

etapas

BialkaliBialkaliMaterial del

Fotocátodo

10.6’’13’’Diámetro del

Fotocátodo

Photonis

XP1804/D2

Hamamatsu

R8055Modelo


Montaje experimental

• El láser es disparado por el generador de pulsos.

• La digitalización se realiza mediante los módulos NIM y CAMAC y el osciloscopio.

• Los datos se almacenan en el PC.

• La conexión entre el osciloscopio, los módulos CAMAC y el PC se realiza via GPIB.

Láser

Módulos NIM

Generador de pulsos

Osciloscopio digital

Módulos CAMACPC con

Labview


Montaje experimental

• Fuente de luz: Láser Nd-YAG

=532 nm

FWHM~0.5 ns

• El fotomultiplicador se sitúa en una caja negra para protegerlo de la luz ambiental.• La luz del láser se introduce en la caja mediante una fibra óptica.• Se usa un difusor lambertiano para iluminar homogéneamente la superficie del fotocátodo.

Láser

Jaula de -metal

Difusor lambertiano

Fotomultiplicador

Señal

HV


Espectro de un fotoelectrón

1

;)(n

nvalleyped xGnPFGxS

p0 nº medio de fotoelectrones.

p1 del pedestal.

p2 del pedestal.

p3 del pico de 1 pe.

p4 del pico de 1 pe.

p5 Fracción de sucesos al valle.

p6 Pendiente de la exp. del valle.

p7 Sucesos del valle en la exp.

• El espectro se ajusta a la función:


Espectro de un fotoelectrón

• Forma del valle

• Calidad del ajuste

-La calidad de los ajustes es muy buena. Se obtiene 2/ ~1, salvo para voltajes fuera de las condiciones de trabajo.


Ganancia

Número de serie Voltaje nominal (V)Phot 35 1738 5Phot 39 1615 5Ham AF0170 1995 5Ham AF0171 1757 5Ham AF0174 1941 5Ham AF0175 1918 5

• Se obtiene a partir del parámetro p3 del espectro de carga:

• Para parametrizar la dependencia de la ganancia con el voltaje se usa el producto de una exponencial y una parábola.

• La ganancia nominal (G=5·107) se consigue en los Photonis a voltaje más bajo.

• Todos los PMTs de Hamamatsu llegan a ganancias de 108, pero solamente uno de los PMTs de Photonis.


Amplitud

• La amplitud se obtiene ajustando el pico de 1 pe a una gaussiana.


Amplitud - Ganancia

35.8 0.7Ham AF017534.3 0.5Ham AF017430.5 1.2Ham AF017133.2 1.2Ham AF017062.5 0.8Phot 3960.2 1.3Phot 35

Amplitud nominal (mV)Número de serie

• Los PMTs de Photonis superan los 60 mV al voltaje nominal.

• La amplitud nominal de los PMTs de Hamamatsu es menor de 40 mV, aunque alcanzan los 50 mV a voltajes ligeramente superiores.

• La relación entre la amplitud y la ganancia es casi exactamente la misma para los fotomultiplicadores de Hamamatsu, mientras que se aprecia una pequeña diferencia al comparar las curvas de los PMTs de Photonis.


Cociente pico/valle

Número de serie Pico/VallePhot 35 1.8 0.1Phot 39 3.5 0.1Ham AF0170 4.2 0.2Ham AF0171 2.9 0.2Ham AF0174 4.1 0.3Ham AF0175 3.4 0.2

• Se obtiene a partir del espectro de carga de un fotoelectrón como el cociente entre la altura del pico de 1 pe y la del valle.

• El valor del cociente pico/valle es en general, superior a 3.• Tan sólo uno de los fotomultiplicadores (Phot 35) está por debajo de los requisitos (P/V>2).• En general, los PMTs de Hamamatsu presentan un pico/valle más alto.


Resolución energética

Número de serie Resolución energética (%)Phot 35 33 2Phot 39 29 2Ham AF0170 36 2Ham AF0171 37 2Ham AF0174 32 2Ham AF0175 32 2

• Se obtiene a partir del espectro de carga de un fotoelectrón como el cociente entre la anchura (p4) del pico de 1 pe y su posición (p3).

• La resolución energética de los fotomultiplicadores de Photonis es ~30%.• Para los PMTs de Hamamatsu es algo mayor, en torno al 35%.


TTS

• El nivel de iluminación ha de ser inferior a 1 pe, para evitar la coincidencia de dos o más pulsos, porque reduciría el TTS.• Se ha usado un umbral de discriminación de ½ fotoelectrón.

tpp

pt

pptf 22

1

2

1

3 exp2

exp2

1)(

0

Distribución temporal

• La distribución temporal medida por el TDC se ajusta a la convolución de una gaussiana y una exponencial.

• Se usa un PMT calibrado por Hamamatsu (TTS=0.230.01 ns) para medir la contribución no debida al PMT.

2222eleclaserPMTtot FWHMFWHMFWHMFWHM


TTS

Número de serie TTS (ns)Phot 35 1.8 0.1Phot 39 2.1 0.1Ham AF0170 2.5 0.1Ham AF0171 2.7 0.1Ham AF0174 2.6 0.1Ham AF0175 2.6 0.1

• Según lo esperado, el TTS decrece con el voltaje.

• Los PMTs de Photonis presentan un valor del TTS de ~2 ns al voltaje nominal.

• El TTS de los PMTs de Hamamatsu es mayor: ~2.6 ns.

• Ambos están dentro de los requisitos.


Corriente oscura

• Se ha medido la evolución de corriente oscura tras exponer el fotomul-tiplicador a la luz ambiental durante 15 minutos (con el voltaje apagado).

• Se observa una disminución bastante rápida de la corriente oscura: al cabo de una hora, la tasa medida es sólo dos veces mayor que la tasa de estabilización.

Evolución tras exposición a la luz ambiental

• Se utiliza un contador digital de varias entradas para medir la corriente oscura a cuatro umbrales distintos simultáneamente.


Corriente oscura

• Suave crecimiento con el voltaje para ambos modelos.

Dependencia con el voltaje

• La corriente oscura decrece al subir el umbral.• Brusca disminución en región próxima a 1 pe, ya que la mayor contribución viene del efecto termoiónico.

Dependencia con el umbral de discriminación


Afterpulses

fotoelectrón interceptado y reflejado por la rejilla de potencial (primario)

Delayed pulses[10 ns, 80 ns]

iones del gas residual (secundario)Afterpulses-2[80 ns, 16 s]

fotón radiado en los últimos dínodos que llega hasta el fotocátodo (secundario)

Afterpulses-1[10 ns, 80 ns]

fotón que es absorbido en el primer dínodo en lugar de en el fotocátodo (primario)

Prepulses[–80 ns, –10 ns]

• Definiciones:Causa


Afterpulses

Prepulses, delayed pulses y afterpulses-1

Amplitud de prepulses, delayed pulses y afterpulses-1

Prepulses Afterpulses-1Delayed pulses


Afterpulses

Afterpulses-2

17 31.6 0.24.8 0.32.3 0.2Ham AF0175

17 31.7 0.25.2 0.31.6 0.2Ham AF0174

15 22.6 0.14.8 0.20.8 0.2Ham AF0171

20 22.8 0.15.0 0.20.7 0.2Ham AF0170

21 41.8 0.14.7 0.20.0 0.3Phot 39

15 31.8 0.14.7 0.20.0 0.4Phot 35

Afterpulses-2Afterpulses-1Delayed pulsesPrepulsesNúmero de serie

Tasas (%)


Simulación delOptical Beacon

• Calibración temporal

• Fuentes y configuraciones propuestas

• Programas de simulación

• Modelos de agua

• Análisis

• Resultados de la simulación

• Single LEDs

• LED beacons

• Laser beacon


Calibración temporal• Para garantizar una correcta reconstrucción de la traza de los muones, es imprescindible controlar los retrasos en la propagación de la señal y sus fluctuaciones.

• Tres sistemas de calibración complementarios:- Calibración del reloj interno del Módulo de Control Local.

· Se envía un pulso óptico desde la estación en tierra hasta cada LCM y se miden los retrasos relativos.

- Calibración del tiempo de tránsito del fotomultiplicador.· Mediante un LED situado en el OM, se monitorizará el tiempo de tránsito del PMT.

- Calibración de los retrasos relativos con fuentes de luz externas (Optical Beacons).

· Usando intensas fuentes de luz externas (OBs) se integrarán todos los retrasos en la propagación de la señal.


Fuentes y configuraciones propuestas

• Se han propuesto cuatro configuraciones para los Optical Beacons:

- Un LED en cada Módulo Óptico (Single LEDs).- Varios cilindros con LEDs en cada línea (LED beacons).- Un láser en la línea de instrumentación (Laser beacon).- Un láser en una o varias líneas del detector.

Configuraciones

Fuentes de luz

•Calibración uniforme =470 nm

• Intensidad regulable

• FWHM ~ 4 ns

• Fuente intensa y fija

• =532 nm

• Problema de absorción

• FWHM 1ns

LEDsLáser


Programas de simulación

• GENDET: genera detectores espirales simulando los posibles desalineamientos y offsets.

• GEN: generación de fotones y almacenamiento de la información sobre posición, dirección y tiempo de llegada a esferas de distintos radios. Tanto la absorción como la dispersión de los fotones están simulados.

• HIT: la información de GEN se convierte en probabilidades de fotoelectrones y distribuciones de tiempo de llegada para cada bin en que se dividen las esferas.

•KM3MC: cálculo del número de fotoelectrones y su tiempo de llegada a cada PM para cada flash de luz.


Modelos de agua

• Dos tipos de centros de dispersión: - fluctuaciones de densidad. - partículas suspendidas.

• Parámetros relevantes:

cosθ1

λλ scat

eff

• Otro parámetro útil es:

300 400 500 600

(nm)

abs (m)

scat (m)60

30

0

60

30

0

Modelos simulados:

HGHGmed ~

1~~

partmolglob ~1

~~

• Medsea

• Global

40.860.0466

51.828.3532

scat (m)abs (m) (nm)

52.060.0466

66.828.3532

scat (m)abs (m) (nm)

abs() scat() β~

(, )


Análisis

• La salida de KM3MC son las distribuciones de tllegada-tdirecto.

• Tanto la anchura del pulso de luz de la fuente como la del tiempo de tránsito del fotomultiplicador están simulados, lo que ensancha la señal.

• El efecto de la dispersión es desplazar sucesos a tiempos mayores.

• La distribución de tiempos de llegada se ajusta a una gaussiana hasta el tercer bin tras el máximo.

• A partir de esta gaussiana se definen T100 y T50.

• Una vez corregido el efecto de la dispersión se obtienen T0

100 y T050.


Single LEDs

• Excelente redundancia en todo el detector. Cada PMT es iluminado (> 30 entradas en el bin máximo) por una media de 50 LEDs.

• Únicamente 4 PMTs (98%) son iluminados por tan sólo 2 LEDs.

• Un LED en cada Módulo Óptico emitiendo uniformemente en un cono.


Single LEDs• La dispersión introduce una dependencia con la distancia quese ajusta a un parábola para ser corregida.• Este efecto es más importante sobre T100 que sobre T50.• Buena compatibilidad entre los tiempos obtenidos por varios LEDs para un PM dado.


Single LEDs

• Incluso para modelos con el mismo valor de eff, se obtienen distintas correcciones.• T0

100 es más sensible a las incertidumbres las propiedades ópticas del agua que T0

50.• Para un caso pesimista (medseamed302), el error sistemático es ~0.5 ns en T0

100 a 80 m y ~0.3 ns en T050.

• Se han estudiado tres modelos para las propiedades ópticas del agua.

0.87

0.9244

0.8972

< cos >

230.730 m60 mmed302

396.830 m60 mmed301

396.840 m60 mmedsea

eff (m) scattabsModelo


Single LEDs

• Una incertidumbre del 10% en la anchura de la fuente introduce un error de ~0.2 ns en T0

50 y no afecta a T0100.

Efecto de la incertidumbre en la FWHM de la fuente

• También se puede estimar la convolución de la anchura de la fuente y del TTS del PMT mediante la anchura de la distribución temporal:

• Se encuentra que la dispersión ensancha la distribución.• A cortas distancias (> 1pe), input está sobreestimada porque la contribución del TTS del PMT es TTS/Q.

22TTSLEDinput

Estimación de LEDTTS


LED beacons• Distribución uniforme en 50º < < 120º.• 5 cilindros con LEDs a lo largo de cada línea.• 5 LEDs en cada una de las 6 caras.

• Buena calibración del detector. Solamente algunos PMTs de las líneas externas y de los pisos inferiores son calibrados por menos de 2 LED beacons.


LED beacons

• La diferencia en el tiempo de subida de las distribuciones temporales para los modelos Global y Medsea no es muy grande para distancias del orden de scat.

• Buena reconstrucción de los tiempos de llegada.


Laser beacon

• Las distribuciones que se obtienen al reconstruir los tiempos son más anchas que en los casos anteriores, debido al efecto de la dispersión.

• Láser situado en la línea de instrumentación, a 60 m del detector.•La luz que sale del láser pasa por un difusor lambertiano y luego se refracta en el cilindro de vidrio.


Laser beacon

• Para las mejores orientaciones, el nivel de un fotoelectrón se alcanza a los 250 m.• El número de fotones dispersos es un orden de magnitud mayor que el de los directos.

• Sólo la parte inferior del detector recibe suficiente luz.• Hay una gran disparidad en la cantidad de luz que reciben distintas partes del detector.


Comparación

T0100 (ns) T0

50 (ns) Configuración

Media

0.020 0.010 Single LEDs

–0.023* –0.016 LED beacons

0.040 –0.019 Laser beacon

RMS

0.06 0.04 Single LEDs

0.10* 0.07 LED beacons

0.30 0.14 Laser beacon

Configuración Ventajas Inconvenientes

Single LEDs -Excelente redundancia.

-Efecto de la dispersión pequeño.

-Intensidad ajustable.

-Incompatibilidad con el LED usado para monitorizar el tiempo de tránsito del PMT.

-Elementos adicionales en el OM.

LED beacons -Buena redundancia.

-Efecto de la dispersión pequeño.

-Intensidad ajustable.

-Elementos adicionales en la línea.

Laser beacon -Calibración de los pisos inferiores.

-Posición fija.

-Fuente intensa.

-FWHM pequeño (<1 ns)

-Efecto de la absorción grande.

-Intensidad de emisión no ajustable.


Conclusiones• Espectros bien reproducidos con buenos valores de 2/.

• Todos los PMTs llegan a ganancias de 5·107. El voltaje nominal (G= 5·107) es menor para el modelo de Photonis (1600 V - 1750 V) que para el de Hamamatsu (1750 V- 2000 V).

• La amplitud al voltaje nominal supera los 60 mV en el caso de Photonis. Los PMTs de Hamamatsu no llegan a los 40 mV, aunque alcanzan los 50 mV a voltajes algo mayores que el nominal.

• La relación entre la amplitud y la ganancia es la misma para todos los PMTs del mismo modelo.

• El pico/valle está entre 3 y 4 para todos los PMTs salvo para uno de los de Photonis.

• La resolución energética es aproximadamente un 30% para los PMTs de Photonis y un 35% para los de Hamamatsu.

• Ambos PMTs cumplen las especificaciones para el TTS (< 3 ns). El valor obtenido para los PMTs de Photonis es ~2 ns y para los de Hamamatsu, ~2.6 ns.

• La corriente oscura es menor para los PMTs de Photonis (~4 kHz) que para los de Hamamatsu (5-10 kHz).

• La tasa de prepulsos es baja para todos los fotomultiplicadores (sólo uno de ellos supera el 2%). La tasa de delayed pulses es un 5% en todos los PMTs. Los afterpulses 1 y 2 son aproximadamente un 2% y un 18%, respectivamente, es decir, dos veces el valor requerido.


Conclusiones

• La configuración de los Single LEDs proporciona un excelente nivel de redundancia. El tiempo se construye con una precisión mejor de 0.2 ns.

• Los LED beacons también proporcionan una buena redundancia. Sólo algunos PMTs de las líneas externas y en los pisos inferiores podrían tener problemas para ser calibrados.

• El láser en la línea de instrumentación es un útil sistema de calibración complementario, ya que puede iluminar los pisos inferiores. La absorción es un problema importante que impide que se pueda calibrar el detector globalmente con este sistema.

• El error sistemático debido a incertidumbres en el modelo de agua es, para el caso estudiado, ~0.3 ns para T0

50 y ~0.5 ns para T0

100 a 80 m.

• Una incertidumbre del 10% en la anchura de la fuente da un error sistemático de ~0.2 ns en T0

50 a 80 m y apenas afecta a T0

100.

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