Electrónica para Digitalizar señales de PMTs a 200 MHz en Detectores de Rayos Cósmicos EUCARIO GONZALO PÉREZ PÉREZ HUMBERTO SALAZAR IBARGÜEN LUIS M. VILLASEÑOR.

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1 Electrónica para Digitalizar señales de PMTs a 200 MHz en Detectores de Rayos Cósmicos EUCARIO GONZALO PÉREZ PÉREZ HUMBERTO SALAZAR IBARGÜEN LUIS M. VILLASEÑOR CENDEJAS DF, 28 de Septiembre de 2007

2 Chubasco de Aire Extenso y espectro de energía de los rayos cósmicos Figura 1: a) Chubasco de Aire Extenso (EAS). b) Espectro de los rayos cósmicos medido por detectores en tierra.

3 Distribución del Arreglo experimental EAS-UAP en la FCFM Diámetro interno de 1.54 m y una altura de 1.30 m llenados a hasta una altura de 1.2 m con 2230 l de agua purificada. Estos tienen un PMT (Modelo 9353K) de 8’’

4 Distribución del Arreglo experimental LAGO/Sierra Negra Para detectar GRBs

5 Modulo Central de Adquisición de datos EAS-UAP Modulo NIM y CAMAC

6 Programa de Adquisición desarrollado en lenguaje de programación LabView.

7 Resultados y funcionamiento del EAS-UAP Numero de partículas que atraviesan los tanques por segundo Unidades nanosegundos (ns) Unidades picoCoulombs Histogramas de calibración para los dos tipos de tanques[3] Tc1=70 pC Tc2=165 Tc3=290 Tc4=103 Tl1=67 Tl3=62.5 Tl5=24 Tl7=107 Tl9=140 Tl10=95 Análisis de los archivos.TXT bajo programación Root (basado en C++ ) Tc2 Tl9

8 Donde s es la edad del chubasco, r es la distancia del tanque al núcleo del Chubasco y Ro es el radio de Molliere (90 m para una altura de 2200msnm)[3] Programa de análisis desarrollado en lenguaje Visual Basic Posición del Núcleo del Chubasco

9 Resultados de datos obtenidos con simulación Monte Carlo Se proporcionan datos de la partícula primaria como, por ejemplo que es protón, energía de la partícula, ángulo de llegada respecto al cenit. Como también la altura de detectores y donde están ubicados (coordenadas terrestres). El tiempo para generar estos datos fue de aproximadamente de 4 a 5 horas

10 Utilizando la técnica de centro de masas pero aplicado a cargas observamos que nuestro método se aproxima al de simulación.

11 Justificacion de un sistema de muestreo a 100-200MS/s (no comercial)

12 Separación de la componente Muonica y electromagnética[4] La energía depositada por los muones en 1.20 m de altura de agua es 240 MeV y 26 MeV en 13 cm de liquido. Mientras que los electrones depositan toda su energía, que es aproximada- mente de 10 MeV. Entonces la relación de energías entre Muon y electrón es: Mu/EM=24 para los Cherenkov Mu/EM= 2.6 para los de Liquido Centellador

13 Composición de la masa del arreglo híbrido

14 Modulo Central de Adquisición de datos EAS-UAP Modulo NIM y CAMAC

15 Diseño de tarjetas electrónicas auxiliares Para digitalizar las señales analógicas proporcionadas por los tanques detectores utilizamos el convertidor analógico AD9214BRSZ-105, los cuales operan hasta 100MSPS. Para el diseño de los circuitos se uso Protel. interface

16 Interfase para descarga de datos entre FPGA y PC El puerto paralelo es el más comúnmente utilizado como puerto de interfase para proyectos. Este puerto permite la entrada/salida de 8 bits o una salida de 12 bits en cualquier instante, requiriendo la mínima circuitería externa para llevar a cabo muchas tareas. El puerto esta compuesto por 4 líneas de control, 5 líneas de estado y 8 líneas de datos. Esta comúnmente ubicado en la parte de atrás de las computadoras personales (PC) como conector tipo D hembra de 25 pines. Usamos el modo de puerto paralelo estándar (SPP), para adquirir y control de descarga de datos [5].

17 Convertidor analógico a digital de 10 bits AD9214 El AD9214 es un circuito integrado convertidor analógico a digital (ADC) de 10 bit, es de bajo costo, baja potencia y tamaño pequeño. El ADC AD9214 tiene un rate máximo de operación de 105 MSPS. Requiere únicamente una fuente de alimentación de 3.3 V y una señal de reloj para desempeñar su operación de digitalización. No requiere señales de referencia externa ni circuito manejador para muchas aplicaciones. Las salidas digitales son compatibles con TTL y CMOS, están separadas en pines con valores de voltajes de 3.3 y 2.5 V lógicos [6]. Características: -Ancho de banda analógico de 300MHz -Potencia máxima de consumo 285 mW -Rango de operación de entrada analógica 1 o 2 V p-p -Rango de voltaje de alimentación 2.7 a 3.6 V -Esta fabricado con tecnología CMOS, y esta disponible en un encapsulado de plástico de montaje superficial de 28 pines (28-SSOP) - Temperatura de operación es de -40 a 85 grados Celsius

18 Diseño del circuito eléctrico El diseño fue realizado con Altium Disegner 6. El cual es un paquete de diseño para circuitos electrónicos. Se realiza el circuito eléctrico y posteriormente se pasa a la etapa de creación del circuito impreso PCB.

19 Los FPGA´s son dispositivos de alto desempeño, proporciona un sistema de programación avanzado capaz de ser probado en su placa de prueba la lógica integrada. Los dispositivos que estamos utilizando son de la empresa Xilinx, el spartan 2 XC2S200, spartan3 XC3s200, ambos operando a 100 MHz [7]. Características: -Es una tarjeta a doble cara, con reguladores de voltaje de 2.5 y 3.3 V. -Cuenta con un oscilador de 50 MHz y con un zócalo para cambiar de oscilador (100MHz). -Tiene 6 ranuras de expansión (pines de I/O) A-F de 40 pines cada uno de ellos, puerto serial. -Salida con conector DB25, LED´s y Pushbutton, etc.

20 En ranura de expansión D conectamos el modulo de conversión A/D, su fuente de alimentación es de 5 V y reloj de conversión de 100MHz. En la tarjeta spartan3 el modulo de conversión se conecta en la expansión B1.

21 El lenguaje de programación que utilizamos es Lógica de Descripción Hardware de alta Velocidad (VHDL)[8],fue creado específicamente para el diseño de hardware, es decir, se pueden implementar con él multitud de circuitos lógicos. Se han realizado programas para obtener: 1- rate individual de tanques, 2-obtener datos de la traza de la señal obtenida de los PMT´s en dos formas, a 100 MH. Se presenta el diagrama a bloques de los programas para recuperar las trazas de las señales.

22 Software Xilinx ISE 9.1i Programa RamS3200.ise Se presenta el diagrama a bloques de los programas para recuperar las trazas de las señales. RamS3200.vi, es el programa en VHDL y el de la derecha es el de LabView v8. open 0

23 Se presentan imágenes de pruebas al sistema de adquisición y del programa para recuperar las trazas de las señales. Este programa cuando se ejecuta adquiere la cantidad de 409.6 K datos de 10 bits, esto lo hace 100 veces. Por el momento se metió señal del generador de funciones, 2 MHz, amplitud 400 mV y ancho en tiempo 64 ns.

24 Resultados: Lo que en estos resultados gráficos podemos observar, es que son iguales, en amplitud, ya que para ambos programas se le adquirieron la misma señal. Se observa también que ambos programas adquirieron seis puntos de la señal, esto se debe porque el sistema adquiere a100 MHz y el ancho del pulso fue de 64 ns.

25 Lenguaje de programación LabView y Resultados. Para el control de la tarjeta de adquisición y descarga de datos almacenados en ellas, usamos el lenguaje de programación LabView desde una PC y el circuito de interface presentado anteriormente. Los datos después de bajarse a la PC son analizados.

26 Sistema electrónico de adquisición, proporcionado el arreglo Experimental Internacional AUGER de Argentina. El rate es medido cada 5 milésimas de segundo. Rate ≈ 30 Rate ≈ 100  rate de los tanques de 1 y 4 m 2.

27 4.- Se construyo una tarjeta para discriminación de señales proveniente de los Tanques, de 16 canales que se usará para construir el disparo por coincidencia y medir los tiempos relativos de llegada de las partículas a los detectores.

28 Justificacion de un sistema de muestreo a 100-200MS/s (no comercial)

29 Resultados Un primer análisis de los datos guardados con root, proporcionan graficas similares a los obtenidos con la electrónica comercial

30 Integración de la hora y fecha a los datos. Global Positioning System (GPS) o Sistema de Posicionamiento Global (más conocido con las siglas GPS; su nombre más correcto es NAVSTAR GPS) es un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) el cual permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave, con una precisión hasta de centímetros usando GPS diferencial, aunque lo habitual son unos pocos metros [8].Sistema Global de Navegación por Satélite Motorola VP Oncore™ GPS Receiver

31 Se tienen los programas de comunicación entre la PC y el GPS, desarrollado en LabView. Contamos información de la serie de comandos que interpreta el GPS[8]. Por interpretar los códigos de respuestas

32 Se ha diseñado un sistema electrónico de adquisición basado en dos convertidores AD9214 y respectivo software en prueba, para realizar adquisición de datos a 200 MHz. En la primera prueba se probo con la Spartan3 que tiene un oscilador a 50 MHZ. La señal de entrada tiene un ancho de 20 ns, por cada canal adquiere un solo Punto.

33 CONCLUSIONES 1.- Se ha desarrollado el hardware para el sistema de adquisición de datos, donde se utiliza el dispositivo electrónico spartan2 XC2S200 y el spartan3 XC3s200, ambos operando a 100 MHz. 2.- Hemos desarrollado dos programas de adquisición mediante lenguaje de programación VHDL, uno de ellos controla por software el voltaje de umbral, con lo cual discriminamos las señales de de entrada y almacena los valores de las trazas en la memoria FIFO (interna al dispositivo). El segundo programa no cuenta con discriminador por software pero una vez que se ejecuta por la presencia de una señal de disparo almacena los datos en una memoria RAM de 4K por 10 bits de ancho y esto lo realiza 100 veces. 3.-En conjunto con los programas de adquisición (VHDL), se han desarrollado los programas respectivos para la descarga de datos a la PC, basado en lenguaje de programación LabView.

34 CONCLUSIONES 4.-Se han ajustado los programas de análisis de datos de acuerdo a nuestros datos, dichos programas están en lenguaje C++ (root) y también se ha utilizado Gnuplot; es decir, ya se pueden comparar algunos resultados por ejemplo el rate de cada tanque, de ambos sistemas (Auger). 5.- Se tiene un banco de datos obtenidos del funcionamiento del EAS-UAP. Con los cuales se obtuvieron rates y calibración de los tanques. Y la electrónica nos sirvió como base para diseñar el nuevo sistema y caracterizar las señales de los tanques. 6.- Estamos trabajando en el software (VHDL) y LabView, para integrar en nuestro sistema de adquisición la hora y fecha con un sistema de posicionamiento global (GPS) y tener precisión del orden de nanosegundos cuando se detecten los pulsos.

35 ARTICULOS 1.- Participación en la preparación del Artículo: “The Water Cherenkov Detector Array at the University of Puebla to study cosmic rays”,publicado en, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. NIMA 850, (2005)Paginas 1-5. 2.- Participación en la preparación del Artículo “Electronics for the Extensive Air shower Detector Array at the University of Puebla”. AIP conference Proceedings, volumen 857(2006), page 338-341. 3.- Participación en la preparación del trabajo enviado al ICRC ( India, agosto 2005) “Hybrid Extensive Air shower Detector Array at the University of Puebla to Study Cosmics Rays”.

36 Bibliografía: 1.-The water Cherenkov detector array for studies of cosmic rays at the University of Puebla. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Volume 553, Issues 1-2, 11 November 2005, Pages 290-294 J. Cotzomi, E. Moreno, T. Murrieta, B. Palma, E. Pérez, H. Salazar and L. Villaseñor 2.- http://direct.xilinx.com/bvdocs/appnotes/xapp105.pdfhttp://direct.xilinx.com/bvdocs/appnotes/xapp105.pdf [3].- J. Nishimura, Handbuch der Physik XLVI/2, (1967) 1. [4].- Hybrid Extensive Air Shower Detector Array at the University of Puebla to Study Cosmic Rays. O. MARTINEZ, H. SALAZAR, L. VILLASEÑOR [5].-http://www.beyondlogic.org/spp/parallel.htm [6].-http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD9214.pdf [7].-http://www.xilinx.com/bvdocs/userguides/ug130.pdf [8].-http://www.tapr.org/gps_oncorevp.html

37 Contenido de la tesis ADQUISICIÓN DE DATOS PARA EL ARREGLO HíBRIDO EAS-UAP 1.- Introduccion y revision sobre experimentos a 10*15eV. 20% 2. El arreglo hibrido EAS-BUAP y la determinacion de la Distribucion lateral de muones y electrones/fotones 90% 3.- El nuevo sistema de adquisicion ultrarapido del EAS-BUAP 70% 4.-Resultados obtenidos con la nueva electronica. 5.-Conclusiones

38 Trabajos en la Sierra Negra. Realizar calibración con electrónica del arreglo experimental Auger (Argentina) y con la desarrollada en Puebla.  Los tanques tienen una sección eficaz de 1 m 2 y 4 m 2  Internamente tienen un foto- multiplicador de 5’’ (modelo EMI 9030A)  Ubicado a 4550 m s.n.m.  6 tanques Cherenkov de agua (5 funcionando).  Arreglo experimental en Sierra Negra  OBJETIVO:  Búsqueda de GRBs en un rango de energía 10 GeV y 1 TeV y  detección de rayos gamma de alta energía.

39  Esquema del arreglo en Sierra Negra WCD6 ALT:4551 M N 18°59’ 04.72 W 97°18’46.8”

40 Análisis de datos obtenidos con electrónica del observatorio Auger de Argentina definición del VEM no intercalibrado

41 Intercalibración en la SN en base carga

42 Intercalibración en la SN en base al Peak

43 Grafica de la función de distribución lateral de partículas Para este evento reporto una energía de 127 TeV Ne(E0)=99.8 E0 ^1.107 [ 5]