Desarrollo y Caracterización de Fotomultiplicadores de Silicio para NEXT Trabajo Fin de Master 04/10/10 David Lorca Galindo.

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1 Desarrollo y Caracterización de Fotomultiplicadores de Silicio para NEXT Trabajo Fin de Master 04/10/10 David Lorca Galindo

2 INDICE 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.

3 El neutrino y la desintegración doble beta. Wolfgang Pauli 1930 Modelo Estándar Spin +1/2 Sin Carga Masa Nula Partícula De Dirac

4 Oscilación de Neutrinos Idénticas a sus Antipartículas Violación del número leptónico. Violación CP-Paridad.

5 Desintegración Doble Beta Según el Modelo Estándar. Observada en varios núcleos como 76 Ge, 48 Ca, 100 Mo, 82 Se o 150 Nd, con vidas medias de 10 19 -10 20 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.

6 Anteriores Experimentos. SNO ( 150 Nd) CUORE ( 128 Te) EXO ( 136 Xe) Gerda ( 76 Ge) NEMO y SuperNEMO ( 82 Se) NEMO y SuperNEMO ( 82 Se)

7 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 136 Xe (Q ββ =2.48MeV τ ββ =10 22-25 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.

8 Procedimiento físico de NEXT Los electrones emitidos en la desintegración doble beta excitan e ionizan al xenon 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 (t 0 ). 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. 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. 8

9 Topología de la traza correspondiente a la doble desintegración beta. Espectro desintegración doble beta. Resolución mejor que 1%. SIN Neutrinos Con Neutrinos

10 Fotomultiplicadores de Silicio (Si-PMs) Principio de funcionamiento. Región Proporcionalidad Ganancia 50-50000 Modo Geiger Ganancia ≈ 10 6 Unión p-n Voltaje Inverso Aplicado

11 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

12 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. Dependencia directa entre Ganancia y Voltaje de Operación. Agrupación de Si-PMs en NEXT-1 ¿Mínima dispersión en Ganancia?

13 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 Coincide con el centro de máxima sensibilidad de nuestros MPPCs!!!!!!

14 Dependencia directa entre la eficiencia de conversión y la densidad de TPB del depósito. Según estudios anteriores Máxima eficiencia de conversión a 0,05 mg/cm 2 Necesitamos un método de deposición de esta molécula preciso, que nos permita controlar las condiciones en que se realiza y el espesor conseguido.

15 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. Evaporando a: 8 cm de la superficie. 212 ºC 2. 10 -5 mbar.

16 Se realizó un depósito de 1 mg/cm 2 no uniforme sobre una placa formada por 19 Si- PMs y un cristal de cuarzo. Sirvió como calibración y muestra para los primeros estudios.

17 Segunda deposición: Instituto de Ciencia Molecular (ICMOL) Sala limpia clase 10000 En atmosfera de Nitrogeno. Cámara de vacio 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. 4 evaporadores independientes. Detectores de oro para medir el espesor de la deposición. Evaporación + Rotación.

18 Deposiciones realizadas en ICMOL TiO 2 : endurecimiento, bloqueador UV SnO 2 : hidrofóbica TiO 2 : endurecimiento, bloqueador UV SnO 2 : hidrofóbica Iluminación con lámpara UV. Reemisión en visible. Iluminación con lámpara UV. Reemisión en visible.

19 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.

20 Ganancia de Si-PMs en función de su voltaje de operación LED 400 nm MPPCs de Hamamatsu Photonics S10362-11-025C S10362-11-050C MPPCs de Hamamatsu Photonics S10362-11-025C S10362-11-050C Si-PM Circuito Amplificador Fuente de Tensión KEITHLEY 6487 Generador de Pulsos AGILENT 33250A Señal de Trigger Pulso Histograma 2º pico p.e. 1º pico p.e. Pedestal

21 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. e = carga del electrón = 1,602. 10 -19 C R osciloscopio = 50 Ω Ganancia del MPPC

22 025C 050C 025C Dependencia lineal entre Ganancia y Voltaje de alimentación. Selección adecuada de MPPCs Dispersión < 5% Selección adecuada de MPPCs Dispersión < 5%

23 Efectos de Temperatura sobre la Ganancia de Si-PMs Circuito Amplificador Termómetro Digital Célula peltier Si-PM ¿Dependencia de la Ganancia con la Temperatura? ¿Dependencia de la Ganancia con la Temperatura? ¿Podría ser corregida? Cálculo de la Ganancia de un MPPC S10362-11-025C en diferentes condiciones de Temperatura

24 Correcciones on line del Voltaje de alimentación de Si-PMs Correcciones on line del Voltaje de alimentación de Si-PMs Disminución de Ganancia con la Temperatura G = 3.5. 10 5

25 Depósito directo de TPB sobre Si-PMs. ¿Efecto de TPB sobre la respuesta de Si-PMs? ¿Eficiencia de Conversión de TPB en función del grosor del depósito? Condiciones de iluminación (distancia, iluminación, voltajes, etc) constantes Condiciones de iluminación (distancia, iluminación, voltajes, etc) constantes Efecto producido únicamente por TPB PCB Colimado r Electrónica Asociada

26 Si-PMs con TPB Si-PMs sin 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.

27 Bajas longitudes de onda (260, 285, 315 nm) Eficiencia de Conversión depende directamente del espesor de TPB. Espesor Optimo = 0,05 mg/cm 2

28 Altas longitudes de onda (400, 370, 341 nm) Reducción de señal al aumentar el espesor de los depósitos. Mayor Absorción a 340 nm

29 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 Soporte Teflón Cristal con TPB Cristales con una componente de TiO 2 Bloqueador UV profundo Cristales con una componente de TiO 2 Bloqueador UV profundo

30 Transmitancia = 5% para = 260 nm Medimos eficiencia de conversión en función del espesor de TPB. Mismo comportamiento que para la deposición directa. Reducción considerable de la señal detectada por los SI-PMs. Solo = 260 nm

31 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.

32 Dependencia directa entre grosor y autoabsorción. Recordamos: espesor óptimo de la eficiencia de conversión 0,05 mg/cm 2 Efecto no significativo pero si debe ser tenido en cuenta.

33 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. Repetido con varios Si-PMs para eliminar errores sistematicos. Desviacion estándar de la serie de medidas HOMOGENEIDAD

34 Reducción de la Homogeneidad para bajos espesores. Efecto debido a la técnica empleada (ROTACIÓN) Efecto debido a la técnica empleada (ROTACIÓN) Futura producción de Si-PMs con TPB para NEXT Eficiencia de Conversión Homogeneidad

35 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. 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. Plano de reconstrucción de trazas PCBs hijas PCB madre

36 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)

37 Si-PMs en PET ¿Ventajas de la utilización de Si-PMs en PET? Insensibles a campos magnéticos. (Integración en MRI) Bajo coste. Bajo Voltaje de Operación. Insensibles a campos magnéticos. (Integración en MRI) Bajo coste. Bajo Voltaje de Operación. AAaAAa Alta eficiencia de fotodetección. PDE > 65% a 400 nm. Excelente resolución temporal. (100 ps) Alta eficiencia de fotodetección. PDE > 65% a 400 nm. Excelente resolución temporal. (100 ps)

38 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. 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 Medio activo = Xenon Liquido Adaptador = TPB Detector = Si-PMs Medio activo = Xenon Liquido Adaptador = TPB Futuros PET