Caracterización de dos Modelos de Fotomultiplicadores y Estudio mediante Simulación Monte Carlo de varios Sistemas de Calibración basados en Optical Beacons.

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1 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

2 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC Contenido 1.Introducción 2.Caracterización de fotomultiplicadores 3.Simulación del Optical Beacon 4.Conclusiones

3 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC3 Introducción Motivaciones científicas Principio de detección Fondo físico El detector ANTARES Prestaciones del detector

4 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC4 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 Sensibilidad óptima en el primer mínimo de probabilidad de supervivencia: 0 60 120 E/cos 

5 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC5 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. Ángulo entre el neutrino y el muon:

6 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC6 Fondo físico Hay dos contribuciones al fondo físico: Muones inducidos por cascadas atmosféricas producidas por los rayos cósmicos primarios Neutrinos atmosféricos que producen muones. -1 0 1 cos  10 -8 10 -11 10 -14 10 -17  (cm -2 s -1 sr -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 10 3 10 7 10 11 10 15 Ed  /dE (cm -2 s -2 sr -1 ) E (GeV)

7 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC7 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.

8 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC8 Prestaciones del detector Resolución angular E<10 TeV  Error 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 log 10 (Erec/Egen)

9 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC9 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

10 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC10 Requisitos para ANTARES Dimensiones: R curv <19 cm y longitud < 35 cm. Para que sea compatible con el tamaño de la esfera resistente a la presión. Voltaje nominal (@G=5  10 7 ) < 2000 V Amplitud: > 50 mV. Relación Pico/Valle > 2. Resolución energética < 40% (recomendado) Corriente oscura <30 Hz/cm 2. 25% de la tasa por 40 K. Tasa de afterpulses: Prepulses < 1% Delayed Pulses < 5% Afterpulses-1 < 1% Afterpulses-2 < 10% TTS < 3 ns (FWHM)

11 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC11 Modelos estudiados Se han estudiado dos modelos de fotomultiplicadores Linear focusedBox-line Estructura de dínodos 1110 Número de etapas Bialkali Material del Fotocátodo 10.6’’13’’ Diámetro del Fotocátodo Photonis XP1804/D2 Hamamatsu R8055 Modelo

12 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC12 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 CAMAC PC con Labview

13 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC13 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

14 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC14 Espectro de un fotoelectrón p 0  nº medio de fotoelectrones. p 1   del pedestal. p 2   del pedestal. p 3   del pico de 1 pe. p 4   del pico de 1 pe. p 5  Fracción de sucesos al valle. p 6  Pendiente de la exp. del valle. p 7  Sucesos del valle en la exp. El espectro se ajusta a la función:

15 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC15 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.

16 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC16 Ganancia Número de serieVoltaje nominal (V) Phot 35 1738  5 Phot 39 1615  5 Ham AF0170 1995  5 Ham AF0171 1757  5 Ham AF0174 1941  5 Ham AF0175 1918  5 Se obtiene a partir del parámetro p 3 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=5·10 7 ) se consigue en los Photonis a voltaje más bajo. Todos los PMTs de Hamamatsu llegan a ganancias de 10 8, pero solamente uno de los PMTs de Photonis.

17 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC17 Amplitud La amplitud se obtiene ajustando el pico de 1 pe a una gaussiana.

18 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC18 Amplitud - Ganancia 35.8  0.7 Ham AF0175 34.3  0.5 Ham AF0174 30.5  1.2 Ham AF0171 33.2  1.2 Ham AF0170 62.5  0.8 Phot 39 60.2  1.3 Phot 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.

19 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC19 Cociente pico/valle Número de seriePico/Valle Phot 35 1.8  0.1 Phot 39 3.5  0.1 Ham AF0170 4.2  0.2 Ham AF0171 2.9  0.2 Ham AF0174 4.1  0.3 Ham 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.

20 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC20 Resolución energética Número de serieResolución energética (%) Phot 35 33  2 Phot 39 29  2 Ham AF0170 36  2 Ham AF0171 37  2 Ham AF0174 32  2 Ham AF0175 32  2 Se obtiene a partir del espectro de carga de un fotoelectrón como el cociente entre la anchura (p 4 ) del pico de 1 pe y su posición (p 3 ). La resolución energética de los fotomultiplicadores de Photonis es ~30%. Para los PMTs de Hamamatsu es algo mayor, en torno al 35%.

21 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC21 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. 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=0.23  0.01 ns) para medir la contribución no debida al PMT.

22 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC22 TTS Número de serieTTS (ns) Phot 35 1.8  0.1 Phot 39 2.1  0.1 Ham AF0170 2.5  0.1 Ham AF0171 2.7  0.1 Ham AF0174 2.6  0.1 Ham 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.

23 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC23 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.

24 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC24 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

25 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC25 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

26 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC26 Afterpulses Prepulses, delayed pulses y afterpulses-1 Amplitud de prepulses, delayed pulses y afterpulses-1 PrepulsesAfterpulses-1Delayed pulses

27 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC27 Afterpulses Afterpulses-2 17  31.6  0.24.8  0.32.3  0.2 Ham AF0175 17  31.7  0.25.2  0.31.6  0.2 Ham AF0174 15  22.6  0.14.8  0.20.8  0.2 Ham AF0171 20  22.8  0.15.0  0.20.7  0.2 Ham AF0170 21  41.8  0.14.7  0.20.0  0.3 Phot 39 15  31.8  0.14.7  0.20.0  0.4 Phot 35 Afterpulses-2Afterpulses-1Delayed pulsesPrepulsesNúmero de serie Tasas (%)

28 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC28 Simulación del Optical Beacon Calibración temporal Fuentes y configuraciones propuestas Programas de simulación Modelos de agua Análisis Resultados de la simulación Single LEDs LED beacons Laser beacon

29 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC29 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.

30 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC30 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

31 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC31 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.

32 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC32 Modelos de agua Dos tipos de centros de dispersión: - fluctuaciones de densidad. - partículas suspendidas. Parámetros relevantes: Otro parámetro útil es: 300 400 500 600 (nm) abs (m) scat (m) 60 30 0 60 30 0 Modelos simulados: 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 ( ) ( , )

33 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC33 Análisis La salida de KM3MC son las distribuciones de t llegada -t directo. 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 T 100 y T 50. Una vez corregido el efecto de la dispersión se obtienen T 0 100 y T 0 50.

34 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC34 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.

35 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC35 Single LEDs La dispersión introduce una dependencia con la distancia que se ajusta a un parábola para ser corregida. Este efecto es más importante sobre T 100 que sobre T 50. Buena compatibilidad entre los tiempos obtenidos por varios LEDs para un PM dado.

36 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC36 Single LEDs Incluso para modelos con el mismo valor de eff, se obtienen distintas correcciones. T 0 100 es más sensible a las incertidumbres las propiedades ópticas del agua que T 0 50. Para un caso pesimista (medsea  med302), el error sistemático es ~0.5 ns en T 0 100 a 80 m y ~0.3 ns en T 0 50. Se han estudiado tres modelos para las propiedades ópticas del agua. 0.87 0.9244 0.8972 230.730 m60 mmed302 396.830 m60 mmed301 396.840 m60 mmedsea eff (m) scatt abs Modelo

37 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC37 Single LEDs Una incertidumbre del 10% en la anchura de la fuente introduce un error de ~0.2 ns en T 0 50 y no afecta a T 0 100. 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. Estimación de  LED  TTS

38 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC38 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.

39 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC39 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.

40 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC40 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.

41 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC41 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.

42 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC42 Comparación T 0 100 (ns)T 0 50 (ns)Configuración Media 0.020 0.010Single LEDs –0.023*–0.016LED beacons 0.040–0.019Laser beacon RMS 0.060.04Single LEDs 0.10*0.07LED beacons 0.300.14Laser beacon Configuración VentajasInconvenientes 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.

43 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC43 Conclusiones Espectros bien reproducidos con buenos valores de  2 /. Todos los PMTs llegan a ganancias de 5·10 7. El voltaje nominal (G= 5·10 7 ) 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.

44 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC44 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 T 0 50 y ~0.5 ns para T 0 100 a 80 m. Una incertidumbre del 10% en la anchura de la fuente da un error sistemático de ~0.2 ns en T 0 50 a 80 m y apenas afecta a T 0 100.

45 28 de marzo de 2001 J. D. Zornoza - IFIC