Desarrollo de Detectores por el Grupo de Materia Oscura y

Transcripción

Desarrollo de Detectores por el Grupo de
Materia Oscura y Neutrinos del ICN
Alexis A. Aguilar Arévalo
ICN-UNAM
Contenido:
● Grupo de Materia Oscura y Neutrinos del ICN
● Proyectos relacionados al LabDet-ICN:
- DAMIC
- CONNIE
- Detector de plásticos centelladores para neutrinos de reactores
● Resumen
Inauguración del nuevo espacio del Laboratorio de Detectores del ICN
5 de marzo de 2015, Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM
Grupo de Materia Oscura y Neutrinos del ICN
2
Investigadores:
Departamento de Física de Altas Energías
- Dr. Juan Carlos D'Olivo
[email protected]
- Dr. Alexis Aguilar Arévalo
[email protected]
Estudiantes:
Maestría
- Youssef Sarkis Mobarak (PCF)
- Marisol Chávez Estrada (PCF)
Licenciatura
- Alejandro Castañeda Vázquez
- Pamela Hernández Torres
- Guadalupe Moreno Granados
- Diana P. Méndez Méndez
- César Santibañez
(F. Ingeniería)
(F. Ingeniería)
(F. Ciencias)
(F. Ciencias)
(F. Ingeniería)
Servicio Social
- Bryan Olmos Yáñez (F. Ciencias)
- Jesús Alanis Manrriquez (F. Ciencias)
- Isaac Manjarrez Rodríguez (F. Ciencias)
Colaboradores del
Instituto de Ingeniería
- Dr. Frederic Trillaud [email protected]
- César Santibañez Ing. Mecánica
5 de marzo, 2015, ICN-UNAM
3
Proyectos
DAMIC (DArk Matter In CCD´s)
Búsqueda directa de materia oscura (MO) en forma de WIMP (Weakly
Interacting Massive Particles) con masas entre 1-10 GeV/c2.
CONNIE (COherent Neutrino-Nucleus Interaction Experiment)
Medición de la dispersión elástica coherente neutrino núcleo
(DECNN). Búsqueda de física más allá del modelo estándar (ME).
DAMIC y CONNIE utilizan detectores basados en la tecnología de los
dispositivos de carga acoplada o CCD (Charged Coupled Devices), de
calidad científica, ideales para la detección de procesos debidos a
partículas que interaccionan débilmente. Estos operan al alto vacío
(10-6 torr) y a temperaturas de ~140 K.
Detector de plásticos centelladores para monitoreo de reactores nucleares
4
CCD: ChargeCoupled Device
3 cm
6 cm
Desarrollado por el Laboratorio
de Microsistemasde LBNL para DECam
Tamaño de pixel: 15 m x 15 m
# de pixeles: 2000 x 4000
Grosor de CCD: 250-650 m
Masa: 1-3 gram
Temp de operación: 140 K
●
●
●
Ruido de lectura ~ 2.5 electrones (RMS)
Umbral de detección < 50 eVee
Difusión → reconstrucción en 3D
→ rechaza eventos superficiales
5
CCD: detector de rad. ionizante
Meta:
Buscar señales de dispersión coherente
WIMP-Núcleo (neutrino-Núcleo) a través
de la ionización de retrocesos nucleares
en el Si de la CCD (Edep< 10 keV).
●
●
●
Ionización genera portadores de
carga (huecos).
Estos se atrapan en el pozo de
potencial cerca de los electrodos.
Ahí son almacenados para su
posterior lectura.
6
Reconstrucción de eventos
●
●
Ajuste de anchura del clúster ()
Estimar posición z en el bulto
7
Imagen en CCD → Poderosa Identificación de partículas
8
Single pixel charge distribution
Distribution
del ruido
carga depositada por
radiación ionizante
Laboratorio de Detectores del ICN en DAMIC y CONNIE
●
●
●
●
●
Estamos en proceso de adecuar/equipar el área de
criogenia del Laboratorio para hacer pruebas con
dispositivos CCD (altamente sensibles a descargas de
electricidad estática).
Contamos con equipo de crio-refrigeración, alto vacío seco
y un sistema de lectura de CCDs.
Un detector de Germanio de alta pureza ha sido prestado al
ICN (actualmente en la aduana). Con él podremos realizar
mediciones de pureza de componentes usadas en ambos
experimentos.
Estudiantes e investigadores han realizado estancias en el
laboratorio Fermilab para entrenarse en el manejo de
CCDs.
De Nov 2014 a Ene 2015 dos estudiantes de licenciatura
estuvieron en la central nuclear ANGRA a cargo de todas
las operaciones del prototipo del detector CONNIE.
9
10
Crioenfriamiento
●
●
●
●
Ciclo cerrado de expansión de helio.
El compresor comprime el refrigerante y
remueve calor del sistema al expandirse.
La cabeza fría toma el refrigerante para
enfriar hasta temperaturas criogénicas.
Las líneas flexibles llevan el helio a alta
presión hacia la cabeza fría y devuelven el
helio a baja presión hacia el compresor.
●
Helio puro al 99.999%.
●
Bajo costo de operación.
●
●
●
La cabeza fría no precisa de movimientos
mecánicos. Muy bajo ruido por vibración.
Microprocesador
incorporado
operación inadecuada.
previene
Control y monitoreo remoto.
Cryomech PT-805
Instalación para lectura de CCDs
Tarjeta de
comunicación
del LEACH con
computadora
Computadora de 64
bits con sistema
operativo CENTOS,
para controlar el
sistema LEACH
Lugar donde se
planea colocar
cápsula con la
CCD
Sistema de
lectura LEACH
completo (Fuente
y electrónica)
11
Bomba de alto
vacío
Sistema de
control y
monitoreo de de
temperatura
Sistema LEACH con computadora dedicada
● Bomba de vacío seco (diafragma + turbomolecular)
● Controlador de temperatura
La cápsula será adquirida este año con proyecto CONACYT CIB-2015
●
Calibración de CCD con fuentes de rayos X
12
13
Detector de Ge de alta pureza (HPGe)
Préstamo Fermilab - ICN
El laboratorio FERMILAB ha prestado un detector de Ge de alta pureza al Instituto
de Ciencias Nucleares (ICN-UNAM). Tiene como propósito apoyar la colaboración
con DAMIC y CONNIE.
Será empleado para medir los niveles de contaminación radiactiva en los
componentes de los materiales que serán utilizados en detectores de partículas
basados en la tecnología de las CCD.
También será utilizado para la enseñanza de cursos de laboratorio en apoyo a la
Facultad de Ciencias y el programa de posgrado de la UNAM.
Espectro de energías, fuente de Cs-137
Substituto de sal MortonTM (Sal de Potasio)
 (0.6617 MeV )
 (1.5049 MeV )
14
Detector de Ge de alta pureza (HPGe)
Montaje para conteo de muestras, Fermilab
Características
●
Marca EG&G ORTEC Mod. CNHDS30-1695
●
Voltaje de operación -3200 V
●
5 hr para enfriar en baño de LN2.
●
Preamp usa ±12 V a 5 mA y ±24 V a 10 mA
●
Valuado en $17,000 USD
Equipo prestado5al
ICN
de marzo, 2015, ICN-UNAM
Fast Tester Tool for CCDs
Herramienta gráfica para la
automatización del proceso de
prueba y caracterización de los
sensores CCD en Fermilab.
Con ella se pueden realizar
pruebas, tales como: Photon
Transfer
Curve,
Quantum
Efficiency Curve, exposiciones
con rayos X, cálculo de ruido en
las exposiciones o verificar y
modificar los voltajes de reloj para
la lectura del sensor.
Staff técnco de Fermilab lo usa
cotidianamente.
Reactores Nucleares como fuentes de antineutrinos
16
Decaimiento -:
235
U
239
Pu
238
U
241
Pu
EFisión(MeV)
202
210
205
212
<E> (MeV)
1.46
1.32
1.56
1.44
<N>
(E>1.8 MeV)
5.58
(1.92)
5.09
(1.45)
6.69
(2.38)
5.89
(1.83)
Típicamente: ~ 21020   e /sec/GWatt
Flujo determinado por:
1. potencia del reactor
2. taza de fusión de U235, U238, Pu239, Pu241
17
Reactores Nucleares como fuentes de antineutrinos
Detección por decaimiento  inverso:
● Umbral de reacción: E >1.8 MeV

2
-43
2
● Sección eficaz (E
):
<>~10
cm

Señall e+: Cherenkov+'s (aniquilación)
Señal n: 's de su captura en Gd (~30
s, ~8MeV)

La coincidencia retrasada de las
señales del e+y del n, identifican la
interacción del  e .
 e
e
C
+
e-


n

Gd


Detector de antineutrinos con plásticos centelladores
●
●
●
Prototipo para posible futura aplicación en Laguna Verde (2 2 GWth).
Concepto de prototipo escalable con módulos de plástico centellador
envueltos en plástico dopado con Gd.
Módulos de 10 cm x 10 cm x 100 cm (masa ~100 kg) con 2 PMT's.
Plástico centellador
PMT
PMT
Envoltura plástica con Gd
●
Masa de 1Ton (100 módulos) a 100 m  cientos de atineutrinos por día.

 e
C
+
e
n
e-


Gd

e+
n


t
1 m3
Alexis Aguilar-Arévalo
7a Escuela de Física Fundamental,2011
ICN-UNAM
18
México. D.F.
5 agosto, 2011
Monitoreo de Reactores con 's
19
Concepto del detector:
●
●
●
1 Ton (1m3) de plástico cenellador
dopado con Gd. Detección por IBD
Instrumentacion: PMT's
Distancia al reactor < 200 m.
Actualmente ensamblando versón
de 100 kg (10 barras).
20
Producción de láminas con pintura de Gadolinio
●
●
●
●
Para incrementar la captura de neutrones
en plásticos centelladores.
Láminas de 100cm x 45cm con cubierta de
pintura de Gd (densidad de ~70 g/m^2).
La pintura es una mezcla de 40 g de óxido
de gadolinio (Gd2O3) con 60 ml de pintura
acrílica blanca.
Aplicada uniformemente sobre cartulina
resistente a la humedad.
Densidad de la
pintura con Gd
σ (g/m^2)
σ_eff
(g/m^2)
76.68±3.69
66.72±3.21
78.28±4.71
68.11±4.09
77.51±4.67
67.43±4.06
77.63±4.67
67.84±4.06
82.27±4.92
71.57±4.28
78.81±4.73
68.57±4.12
~80% del Gd2O3 es Gd (σ_eff).
21
Ensamble de paletas del veto de muones
- 2 (6) paletas de 27 cm (150 cm) x 55 cm x 0.6 cm
- Guía de luz de acrílico acoplada a PMT (2” Hama-1306)
- Voltaje de operación +1000 V
- Determinación de la eficiencia intrínseca de las paletas

d
I    I v cos 2
Eficiencia geométrica vs d
Diseño de fuente de alto voltaje
●
●
●
22
Fuente de alto voltaje para PMT's basada en
mini-fuentes EMCO-C15 (0-1500 V)
Poca dependencia con la Temp (50 ppm/°C)
Poca sensibilidad a fluctuaciones de los
voltajes de regulación y de alimentación
Diseño por estudiante de licenciatura:
●
Regulación de voltaje de alimentación a 16 V
●
Regulación de voltaje de control 0-5 V
●
Voltaje de salida 0-1500 V con I < 0.6 mA
Diseño del circuito en Altium Designer
Acoplamiento de segundo PMT's a los plásticos
●
●
●
23
2 PMT's por plástico necesarios
para una buena calorimetría.
Maquinado de perforaciones (taller
mecánico ICN)
Pruebas de desempeño con rayos
cósmicos y fuentes de rayos
gamma.
2 PMTs
24
Formación de recursos humanos
Servicio Social
- 10 concluidos entre 2011 y 2014
- 2 en proceso
Tesis
Concluidas
●
“Sensibilidad de un detector basado en sensores CCD para la búsqueda directa de materia oscura
en forma de WIMP”, Youssef Sarkis Mobarak, F. Ciencias, 2014. Licenciatura.
●
“Desarrollo de un sistema de monitoreo y control para el experimento damic ” Carolina A. Salazar
Lagunes, F. Ingeniería, 2014. Licenciatura.
●
“El flujo de antineutrinos de la Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde y su detección” Marisol
Chávez Estrada, F. Ciencias, 2014. Licenciatura.
En Proceso:
●
“Búsqueda de desaparición de neutrinos del muón en el haz de neutrinos del Booster de
Fermilab”, Diana P. Méndez, F. Ciencias  2015. Licenciatura.
●
“Sensores CCD para la búsqueda directa de Materia oscura: el experimento DAMIC”, Guadalupe
Moreno Granados, F. Ciencias,  2015. Licenciatura.
●
Herramienta para la prueba y caracterización de CCD de calidad científica, A. Castañeda Vázquez
y K. P. Hernández Torres, Posgrado Ingeniería,Posgrado Ingeniería,  2017. Licenciatura.
●
“Estudio de la dispersión elástica coherente neutrino-nucleo con detectores basados en
dispositivos CCD de calidad científica”, Marisol Chávez Estrada, PCF,  2017. Maestría.
●
“CCD como detectores de partículas ionizantes y su aplicación a experimentos de detecciónd e
materia oscura”, Youssef Sarkis Mobarak, PCF,  2017. Maestría.
25
Comentarios finales
●
●
●
●
El nuevo espacio del Laboratorio de Detectores del ICN dará
al grupo de la UNAM en DAMIC y CONNIE la posibilidad de
hacer aportaciones significativas en ambos experimentos.
El área de criogenia está en proceso de adecuación para
manipulación adecuada de dispositivos CCD. Se espera que a
lo largo de 2015 se tenga un montaje funcional para pruebas
de CCD en la UNAM.
Los nuevos equipos abrirán nuevas oportunidades para
estudiantes de Servicio Social y tesitass de Licenciatura,
Maestría y Doctorado.
Trabajo en detector para el monitoreo de neutrinos de
reactores nucleares realizado en su gran parte por
estudiantes de licenciatura.
26
Agradecimientos
Agradecemos el apoyo de CONACYT (proyectos de Infraestructura
y de Ciencia Básica); DGAPA-UNAM, proyectos IN112213,
IB100413-RR160413, y DGECI-UNAM Programa de Redes
Académicas Interinstitucionales.
A la Coordinación de la Investigación Científica de la UNAM.
Especial agradecimiento a la Dirección, Secretaría Administrativa y
Secretaría Técnica del ICN por su contínuo apoyo.
Al T.A. Miguel E. Patiño y al Tec. José Rangel (Taller Mecánico).
A nuestros estudiantes, que son quienes realizan todo el trabajo.
27
¡Gracias por su atención!
28
Resplados
29
Montaje Inauguración
con sistema
Monsoon (Fermilab)5 de marzo, 2015, ICN-UNAM
del nuevo espacio del Laboratorio de Detectores del ICN
Montaje del grupo de la Univ. de Chicago
30
Usan sistema Leach para leer una CCD colocada en cápsula de vacío.
Detectores de antineutrinos para Salvaguardias Nucleares
31
Antineutrinos ( ) de reactores nucleares:
● Portan información directa del combustible nuclear.
● Su flujo no puede ser alterado artificialmente.
● Detección = Monitoreo continuo (tiempo real) de la potencia térmica.
Tratado de No Proliferación (NPT):
- Evitar desvío de Material nuclear a programas de armamento.
- Implementa Salvaguardias: monitoreo de movimientos de Pu y U.
- Métodos actuales: Inventariado de material y mediciones invasivas.
● Viena, 2008: reunión entre IAEA y expertos
● La IAEA reconoce el potencial de los detectores de 's
● Recomienda interacción entre IAEA y la comunidad de I&D en 's.
● Posible requerimiento en el futuro.
31
Detectores de antineutrinos para Salvaguardias Nucleares
Proyectos internacionales en proceso: EE.UU., Francia, Brasil, Japón, Rusia
San Onofre Nuclear Generating Station
Ejemplo: SANDS @ SONGS (3GW, a 25 m del núcleo)
●
Ciclo ON-OFF, con detector centellador líquido (+Gd)
●
Grupo de LLNL y SANDIA explora otros tipos de
detectores: plásticos, Cherenkov-H2O, cristales de Ge, etc.
sale: 250 kg 239Pu --> entra: 1.5 ton 235U fresco
N.S. Bowden, “Reactor monitoring and safeguards unsing antineutrino detectors”, J.Phys.Conf.Ser. 136 (2008) 022008
32
EL SENSOR CCD
El capacitor MOS (Metal Oxido Semiconductor) es la
columna vertebral del CCD.
Cada píxel se compone de 3 capacitores MOS en donde la
carga es generada.
Una fila de píxeles se transfiere del registro vertical hacia
el horizontal. Todos los píxeles del registro horizontal se
leen antes de que la siguiente fila sea transferida.
Los canales de frenado impiden que la carga pase de una
columna a otra dentro del arreglo. Barreras de potencial
entre píxeles impiden que la carga escape de uno a otro.
La señal en cada píxel se amplifica y convierte a un
formato
digital
que
permite
su
posterior
almacenamiento/manipulación.

Desarrollo de Detectores por el Grupo de Materia Oscura y

Transcripción

Documentos relacionados

Plano San Silvestre MIni San Silvestre (1)

2` £ZSZ?fS^ C°mUnÍCaCÍOneS deSea" Utilizar - el