Propostas para Fontes de Alta Tensão para Tubos Fotomultiplicadores do Detector Neutrinos Angra

1. VI WORKSHOP DE FÍSICA e ASTROFÍSICA DE NEUTRINOS 2009 V ENCONTRO DO PROJETO NEUTRINOS ANGRA Propostas para Fontes de Alta Tensão para Tubos Fotomultiplicadores do Detector Neutrinos Angra Gabriel Luis Azzi 1 Mário Vaz da Silva Filho 2 1 Laboratório Eletrônica - CAT - CBPF 2 LAFEX – CBPF

2. Tópicos Requisitos para a alimentação de PMTs Protótipos Realizados das Fontes de Alta Tensão Positiva e Negativa Resultados Obtidos, Conclusões e Perspectivas

3. Ponto de partida • Necessidade de fontes de alta tensão para alimentar tubos fotomultiplicadores – PMT comtensões positivas ou negativas, nas faixas de +1500 a +2300 volts a 3 mA e -500 a -1000 a 0,5 mA, respectivamente. • As fontes de alta tensão tem conversores CC-CC com: • Ruído e consumo baixos, • Estabilidade e rendimento altos.

4. Motivações Fontes Comerciais: - Custo mais alto - Modificações e manutenção difíceis - Informações do fabricante insuficientes - Falta de peças de reposição no mercado - Protegidas com resina epoxi Nosso protótipo: • Modular e Adaptável • Baixo custo • Manutenção fácil • Monitoramento remoto • Confiabilidade e taxa de falhas adequados

5. Requisitos da Alimentação para PMTs K é uma constante Né o n° de dinodos depende do material do dinodo, entre 0.6 e 0.8 1 G = K. V N  • O ganho do PMT é função da alta tensão aplicada no PMT: • O ganho é muito sensível à variação da • alta tensão,e da temperatura. • Para medidas de precisão com a PMT é preciso que a fonte de alta tensão apresente: - Alta estabilidade e regulação de linha e carga, - Alta estabilidade com a temperatura, - Baixo ripple. • É necessário também controle ou monitoração da temperatura. 1 Knoll G. Radiation Detection and Measurement John Wiley Sons, 1999

6. Projeto da Fonte Chaveada Diagrama de Blocos

7. Protótipo de fonte de alta tensão positiva - 1 Especificações: • Tensão de saída: 1700V a 2300V • Corrente de saída máxima: 3mA • Tensão de Alimentação: 10V a 14V • Consumo máximo de potência: 6,9 W • Tensão de ondulação (ripple) < 10mV • Regulação de linha < 0,1% • Regulação de carga < 0,2% • Estabilidade: melhor que 0,1% • Eficiência: rendimento melhor que 80%

8. Protótipo da fonte de alta tensão positiva - 2

9. Protótipo da Fonte Positiva - 3

10. Protótipo da Fonte Positiva

11. Estabilidade da Fonte Positiva: 1º Ensaio: com PMT V entrada = 12Volts Período: 96 horas Temperatura: 25 °C Estabilidade: ± 0.1% Gráfico da estabilidade na primeira hora de funcionamento 2º Ensaio: com carga p/ 2mA V entrada = 12Volts I saída= 2mA Período: 14 horas Temperatura: 21°C Monitoramento: digital - LabView Estabilidade: ± 0.1% Gráfico da estabilidade no período de 14 horas

12. Rendimento da Fonte Positiva a) Para correntes de cargadiferentes: b) Para tensões de entrada diferentes: Condições: Ventrada= 12 Volts HV= 1900 Volts Condições: I saída= 2mA HV=1900 Volts

13. Ensaios com a Fonte Positiva no teste da Hamamatsu 5912 AngraNote 003-2007 Test Setup to Measure Gains of the Angra Photomultipliers Using the Single Photoelectron Technique AngraNote 004-2007 Measurements of Signals from Muons Crossing Vertically and Horizontally the Hamamatsu R5912 PMT W. Raposo, M. Vaz - CBPF, Rio de Janeiro, Brazil L. Villasenor- UMSNH, Morelia, Mexico

14. Protótipo de fonte de alta tensão negativa - 1 • O projeto é idêntico ao do protótipo da fonte de altas tensões positivas. Difere quanto ao dobrador de tensão com filtro capacitivo que fornece tensões negativas e a realimentação para estabilização da tensão de saída.

15. Protótipo de fonte de alta tensão negativa - 2 Especificações: • Tensão de saída: -500V a -1000V • Corrente de saída máxima: 0,5mA • Tensão de Alimentação: 10V a 14V • Consumo máximo de potência: 0,5 W • Tensão de ondulação (ripple) < 10mV • Regulação de linha < 0,1% • Regulação de carga < 0,2% • Estabilidade: melhor que 0,1% • Eficiência: rendimento melhor que 80%

16. Protótipo Final de fonte de alta tensão negativa - 3

18. Trabalhos em Andamento • Implementação da lógica de controle por meio de microcontroladores PIC e/ou DSP’s. • Utilização de componentes em tecnologia SMD; • Melhoria da estabilidade e do ripple. • Optimização do lay-out e encapsulamento, aperfeiçoando a imunidade a ruídos (EMI);

19. Trabalhos em Andamento • Criação da interface com o computador para o monitoramento das leituras das tensões e correntes de entrada e saída da fonte de alta tensão

20. Trabalhos em Andamento

21. Conclusões -1 • Projetou-se e construiu-se fontes de alta tensão positivas e negativas na faixa de utilização esperada para os tubos fotomultiplicadores – PMTs do detector Neutrino Angra. • As fontes foram usadas no CBPF em testes de PMTs ( dois anos com a Hamamatsu R5912 e um ano com a H7546A) que duravam vários dias, sem nenhuma falha, mantendo-se a estabilidade melhor que 0,1%. • Custo das partes é inferior a 200 reais. • Determinou-se as características principais das fontes, que apresentaram baixo ruído, alta estabilidade e regulação, baixo consumo, e um rendimento de cerca de 84%, para carga nominal, adequados a PMTs. • Estánahora de interagirmos com o grupoda Bahia paraconcluir o monitoramento e controleremotos.

22. Fonte de Alta Tensão Negativa na Bandeja

23. Questões • Poderemos usar um sistema de no-break com banco de baterias seladas alimentadas por um carregador / retificador de 220 Vac ? • Teremos um canal de tensão alimentando uma ou mais PMT? ( agrupar PMT por ganho, uso de splitters com ajuste de tensão individual) • Usaremos o cabo de alta tensão para conduzir sinal ? ( redução do número de cabos com o uso de splitters ) • Quais as PMT ? Esperamos especificações de tensões máxima e mínima, consumo, ruído/estabilidade da tensão, limitações para correntes e tensões, tudo isto para poder completar o projeto das fontes de alta tensão do detector Neutrinos Angra.