Desarrollo y Caracterización de Fotomultiplicadores de Silicio para NEXT

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). • TetraphenylButadiene (TPB). • Resultados y Discusión. • Aplicaciones en Física Médica.

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

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

5. Desintegración Doble Beta Según el Modelo Estándar. Observada en varios núcleos como 76Ge, 48Ca, 100Mo, 82Se o 150Nd, con vidas medias de 1019-1020 años. Debate Abierto 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. NEMO y SuperNEMO (82Se) CUORE (128Te) Gerda (76Ge) SNO (150Nd) EXO (136Xe)

7. NEXT (NeutrinolessExperimentwithXenon TPC) • Es un experimento para medir la desintegración doble beta sin neutrinos en el xenonusando una Cámara de Proyección Temporal (TPC) con 100kg de Xe enriquecido con su isótopo 136Xe (Qββ=2.48MeVτββ=1022-25 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 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 (t0). 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.

9. Prototipo NEXT-1. Actualmente en construcción Espectro desintegración doble beta. Resolución mejor que 1%. Topología de la traza correspondiente a la doble desintegración beta. Con Neutrinos SIN Neutrinos

10. Fotomultiplicadores de Silicio (Si-PMs) Principio de funcionamiento. Unión p-n Voltaje Inverso Aplicado Región Proporcionalidad Ganancia 50-50000 Modo Geiger Ganancia ≈ 106

11. Si-PMs en NEXT Matrices de pequeños APDs funcionando en modo Geiger. Multi-PixelPhotonCounter (MPPC) serie S10362 HamamatsuPhotonics. 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. Agrupación de Si-PMs en NEXT-1 ¿Mínima dispersión en Ganancia? Dependencia directa entre Ganancia y Voltaje de Operación.

13. TetraphenylButadiene (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. Según estudios anteriores Dependencia directa entre la eficiencia de conversión y la densidad de TPB del depósito. Máxima eficiencia de conversión a 0,05 mg/cm2 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&MUniversity) • Evaporando a: • 8 cm de la superficie. • 212 ºC • 2.10-5mbar.

16. Se realizó un depósito de 1 mg/cm2 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 4 evaporadores independientes. Detectores de oro para medir el espesor de la deposición. Evaporación + Rotación.

18. Deposiciones realizadas en ICMOL TiO2: endurecimiento, bloqueador UV SnO2: hidrofóbica 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 Circuito Amplificador MPPCs de HamamatsuPhotonics S10362-11-025C S10362-11-050C Si-PM LED 400 nm • Fuente de Tensión KEITHLEY 6487 • Generador de Pulsos AGILENT 33250A Señal de Trigger 2º pico p.e. Pulso 1º pico p.e. Histograma 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. Ganancia del MPPC e = carga del electrón = 1,602.10-19 C Rosciloscopio= 50 Ω

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

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

24. Disminución de Ganancia con la Temperatura G = 3.5 . 105 Correcciones online del Voltaje de alimentación de Si-PMs

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

26. Si-PMs sin TPB Si-PMs con 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/cm2

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 Cristal con TPB Cristales con una componente de TiO2 Bloqueador UV profundo Soporte Teflón

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

31. Autoabsorción del depósito de TPB ¿qué cantidad de esta luz no es capaz de atravesar el depósito? Reemisión del TPB a 440 nm. 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/cm2 Efecto no significativo pero si debe ser tenido en cuenta.

33. Homogeneidad de los depósitos. Diferencias en la eficiencia de conversión Desuniformidad de grosor de TPB Respuesta diferente de los Si-PMs. Estudio de la respuesta de un Si-PMs en diferentes posiciones del cristal. Desviacion estándar de la serie de medidas HOMOGENEIDAD Repetido con varios Si-PMs para eliminar errores sistematicos.

34. Reducción de la Homogeneidad para bajos espesores. 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. Plano de reconstrucción de trazas PCBs hijas PCB madre

36. Aplicaciones en Física Médica Actualmente desarrollo de Si-PMs para su implementación en PET (PositronEmissionTomography) 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. • Alta eficiencia de fotodetección. PDE > 65% a 400 nm. • Excelente resolución temporal. (100 ps) A A a

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