Uso dei PMT in astrofisica: telescopi a neutrini

Cosa c’e’ dopo il rivelatore?
come si trattano i segnali in uscita?
•
•
•
•
uscita di un PMT  breve impulso di corrente
generalmente viene trasformato in tensione
di solito necessita di amplificazione
funzione principale di un amplificatore è la
trasformazione del segnale in output da un rivelatore in
un segnale di ampiezza maggiore e pronto per essere
elaborato
segnale in uscita da un rivelatore
tipico segnale analogico
informazioni contenute nella forma dell’impulso
nell’ampiezza, nel tempo rispetto ad altri segnali
pulse height
90 %
scale temporali tipiche ns  ms
a parte il G-M i rivelatori generalmente producono
segnali molto piccoli
carica liberata da una mip ~ 10-15 C
(femtoCoulomb)
pari a circa 10000 elettroni  300 keV in gas
pulse width
10 %
tipicamente si produce un impulso di tensione
di circa 1 mVolt
necessario un preamplificatore vicino all’uscita
del detector
tendenza attuale a integrare preamplificatore,
amplificatore, convertitore … nell’elettronica di front-end
 VLSI
risetime
baseline
Catena logica di rivelazione
•
•
•
•
•
detector (PMT): converte l’energia depositata dalla particella in carica elettrica.
preamplificatore : converte il segnale di carica
(o di corrente) in un segnale di tensione introducendo poco rumore
discriminatore /comparatore
amplificatore – formatore : deve “sagomare” opportunamente il segnale per evitare
sovrapposizioni di impulsi
elaborazione: immagazzinamento del segnale analogico + successiva conversione
dell’altezza di impulso e delle informazioni temporali in un numero (conversione
analogico – digitale ADC e conversione tempo – digitale TDC)
Che cos’e’ il trigger?
• E’ una combinazione di componenti elettronici e
informatici che forniscono un segnale veloce
qualora si verifichi un evento interessante.
• Le condizioni possono essere piu’ o meno
complicate: identificazione di una particella carica
che passa attraverso alcuni contatori a
scintillazione entro un certo intervallo di tempo.
• Un efficiente sistema di trigger e’ fondamentale
per evitare che un rivelatore registri anche eventi
non interessanti come, per es. eventi di fondo.
Il PMT è un dispositivo con una risposta temporale molto rapida, per
ottimizzare la quale vengono studiate le caratteristiche geometriche
della finestra di ingresso, della disposizione dei dinodi.
Inoltre la risposta temporale migliora con il quadrato della tensione di
alimentazione
ALCUNE DEFINIZIONI
ESEMPIO DI IMPULSO DI USCITA
Transit time = intervallo di tempo tra l’arrivo di un impulso luminoso sul
catodo e il corrispondente impulso di corrente sull’anodo (≈ qualche
decina di ns).
TTS= transit time spread = rappresenta la fluttuazione del TT di ogni
impulso di fotoelettrone, quando il fotocatodo è completamente
illuminato (solitamente FWHM). (determina la risoluzione temporale del
PMT)
valori tipici del TT ~ 20-40 ns; del TTS < ns
Esempio di TTS
linearità del PMT
carica raccolta all’anodo proporzionale al numero di fotoni che hanno
raggiunto il catodo
ATTENZIONE: la proporzionalità è vera solo in media
risoluzione temporale
durata segnale < 50 ps
tempo di transito varia da un impulso
all’altro
si definisce il TTS (Transit Time Spread)
come il RMS della distribuzione dei tempi
di transito (valori tipici del TT ~ 20-40 ns;
del TTS < ns)
tempo di salita  1 -2 ns
Principio di funzionamento :
• rivelazione della radiazione Cherenkov emessa da particelle relativistiche
• ricostruzione della traccia della particella
?????????
A cosa serve il PMT in astrofisica?
Un esempio:
il telescopio di neutrini
Radiazione Cherenkov
• particella carica in un mezzo con v > c/n
con n = indice di rifrazione del mezzo
c = velocità luce nel vuoto
• emissione di fotoni nell’UV e nel visibile
• angolo di emissione qc tale che :
Detection Principle
The
neutrino
detectedisby
the
Detection
of is
cascades
also
Cherenkov
emitted
by the
possible. Inlight
a km3
detector
ντ
muon
producedwill
in the
CC
identification
be possible
Ainteraction.
very wide energy range can
be covered looking in different
directions
nm
cascade
track
Detector
W
N
m
1.2 TeV muon traversing the detector.
m
X
1 km at 300 GeV
nmlong
5-10 m
25 km at 1 PeV
diameter ~ 10 cm
Cosmic Ray spectrum

We do see cosmic Rays accelerated at to very high energy
SNR origin
1 particle per m2
per second.
GZK cut-off: end of the
cosmic ray spectrum??
Galactic origin (several
theories)
1 particle per
m2 per year.
1 particle per
km2 per year.
AGN, topdown
models?
?
Extragalactic
origin
DETECTION PRINCIPLE
p
Detector
m
light cone detected by
array of PMTs
n
Muons produce Cerenkov light
m
n
High energy n interact in the medium
m
surrounding the detector
qnm  0.7o / E0.6 (TeV)
IceCube
IceTop air shower array
80 pair of ice Cherenkov tanks
IceCube:
Presently
80 strings installed:
with 60 optical modules
17 m between optical madules
IceTop:
m between
strings
4125
+ 12
stations
1 km3. A 1-Gton detector
16+48 OM)
AMANDA:
IceCube:
677 OMs in total
119+ strings,
8 strings
ø 200m, heigth
(60+480
OMs) 500m
Drilling time
AMANDA’s string 19
AMANDA
Drilling
ICECUBE
2450 m
Neutrino Telescopes in the World
ANTARES + NEMO
+ NESTOR
→
KM3NeT
NESTOR: Rigid Structures Forming Towers
 Tower based detector
(titanium structures).
 Dry connections
(recover−connect−redeploy).
 Up- and downward looking PMs.
 3800 m deep.
 First floor (reduced size)
deployed & operated in 2003.
Plan: Tower(s) with12 floors
→ 32 m diameter
→ 30 m between floors
→ 144 PMs per tower
The NEMO Project



Extensive site exploration
(Capo Passero near
Catania,
depth 3500 m);
R&D towards km3:
architecture, mechanical
structures, readout,
electronics, cables ...;
Simulation.
Example: Flexible tower
 16 arms per tower,
20 m arm length,
arms 40 m apart;
 64 PMs per tower;
 Underwater connections;
 Up- and downward-looking PMs.
NEMO Phase I
Shore station
Geoseismic station
SN-1 (INGV)
 Test site at
2000 m depth operational.
 Funding ok.
 Completion expected by 2006.
5 km e.o. cable
21 km e.o. Cable with
single steel shield
J
J
2.5 km e.o. Cable with
double steel shield
 10 optical fibres standard ITU- T G-652
 6 electrical conductors  4 mm2
BU
J
5 km e.o. cable
The ANTARES detector
• 12 strings (900 PMTs)
• 25 floors / string
• 3 PMTs / floor
Buoy
Storey
14.5 m
350 m
It receives power from shore
station and distributes it to the
lines. Data and control signals
are also transmitted via the JB.
Junction Box
100 m
40 km to
shore
~60-75 m
Horizontal layout
J.A. Aguilar ICRC, Pune, 2005
Presently taking data from two lines in the water.
ANTARES status
• Full Line 1 and Mini-Instrumentation Line
• + Junction Box, Electro-optical cable, Shore
Station, DAQ, Slow Control, calibration systems…
LED beacon
25 storeys + 1 BSS
Buoy
OM
Line anchor
Line 1 deployment
February 2006
March 2006
(2.3) Principal Components: “Analog
Ring Sampler” front-end digitizer
The Analog Ring Sampler (ARS) chip performs the complex
front-end functions: ~$10/chip, 250mW
Constant 1GHz analog
sampling of PMT Anode,
Anode/5, Dynode 11, and
20 MHz CLOCK signals
Dynamic Range  4V (~ 60spe)
Configurable pulse-shape
discrimination to tag
complex shapes
(“Waveform”) which will
be fully digitized.
For simple pulses (SPE-like)
only Charge and Time
information is measured.
t ~400 ps
2 x 8 bit ADCs
working in ll to
digitize events upon
readout request
(trigger)
High speed
(20Mb/s)
serial port
transfers
digitized
events to the
central
DAQ LCM
processor.
Data from ~2500 m below sea level
Site properties:
summer
autumn
Bursts
Baseline
~120 kHz
~60 kHz
Seasonal variations
Example of data taking rate
Currents < 20 cm/s
~5 cm/s on average
Water current velocity
evolution with time
Baseline evolution with time
Correlation with currents
has been noticed
Heading of the three MILOM storeys
Data from ~2500 m below sea level
Spatial Calibration:
Distance from autonomous line (RxTx)
to MILOM RxTx, evolution with time.
Charge Calibration:
WF signal example.
96 m
175 m
Evolution with time of the normalized charge.
Data from ~2500 m below sea level
Time Calibration:
The rate measured
of these
coincidences is
~13 Hz (in
agreement with the
estimations).
Internal LED Dt evolution with time
40K
coincidences between OMs.
Storey
OM signal – beacon PMT time difference for each OM.
MILOM LED
beacon
First (downgoing) muons detected
Complementarity