Caracterizacion de un detectorCherenkov en agua para el estudio de

rayos cosmicos

Maximo Coppola, Francisco Bezzecchi

Universidad de Buenos Aires

Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Departamento de Fsica

Laboratorio 6 y 7

10 de Julio de 2015

Directores: Dr. Sergio Dasso1, Dra. Adriana Mara Gulisano2

Autores: Maximo Coppola3, Francisco Bezzecchi4

Lugar de Trabajo: Instituto de Astronoma y Fsica del Espacio5 (IAFE)

1. email sdasso@iafe.uba.ar / dasso@df.uba.ar

2. email agulisano@iafe.uba.ar

3. email maxx.coppola@gmail.com

4. email franbcki@gmail.com

5. IAFE , Ciudad Universitaria, CABA, Argentina

Dr. S. Dasso Dra. A. M. Gulisano

M. Coppola F. Bezzecchi

Resumen

En este trabajo se caracteriza un detector de radiacion Cherenkov en agua. El detector consistebasicamente en un recipiente con unos 725 litros de agua filtrada de Cloro y un fotomultiplicadorpara observar los fotones Cherenkov que se emiten cuando una partcula relativista con cargaelectrica pasa a traves del agua. La adquisicion de la senal generada se realiza con un osciloscopiocontrolado remotamente mediante un software. Se disena y construye un sistema para llenar conagua el recipiente. Se caracteriza la senal producida cuando no ingresan fotones al detector (cuen-tas oscuras) y se comparan las mediciones del recipiente vaco respecto del recipiente con agua.Se compara el flujo de rayos cosmicos con la presion atmosferica, encontrando la anti-correlacionesperada. Luego se calcula mediante ajustes un parametro de correccion lineal. Se obtienen re-sultados que indican la existencia de una modulacion diaria de los rayos cosmicos, similares a losobtenidos en el observatorio Pierre Auger. Se realiza un estudio de la evolucion temporal de lasmediciones observando efectos atribuibles al cloro, dada su capacidad para absorber fotones conlongitudes de onda en el rango ultravioleta. Se grafican los histogramas de pico y carga (area),y se obtiene el pico esperado debido a la incidencia de muones verticales. Por ultimo se calibraun nuevo instrumento de medicion generando los primeros histogramas del numero de partculasobservados en funcion de la energa depositada.

1 Introduccion

Los rayos cosmicos son de interes para la co-munidad cientfica por varios motivos. Nos ofre-cen la oportunidad de estudiar fsica de altasenergas en contextos distintos a los encontra-dos en aceleradores de partculas, desde esta-ciones terrestres o globos atmosfericos. Ademasconstituyen informacion valiosa en el analisis declima espacial, influyendo en varios aspectos dela meteorologa espacial y teniendo efectos ad-versos sobre nuevas tecnologas. Nuestro proyec-to forma parte de la colaboracion internacionalLAGO [1] (por sus siglas en ingles Latin Ameri-can Giant Observatory) compuesta por diversasestaciones terrestres similares a la nuestra, dis-tribuidas a lo largo de nueve pases de latinoamerica de norte a sur con el fin de:

Estudiar el Universo Extremo, destellosgamma y las rodillas o quiebres del es-pectro de rayos cosmicos.

Estudiar fenomenos transitorios y de largoplazo de clima espacial a traves de la mo-dulacion solar de los rayos.

Realizar mediciones de radiacion de fondoa nivel del suelo.

Debido a las velocidades relativistas muchasde las partculas de la cascada secundaria gene-rada por un rayo cosmico pueden ser detectadasa nivel del suelo por detectores apropiados. LosDetectores de Neutrones, muy utilizados desdelos anos 60, solo miden neutros y no discrimi-nan en energa, a diferencia de los detectores deultima generacion por efecto Cherenkov en aguaque miden partculas cargadas y pueden discri-minar en energa. Ademas, poseen la ventaja deser simples, faciles de mantener, requieren pocaelectronica, tienen alta sensibilidad a lluvias alargos angulos cenitales [2] y son de bajo costo.

Estos detectores son sensibles tanto a partcu-las secundarias de la lluvia atmosferica extendi-da al nivel del suelo (esencialmente dominadapor y e) como a fotones de altas energas,ya que estos producen pares e+e en el volumende agua del detector. Mientras el detector actuacomo calormetro para radiacion gamma y e+e,la energa depositada por muones energeticos(con energas E>350MeV ) es diferente en pro-medio y casi proporcional a la trayectoria de losmismos a lo largo del detector, ya que el volu-men dado de agua no es suficientemente grandepara frenarlos [3]. En un histograma de energa(proporcional al area de las senales generadaspor las partculas) se puede observar un pico

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asociado a la incidencia de muones verticales [4].Esto se debe a que aunque el histograma es en-tendido como la convolucion de las distribucio-nes de tres clases de direcciones de incidencia((a) ingreso y salida vertical, (b) ingreso verti-cal y salida lateral y (c) ingreso y salida late-ral) [5], la mas importante es la vertical pues ladireccion de incidencia en la atmosfera es prin-cipalmente vertical [6]. Esta cresta es utilizadapara calibraciones de energa en el ObservatorioPierre Auger (PAO por su siglas en ingles) [5],ya que permite estimar la energa de la partcu-la primaria originaria de la lluvia en la cima dela atmosfera [7].

Por otro lado, la adquisicion en el tiempo dela frecuencia o tasa de los pulsos a bajo umbral(o scaler en ingles) permite estudiar eventostransitorios como Gamma Ray Bursts (GRBs)y destellos solares, ya que se espera verlos comoun cambio significativo del valor esperado parael conteo de la tasa [3].

Un detector de este tipo se encuentra en elIAFE. El objetivo general de este laboratorioconsiste en caracterizar el detector y desarrollarel software adecuado para controlarlo de maneraque adquiera datos en forma remota. Con altaestadstica (mas de un millon de datos) se reali-zan histogramas de amplitud (voltaje mnimo) ygraficos de frecuencia en modo scaler. Tambiense construye un sistema de llenado del tanque,cuya agua debe filtrarse de cloro.

Una manipulacion remota y la construccionde un sistema de llenado y desagote del sistemason pasos necesarios para el objetivo final delproyecto. El mismo consiste en el envo de ver-siones mejoradas del detector (la nuestra es unprototipo) a la Base Marambio en la AntartidaArgentina para deteccion de pulsos Cherenkoven regiones cercanas al polo sur con el fin de es-tudiar rayos cosmicos a diferentes latitudes enconjunto con la colaboracion LAGO.

2 Teora

2.A. Rayos Cosmicos

Los rayos cosmicos son un tipo de radiacionde alta energa que impacta en la atmosfera te-

Figura 1: Lluvia de partculas secundarias generada apartir de la interaccion de un rayo cosmico primarioenergetico con la atmosfera.

rrestre. Se constituye principalmente de proto-nes, partculas alfa y nucleos mas pesados. Es-tas partculas fueron aceleradas hasta alcanzarenergas del orden de 1091020 eV. Aunque losfenomenos mediante los cuales estas partculasadquieren semejantes energas todava es fuen-te de discusion, existen varios modelos que pre-tenden aproximar una solucion (aceleracion desegundo orden de Fermi). Ha sido posible dis-tinguir distintos orgenes para los rayos segunsu energa. Se cree que los rayos de alta energa,es decir, mayores a los 1017 eV, son producidosen los nucleos de galaxias activas o de quasares.Se considera que los de energas intermedias,1091012 eV, provienen de actividad en nuestragalaxia, como supernovas y micro quasares. Fi-nalmente, los de energas menores a los 109 eVson creados en nuestro sol.

Al incidir en la atmosfera terrestre e interac-tuar con los nucleos que la conforman, los rayoscosmicos (que llamaremos primarios) se descom-ponen en una lluvia de partculas (que llamare-mos secundarias) segun se ilustra en la Figura 1.Si el primario es lo suficientemente energetico,las partculas resultantes pueden descomponer-se en otras al interactuar con el medio. Estogenera un efecto cascada que puede ramificarseen un area de varios miles de kilometros cuadra-dos (el Observatorio Pierre Auger esta disenado

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para detectar la cascada completa y para elloocupa un area de 3000 km2)

Es generalmente aceptado que el grueso delos rayos cosmicos primarios son partculas car-gadas (ayudara a soportar varios modelos deaceleracion por interaccion magnetica con nu-bes de polvo). Por lo tanto, sus trayectorias vana estar condicionadas por los campos magneti-cos que atraviesan. Estos son el campo magneti-co intergalactico, el galactico, la heliosfera y lageosfera. Estos dos ultimos son de especial im-portancia ya que sus campos magneticos no sonconstantes, aunque se conoce la forma de su va-riacion. Como consecuencia de su dnamo in-terno de plasma, el Sol posee ciclos de activi-dad de aproximadamente once anos, cuando sucampo magnetico dipolar invierte su polaridad.Estos picos de actividad acarrean un aumentoen las eyecciones de plasma al medio interplane-tario, que funciona como un medio dispersor departculas cargadas. Por lo tanto, es posible de-tectar modulaciones en el flujo de rayos cosmi-cos primarios. En el caso terrestre, la intensidady direccion del campo magnetico es dependientede la latitud geografica. En la deteccion de cas-cadas secundarias, la altitud es relevante, ya queas como los rayos primarios son perturbadospor variaciones en el clima espacial, los secunda-rios lo son por variaciones en el clima terrestre.El principal agente modulador en el clima es lapresion atmosferica. Una mayor presion implicauna mayor densidad del medio, lo que conlle-va a una mayor probabilidad de colision y porlo tanto las partculas en la cascada secundariapodran difundir toda su energa en la atmosfe-ra, imposibilitando su deteccion. Es decir, existeuna anti-correlacion entre la presion atmosferi-ca y la frecuencia con que las partculas lleganal nivel del suelo.

2.B. Radiacion Cherenkov

Los detectores del proyecto LAGO funcio-nan en base al efecto Cherenkov. Cuando unapartcula cargada atraviesa un medio dielectri-co ocurren perdidas de energa por colisiones ypor interaccion coulombiana. Si la partcula esmucho mas masiva que un electron, las perdidaspor colisionar con electrones son practicamente

Figura 2: Frentes de onda esfericos de una partcula via-jando a menor y mayor velocidad que la velocidad dela luz en el medio. Para vp>c/n aparece un frente dechoque conico electromagnetico; es la radiacion Che-renkov. Imagen tomada de [8].

nulas. Toda la energa se transmitira entoncespor interaccion coulombiana con el medio. Es-tos efectos de perdida de energa son completa-mente absorbidos por el medio, salvo que nosencontremos en las condiciones de la radiacionCherenkov. Es posible que la partcula viaje masrapido que la luz en ese medio. Si esta condi-cion se cumple, es decir vp > c/n (donde vp esla velocidad de la partcula, c la velocidad de laluz en el vaco, n el ndice de refraccion en esemedio y = 1), ocurrira el efecto Cherenkov.La partcula entonces viaja mas rapido que supropio campo electrico, de manera tal que lasmoleculas del dielectrico no podran apantallarlade manera uniforme. Las perdidas de energa enla partcula no seran completamente absorbidaspor el medio y el remanente sera emitido en for-ma de radiacion. Su espectro esta completamen-te determinado por la permitividad electrica yla velocidad de la partcula; las frecuencias emi-tidas estan ligeramente debajo de la frecuenciade dispersion anomala del material dielectrico.Para el caso del agua este rango de frecuenciasesta centrado en el ultravioleta [8].

Como puede observarse en la Figura 2, estefenomeno puede ser visualizado como una ondade choque en sonido. Si el campo electrico dela partcula se propaga en ondas esfericas, y lapartcula se mueve mas rapido que la propaga-cion, entonces existe un frente de choque conicodonde coinciden todos los frentes esfericos indi-

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Figura 3: Tanque de agua para medicion de radiacionCherenkov. Se indica su radio y altura. En la parte su-perior se encuentra el PMT hemisferico y una tapa paraalbergar la placa base lejos de la humedad.

viduales generados durante la trayectoria. Estecono es la radiacion Cherenkov y es similar a undestello, ya que solo puede ser observado cuandoel frente de choque atraviesa al observador.

La ecuacion que gobierna la energa disipadapor la partcula que emite radiacion Cherenkovse conoce como la formula de Frank-Tamm:

dE

dxd=q2

4pi()

(1 c

2

v2n()2

)(1)

donde q es la carga, () y n() son la permea-bilidad y el ndice de refraccion.

Durante el presente trabajo se desarrollaranlos siguientes temas: en la seccion 3 se descri-bira nuestro detector; en la seccion 4 se deta-llara el funcionamiento del software de adquisi-cion); en la seccion 5 se resumen los resultadospara cada laboratorio; en 5.A se explica el llena-do del tanque; en 5.B se describen caractersti-cas del sistema de medicion; en 5.C se mues-tran los primeros resultados en agua; en 5.D segrafica el scaler de cuatro meses, describiendosu comportamiento inicial mediante un mode-lo propuesto; en 5.E se analiza la presencia dela modulacion diaria en el scaler; en 5.F se co-rrige el scaler por su correlacion con la presionatmosferica; en 5.G se grafican los histogramasde pico y carga (area), observandose el pico delmuon vertical esperado; en 5.H se describe la

Figura 4: Esquema experimental. El tanque posee unabolsa difusora de Tyvek. La radiacion Cherenkov emi-tida se detecta mediante un PMT adherido en la partesuperior. La placa base en la tapa es alimentada me-diante una fuente externa y su salida se conecta a unosciloscopio que se comunica con una PC mediante unpuerto USB.

calibracion y los primeros scalers e histogramasgenerados con la nueva placa de adquisicion LA-GO; finalmente, en la seccion 6 se discuten lasconclusiones del trabajo.

3 Detector de partculas de efec-to Cherenkov en agua

El cuerpo del detector consiste en un tanquecilndrico de acero inoxidable no magnetizado,de radio R ' 48cm y altura h ' 120cm. Co-mo se ilustra en la Figura 3, en la parte su-perior del tanque se encuentra adherido un tu-bo fotomultiplicador (PMT) Photonis XP1805hemisferico, de 228mm de diametro y 256mmde largo total. El PMT magnifica en un fac-tor de 106 los fotoelectrones desprendidos porla radiacion entregando una senal electrica quepuede ser leda facilmente por el osciloscopio.El recipiente sera llenado con aprox. 725 litrosde agua, correspondientes a una altura efectiva(zeff '100cm) necesaria para cubrir el 50 % dela superficie del PMT. Dado que el cloro absor-be fotones en el rango ultravioleta, siendo este elrango central de la emision Cherenkov y ademasel rango de mayor eficiencia del PMT, se filtrael agua de cloro mediante un purificador PSASenior comercial.

El esquema experimental se encuentra en laFigura 4. Para alimentar el PMT, se coloca por

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seguridad una fuente de alimentacion externa altanque que provee entre 0mV y 2400mV . Estevoltaje se transforma en la alta tension necesa-ria para alimentar el PMT mediante una placabase albergada en una tapa encima del tanque;este sistema mecanico disenado en el IAFE bus-ca garantizar la proteccion de la placa base dela humedad del agua. Es por ello que el enca-misado metalico, que evita filtraciones de luz,sostiene la placa fuera del tanque. Para proveerproteccion extra, se aplicaron dos capas de lacaantihumedad a la placa y se colocaron bolsas deSilica Gel dentro del encamisado. Para asegu-rarse que los fotones arriben al PMT, una bolsade Tyvek se encuentra instalada contra las pa-redes interiores y suelo del tanque. El materialTyvek funciona como un difusor, evitando quela luz sea absorbida o reflejada por las paredes.De esta manera, los fotones viven durante mastiempo en el tanque, prolongando la exposiciondel PMT al destello. El PMT posee dos salidas,una corresponde al anodo y otra al ultimo dno-do. Estas salidas se conectan a los canales de unosciloscopio Rigol DS1102E. Finalmente, el osci-loscopio se conecta por USB a una computadoraque mediante un software apropiado lo controlaremotamente. Es importante que el acero inoxi-dable del tanque sea no magnetizable ya quelas partculas que producen radiacion Cheren-kov son cargadas (el campo desviara sus tra-yectorias). El pegado de cinta metalizada en di-ferentes junturas del tanque previene el filtradode luz exterior.

4 Codigo de Adquisicion

Como se menciono en la seccion anterior, elosciloscopio se controla de manera remota des-de la computadora a traves de un puerto USB.Durante el laboratorio 6 se trabajo en el softwa-re que sirve de interfaz para esta conexion. Elsoftware es un guion (o script) de Python 2.7que toma como entrada (o input) un archivode texto con varios valores para la configuracionde escalas de tiempo, voltaje y detalles del dis-paro (flanco, umbral, etc.) del osciloscopio. Unavez cargado el script en el entorno de Python esposible controlar mediante la ejecucion de fun-ciones en la lnea de comandos los modos de

Figura 5: Algunos de los valores que pueden ser medidospor el osciloscopio.

adquisicion del osciloscopio. En particular, dis-tinguiremos tres modalidades diferentes de ad-quisicion de datos: el modo tasa, el modo cargay el modo promedio.

Tasa: El modo tasa (tambien conocido comorate o scaler) es el que nos brinda la infor-macion sobre el flujo de rayos cosmicos. Cuandoel osciloscopio se encuentra en esta modalidades incapaz de medir valores de los pulsos que lle-gan. En cambio, lleva un contador interno quecuenta cuantas veces se atraveso el umbral dedisparo en un segundo. Este es el valor que nosinteresa obtener ya que cuantifica el ratio depulsos por segundo y por lo tanto nos da unamedida de la amplitud del flujo de rayos cosmi-cos. Ademas se guarda la informacion del mo-mento en que es tomado este valor en formatode tiempo unix (ver apendice A). Se hallo queel error del contador es de 2Hz, siendo ademasincapaz de registrar frecuencias menores a 5Hz.

Carga: En este modo el osciloscopio puedeobtener informacion de los pulsos que atravie-san el umbral. Si bien es posible obtener las cur-vas de tension de un pulso, es una accion que ledemanda mucho tiempo de procesado al osci-loscopio y durante este intervalo es imposibleseguir adquiriendo. Por lo tanto, se opto por unmetodo mucho mas veloz que consiste en tomarcuatro parametros del pulso fundamentales paraestimar su area. Se toman entonces los valoresdel voltaje mnimo y de tope (Vmin y Vtop en laFigura 5) para poder luego computar la ampli-tud y los tiempos tcaida y tsubida (son los tiemposque tarda la senal en ir desde el 10 % al 90 %de su amplitud y viceversa, ver Figura 5) queserviran para aproximar el area del pulso (verseccion 5.G). Este modo tiene una importan-te limitacion: la velocidad de transferencia dedatos entre el osciloscopio y la computadora li-mita el tiempo de adquisicion entre pulsos. Esta

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diferencia alcanza un lmite inferior de aproxi-madamente 0,6s luego de varias optimizacionesen los tiempos de espera del codigo de adqui-sicion. El intervalo real entre dos pulsos es, sinembargo, de 0,006s (f 170Hz). Esto significaque para generar un histograma con un nume-ro de unas 105 cuentas, sera necesario dejar estemodo corriendo casi 16 horas seguidas. Como enel modo anterior, tambien se guarda el instantede cada pulso medido.

Promedio: Este modo es similar al anteriorcon una diferencia.. El osciloscopio tiene en me-moria las curvas de tension de 256 pulsos ymuestra el promedio de estas. Con cada nuevasenal que supere el umbral del disparo el instru-mento reemplaza la curva mas antigua y realizaun nuevo promedio. Esto produce una senal massuave y que da una idea general del tamano delos pulsos que son detectados, resultando muyutil para poder observar y cuantificar cambiosque en primera instancia no son evidentes da-da la naturaleza fluctuante de la senal. Para unaadecuada utilizacion del modo fue necesario pro-gramar una espera de al menos un minuto paraque el osciloscopio posea suficiente tiempo paracargar los 256 pulsos. Luego, adquiere los valo-res que se utilizan en el modo carga.

Una combinacion de estos tres modos se iteraen el programa de adquisicion, guardandose losdatos en tres archivos separados, uno para cadamodo. En paralelo a esta iteracion, el programatambien obtiene de Internet valores de presiony temperatura de la zona que son guardadosen otro archivo de texto. En primera instancia,estos datos atmosfericos fueron obtenidos de laestacion meteorologica del DCAO [9] cada 30minutos. Sin embargo la estacion dejo de actua-lizarse a partir de Mayo, por lo que se cambio ala estacion del SMN en Villa Ortuzar [10], ciu-dad de Buenos Aires, obteniendo datos cada 10minutos.

Por seguridad, se realiza un back-up onlinecon Dropbox que se actualiza cada una hora yse agrega un estabilizador Back UPS Pro 900en caso de que se produzcan cortes de luz. Porultimo se define por archivo de texto un maximode 10.000 pulsos, de forma que al interrumpirse

una medicion sea esta la maxima cantidad dedatos que se pueden perder.

5 Resultados

En Laboratorio 6 se caracteriza el equipo detrabajo dividiendo el proyecto en dos etapas:primero se caracteriza la respuesta de la corrien-te oscura del PMT realizando mediciones con eltanque vaco (no se produce radiacion Cheren-kov apreciable ya que el naire ' 1). Luego, enSeptiembre, se llena el tanque con agua filtradade cloro llegando a cubrir el 50 % de la superficiedel PMT y se realizan las mediciones correspon-dientes. El trabajo realizado en la primer etapapermite comparar las diferencias introducidaspor la aparicion de radiacion Cherenkov.

El tanque se vaca y se rellena en Diciembrepara renovar el agua y probar el sistema de va-ciado. Luego, mediante el software desarrolladose adquirieron automaticamente mediciones deforma continua durante varios meses.

En Laboratorio 7 se analizan los datos de me-ses de medicion, generando scalers, histogramasde pico y carga (area) y estudiando la modula-cion diaria. Se agregan pastillas de cloro al tan-que para estudiar cualitativamente su influenciaen la evolucion de los pulsos. Por ultimo se ca-libra la nueva placa de adquisicion, generandolos primeros graficos de scalers e histogramas.

5.A. Llenado del tanque

Como se explico en la seccion 3, el cloro afec-ta el desempeno en el rango ultravioleta de laemision Cherenkov, siendo este su rango centraly el rango de mayor eficiencia del detector. Porello, primero se filtra el agua de cloro median-te un purificador PSA Senior comercial. Paracorroborar el filtrado, mediante un controladorpara piscinas Laboratorio Vulcano se realiza unanalisis qumico del contenido de cloro y su nivelde pH. Luego de aplicar un reactivo especfico,se obtiene la concentracion de cloro comparandosu color con una regla cromatica. Se corroboraque el filtrado es efectivo, siendo la concentra-cion de aprox. 0,5 partes por millon a la salidade la canilla y menor que ese valor a la salidadel purificador; el controlador solo permite im-

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Figura 6: Izquierda: Manguera proveniente de la llave depaso que llena el tanque con agua desde su suelo.Derecha: El purificador, a mayor altura que el tanque,se conecta a la llave de paso y pierde agua al saturar.Por control se remueve del tanque la tapa y el PMT.

poner una cota superior para la concentracionde cloro en el agua del recipiente de 0,5 partespor millon. Una manguera conecta el purifica-dor con una llave de paso que se encuentra enla tapa del tanque. Sin embargo, se evita llenar-lo desde all ya que la cascada de agua podradanar el Tyvek. Se utiliza entonces una man-guera que, desde la llave de paso, atraviesa unagujero hecho en el Tyvek y desciende dentro deltanque, llenandolo desde su base como se obser-va en la Figura 6 izquierda. El primer llenadoen Septiembre tuvo dos inconvenientes: por unlado es lento ya que el flujo del purificador es ba-jo (esta ideado para uso domestico). Por otro, amedida que el nivel de agua crece, la presion enel suelo del tanque aumenta. Existe una alturacrtica para la cual la presion de la columna deagua vence la presion que ejerce el flujo del pu-rificador y el mismo se satura y pierde agua porsus uniones. Para solucionarlo, primero se subeel purificador desde el suelo hasta una altura su-perior al tanque como se observa en la Figura 6derecha, para que sea el flujo de la canilla y noel del purificador (que es mas bajo) quien debavencer la energa potencial gravitatoria. Luegose quita la manguera; el nivel de agua ya es losuficientemente alto como para que la cascadade agua no perturbe el Tyvek. En la Figura 6,tanto la tapa que alberga la placa base como elPMT fueron removidos para observar y contro-lar el nivel de agua.

Dado que utilizando el filtro el flujo es muybajo, la cada del agua no afecta al recubri-

Figura 7: Pulsos tpicos medidos por el osciloscopio. Elumbral de disparo es negativo. CH1: Anodo. CH2: Ulti-mo dnodo. Izquierda: en aire. Derecha: en agua.

miento de Tyvek, por lo que en Diciembre elre-llenado se realiza en forma completa sin lamanguera. Al vaciarlo se corrobora el correc-to funcionamiento de la valvula de salida. Otraopcion a considerar en el llenado es agujerearla manguera con pequenos cortes para que alvencerse la presion crtica el agua que se pier-da por all llene el tanque. Al abrir el tanque seobserva que aunque el agua ha estado all porcasi dos meses, no es notoria la presencia de al-gas o verdn, que pueden deteriorar la emision ytransmision de radiacion Cherenkov. Sin embar-go, como se lo dejara midiendo por varios mesesse opta por agregar al agua una pequena do-sis ( 100cm3) de NaClO (hipoclorito de sodioutilizado comunmente en piscinas) con el fin demantener el agua purificada y libre de bacterias.Para mayor proteccion, se le aplican dos capasde laca antihumedad a la placa electronica y secolocan bolsas de Silica Gel dentro del encami-sado. Por ultimo, se coloca cinta metalizada endiferentes zonas del tanque para prevenir el fil-trado de luz exterior y se lo cubre con una telade blackout.

5.B. Caractersticas de los pulsos

Un pulso tpico para cada medio se ilustra enla Figura 7: la forma del pulso es conocida co-mo FRED (por sus siglas Fast Rise ExponentialDecay, que significan subida rapida con decai-miento exponencial). Mientras que su amplitudderiva de la energa de la partcula, su anchodepende de la geometra del tanque y de cuan-to tiempo demoro en arribar al PMT. Notamosque en aire (y para valores altos de alimentaciondel PMT en agua) existe un rebote en el pulso.Utilizando cables mas largos se observo que elrebote se desplazaba; esto podra atribuirse a

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Figura 8: Histogramas de Vmin de cuentas oscuras paraN=1500. Izquierda: Vc=1300mV y Tr=20mV .Derecha: Vc=1500mV y Tr=50mV .

un rebote electronico producto de la diferenciade impedancias entre el cable, el osciloscopio yel PMT. Sin embargo, arreglar este problemarequiere un analisis electronico detallado. Dadoque el objetivo es caracterizar el detector, con-sideramos que la resolucion del rebote no formaparte del objetivo, aunque es importante recor-darlo. Mientras se mantengan los mismos cablescon la misma longitud, esto generara el mismoartefacto en todas las mediciones.

Antes de comenzar las mediciones se observaque existe un problema intrnseco al sistema demedicion; debe definirse un voltaje de alimenta-cion o control (Vc) y un umbral de disparo (Trig-ger, Tr). El voltaje de control regula la inten-sidad del campo electrico generado dentro delPMT. Valores mayores de este campo aumen-tan progresivamente la ganancia de la senal. Elproblema radica en que ambos parametros estanrelacionados: al reducir el voltaje disminuye laganancia de los pulsos y su amplitud final, porlo que debe reducirse el nivel de disparo paraobservar el mismo pulso. Para encontrar el ran-go dinamico de funcionamiento del sistema, serealizan barridos en ambos parametros.

Para comenzar se observa que Vc debe ser ma-yor a 800mV ya que para ese valor la gananciaes muy baja y solo se mide un pulso en unahora (para un disparo apenas superior al nivelde ruido). Dado que en aire la radiacion es casinula (naire'1) la aparicion de pulsos sera aza-rosa (cuentas oscuras), por lo que se espera queel histograma siga una distribucion de Poissontruncada (debido al disparo). Se corroboro queal cambiar el nivel de disparo y/o alimentacion,la forma del histograma es la misma. A modo deejemplo, se ilustran en la Figura 8 dos histogra-

Figura 9: Izquierda: Modo persistencia del osciloscopiopara Vc = 1500mV y Tr = 220mV . El anodo satura en1900mV . Derecha: Histograma de Vmin de cuentas os-curas para Vc=1700mV , Tr=200mV y N=4000.

mas correspondientes a dos tensiones y disparosdiferentes para un mismo numero de cuentas N.Para mayor claridad se invierte en el resto deltrabajo el signo de los voltajes y del umbral dedisparo (o trigger) y se agrupan en la ultimabarra del histograma los pulsos fuera de escala,a los que el osciloscopio asigna el valor 991036.

Solo para voltajes altos (y/o disparos altos) seobserva un comportamiento diferente: el anodoparece saturar su Vmin alrededor de los 1900mV ,como se observa en la Figura 9. Tambien se ilus-tra el histograma (solo utilizando Vmin, ya queVtop 0) para Vc = 1700mV y Tr = 200mV ;las pocas cuentas en ciertas posiciones se debena la falta de suficiente estadstica (N es bajo).En el histograma se observa un incremento depulsos alrededor del voltaje de saturacion en vezdel decaimiento esperado en una distribucion dePoisson. Esto podra atribuirse a la electronicade la placa base que protegera al PMT de la sa-turacion, evitando que la salida del anodo recibamas voltaje que cierto valor crtico reteniendoesa diferencia de energa y luego emitiendola enel tiempo, ensanchando el pulso y alargando eltiempo de relajacion del anodo. Ya que este efec-to no se observa en el ultimo dnodo (CH2), cuyovalor aumenta sin saturar incluso por encima deeste valor crtico, este puede utilizarse para rea-lizar mediciones en estos rangos de voltaje alto.Sin embargo es recomendable no intentarlo has-ta entender por completo la electronica internadel PMT.

Para voltajes menores a los 1400mV , la ga-nancia es tal que la frecuencia de pulsos quesaturan es muy baja, menos de uno por minuto.Por lo tanto, esta limitacion en el PMT restrin-

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Figura 10: Histogramas de Vmin en agua para cuatrovoltajes de control, Vc=900mV 1000mV 1100mV 1200mV para Tr = 10mV y N=2000. Se indica en elgrafico el valor de la mediana.

ge el rango dinamico del sistema para valores dealimentacion tales que 900mV

pio (de 10mV en aire a 5mV en agua). ParaVc = 1200mV la diferencia se vuelve notable,siendo V aguamed1200 = 48, 8mV >V

airemed1200

= 23, 2mV .Se corrobora entonces que existen diferenciasentre las mediciones hechas en agua y en ai-re para Vc > 1100mV ya que mientras en aireel valor de Vmed se mantiene aproximadamenteconstante a medida que aumenta Vc, en aguaVmed aumenta producto de la radiacion Cheren-kov emitida por las partculas.

5.D. Scaler: Tasa en el tiempo

Uno de los objetivos del detector es generarel scaler de tasa en funcion del tiempo, ya quecambios significativos en la tasa se correspondencon transiciones de eventos de origen espacial,segun lo explicado en la seccion 1. Para observarestos fenomenos, la frecuencia se adquiere con-figurando el osciloscopio en Modo tasa descritoen la seccion 4. La cantidad de datos medidafue variando a lo largo del laboratorio pero esaproximadamente de 200 valores por hora.

En el laboratorio 6, al realizar las primerasmediciones en este modo para varios das se re-gistran incrementos de la tasa en formas cua-dradas o de picos diarios para diferentes hora-rios. Mediante pruebas sistematicas se descar-tan orgenes electromagneticos o de lnea, sugi-riendo que el problema es optico. Se concluyeque este es el caso al abrir una de las venta-nas del laboratorio: la tasa aumenta a 800Hz.Esto explica los incrementos; los cuadrados sedeban al encendido y apagado de las luces dellaboratorio mientras que el pico diario provenade una claraboya ubicada en la parte superiordel laboratorio, que iluminaba al detector desdelas 15hs hasta llegar a su maximo a las 18hs.Identificadas estas filtraciones lumnicas prove-nientes de los conectores BNC a la salida delPMT, se eliminan mediante el agregado de cin-ta de aluminio y telas extras de blackout parareforzar el sellado optico.

Es importante resaltar que las filtraciones deluz son un muy problema grave en este siste-ma. Como se explico en la seccion 3, distintasprecauciones fueron tomadas para aislar opti-camente el tanque: se realiza un encamisado

Figura 12: Rate crudo y promediado cada 3hs vs. Tiem-po desde el 19/12 hasta el 07/04.

metalico dentro de la tapa del tanque y se agre-ga cinta metalizada en todas las junturas. Sinembargo, el PMT es un instrumento conocidopor detectar senales aun muy debiles, por lo queresulta difcil aislar de forma efectiva el tanque.

La frecuencia medida desde el re-llenado deltanque el 19 de Diciembre se ilustra en la Figura12. Se muestran datos hasta el 07 de Abril. Debi-do a cortes de luz existen pequenos perodos enlos que, hasta no reactivar el sistema, no se rea-lizaron mediciones. Aproximando el valor mediode la frecuencia en 170Hz, se observa que la dis-persion es de aprox. 50Hz. La dispersion se de-be a fluctuaciones del flujo del partculas, por loque para reducirlas se debe realizar un prome-dio. Estos tipos de detectores suelen contar conun sistema de tres fotomultiplicadores y variostanques de agua (PAO cuenta con 1600 detec-tores) para generar mayor estadstica con quepromediar la tasa. Nuestro sistema cuenta conun solo recipiente para el agua y un solo foto-multiplicador, por lo que a pesar de que el osci-loscopio tenga una frecuencia maxima de lecturade 1Gs/s, dado que la tasa presenta un gran ni-vel de fluctuaciones se decide generar una senalde baja resolucion, tomando un promedio cadatres horas. Las resoluciones temporales tpicasen la comunidad se encuentran en rangos quevan desde los 15 minutos (PAO) hasta una ho-ra en datos ofrecidos por diferentes monitores deneutrones, por lo que la escala elegida es razona-ble en comparacion con otros detectores simila-res en el mundo. Se corrobora que la dispersion

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se debe a fluctuaciones estadsticas simetricasya que al promediar se reduce significativamen-te.

En el comienzo de la Figura 12 se observaun comportamiento anomalo: la tasa se incre-menta durante aprox. un da para luego decre-cer durante aprox. 4 das. Finalmente se obser-va un leve crecimiento sostenido de la tasa paratiempos mayores a trece das. Para explicar estecomportamiento se propone un modelo analti-co aproximado y simplificado compuesto por lasuma tres fenomenos: decantamiento, difusion yevaporacion.

Decantamiento: Aunque el agua con que sellena el tanque (proveniente de la canilla) es fil-trada previamente por precaucion, pueden exis-tir pequenas cantidades de impurezas remanen-tes en el agua que afecten las mediciones. Dadoque por gravedad estas impurezas decantaranal fondo del tanque con el tiempo, es esperableque si afectan las mediciones se observe un creci-miento en la tasa con el tiempo, convergiendo aun valor constante cuando las impurezas hayandecantado completamente.

Difusion: Como se explico en la seccion 5.A,en Diciembre se agrega al agua una pequenadosis de NaClO (100cm3) para purificarla. Elagregado se realiza por una de las tapas latera-les del tanque y no por su centro para no remo-ver el PMT (ver Figura 6). Sin embargo el tan-que se encuentra recubierto por la bolsa difusorade Tyvek (ver Figura 4), por lo que esta evitaque instantaneamente se difunda el cloro en eltanque. Como la bolsa posee pequenos cortes yaberturas el cloro eventualmente se difundira deforma homogenea en todo el tanque, pero esteproceso sera ralentizado. El cloro afecta las me-diciones, por lo que es esperable observar unadisminucion en la tasa a medida que se difundeel cloro, hasta converger a un valor constantecuando la concentracion sea homogenea.

Evaporacion: La tasa de evaporacion delCloro es de 0.75g por da. La densidad del Na-ClO es de 1.11g/cm3, por lo que puede estimarseque la dosis agregada demorara 83 das en eva-porarse, si el tanque no se encontrase sellado. Amedida que se evapore, el cloro afectara menos

Figura 13: Izquierda: Ajuste de la tasa de la figura 12segun la ecuacion (4). Derecha: Zoom hasta el 04/01.

las mediciones, incrementandose la tasa. Otrahipotesis posible para este incremento es que,debido a la temperatura, la lnea de base varecon el tiempo, modificando el nivel de disparo.

Modelando cada fenomeno como una expo-nencial

fi(t) =R

3+ Aie

ti (2)

donde R es el ultimo valor medido de la tasa(t 1), siendo la funcion creciente para De-cantamiento y Evaporacion y decreciente paraDifusion

Adec < 0, Adif > 0, Aevap < 0 (3)

se obtiene, sumando las contribuciones

F (t) = R + fdec(t) + fdif (t) + fevap(t) (4)

pudiendose restringirse uno de los parametros aajustar pidiendo que F (0)=A, siendo A el valorinicial de la tasa medido.

El ajuste del scaler medido mediante la ecua-cion (4) se ilustra en la Figura 13 izquierda,realizandose un acercamiento de los dos prime-ros cuadrantes en la figura derecha. Para lostiempos caractersticos de la ecuacion (2) seobtiene que: dec = 0,25das, dif = 1,16das yevap = 62das, observandose una buena simili-tud entre los datos y el ajuste. Debe resaltarseque el modelo propuesto depende de la ventanatemporal de medicion: dado que R es el valorde la ultima medicion tomada, su valor aumen-tara para mediciones mas largas. El evap en-contrado es consistente con el tiempo estimado(83 das), acorde con la tasa de evaporacion delcloro. Para trabajar con datos limpios se tomanaquellos posteriores al 19 de Enero, donde el va-lor de la tasa ya se ha estabilizado.

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Figura 14: Ejemplo de mediciones crudas y promediadascada 3 horas de tasa de un da (6 de Febrero). Si repe-timos este analisis para otro da cualquiera, los puntospromediados tendran valores distintos.

5.E. Modulacion Diaria

Como se menciono en la seccion 2.A, la pre-sencia del sol apantalla los rayos cosmicos, porlo tanto es de esperar que exista una tendenciadiaria en la tasa de partculas detectadas. Enla Figura 14 se pueden ver todas las medicio-nes de tasa de un da tpico. Dada nuestra bajaresolucion temporal, incluso tomando el valorpromedio de 3 horas consecutivas es imposibleobservar este efecto para un solo da. Una mane-ra alternativa de obtener esta informacion es nosolo tomar el promedio de 3 horas de este da,sino de todos los das de la serie. Para lograresto, dado un intervalo de tiempo, por ejemplodesde las 00:00hs hasta las 03:00hs, se tomantodas las mediciones de todos los das que ocu-rrieron entre esos dos horarios. Haciendo estaseparacion de datos se obtiene el histograma endos dimensiones de la Figura 15. Para cada in-tervalo de tiempo se obtiene entonces una dis-tribucion de la tasa, siendo su valor medio elvalor tpico para ese intervalo. Con este metodose filtran gran cantidad de errores estadsticosproducto de la fluctuacion natural de la tasa,errores de medicion del osciloscopio y efectos devariables aleatorias ambientales.

Estas distribuciones son ajustadas con unagaussiana para poder determinar sus centros.Al realizar este analisis es importante recordarque la presion es una variable que posee ciclos

Figura 15: Se muestra un histograma 2D de los datosmedidos desde el 19/01 hasta el 14/04. El da se se-paro en ocho intervalos de tres horas. Cada bin verticalcontiene la distribucion de tasas medidas a esas horasdel da. Para facilitar la lectura de la escala cromaticase superpuso la distribucion correspondiente a un inter-valo, que se asemeja a una gaussiana. Los puntos azulescorresponden a los centros del ajuste por gaussiana.

diarios y que por lo tanto sus efectos no seranfiltrados con este metodo. Luego, en la Figu-ra 16a se grafican los valores medios obtenidosrespecto al valor medio total de la serie (queronda los 166Hz). Esta curva se encuentra engran concordancia con la medida en PAO (verfigura 16) [3].

Cabe destacar que aunque los ajustes realiza-dos con funciones de tipo gaussianas sean ade-cuados, sabemos realmente que las distribucio-nes no corresponden a esta funcion. Como seestudia en la seccion 5.D, el valor medio de latasa fue aumentando en el tiempo. Este efectose manifiesta en la cima plana de la curva dibu-jada en la Figura 16a ya que habra una gamade valores medios, una superposicion de variascurvas. A priori uno puede suponer que esta de-riva en el valor medio afecta el resultado. Estono ocurre dado que su escala de tiempo carac-terstica es del orden de los meses, cuando esteanalisis trabaja en tiempos de un da. Es decir,cada da tendra un valor medio ligeramente masalto que el anterior pero la diferencia entre losocho intervalos internos es despreciable. Cuan-titativamente, la diferencia del valor medio dela tasa entre el primer y ultimo 5 % de los valo-res de la serie es aproximadamente 3,15Hz. Por

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(a)

(b)

Figura 16: En la figura 16a se muestra la variacion dia-ria de la tasa respecto al valor medio sin corregir porlos efectos de la presion. En 16b se muestran los resul-tados obtenidos por el observatorio Pierre Auger, concorreccion (lnea solida roja) y sin correccion por pre-sion (lnea punteada azul). Nuestra curva de la figura16a muestra gran concordancia con la que correspondea la modulacion sin corregir.

lo tanto, durante los 78 das de mediciones va-rio a razon de 0,04Hz/dia. Por otro lado, la va-riacion total en la amplitud dada por la modu-lacion diaria en un da es de aproximadamente0,67Hz. Comparando estos dos ultimos valoresqueda claro que la modulacion diaria es un or-den de magnitud mayor y que por lo tanto es elefecto predominante.

5.F. Scaler y Presion

En la seccion anterior se observo que la fre-cuencia se encuentra modulada por la presion.Como se explico en la seccion 2.A, se espera quesi aumenta la presion atmosferica las partculas

Figura 17: Rate y Presion vs. Tiempo desde 19/01 hasta06/05. El 14/04 se agregaron pastillas de cloro y el 24/04se revolvio el agua para homogeneizar el cloro.

interactuen en mayor medida con la atmosfera,por lo que menos partculas llegaran al detectorreduciendo la frecuencia observada, obteniendo-se una anti-correlacion entre estos parametros[3].

En simultaneo con la adquisicion de la fre-cuencia en el Modo tasa se descargan los da-tos de presion atmosferica de la estacion delDCAO [9] en Internet. El grafico de ambas cur-vas se ilustra en la Figura 17. En la mayora delas variaciones en las curvas se observa una anti-correlacion entre ambas variables, junto con elcrecimiento en la tasa discutido en 5.D.

A fin de analizar la influencia del cloro en lasmediciones, se realiza un estudio cualitativo desu efecto en la tasa y los pulsos. Recordemosque el cloro afecta el desempeno en el rango ul-travioleta de la radiacion, por lo que se esperaobservar un decaimiento significativo en la tasay amplitud de los pulsos. Para ello, en vez deuna dosis de NaClO se agregan Pastillas Tri-ple Accion, marca Clorotec, las cuales contienenHClO (acido hipocloroso) junto con un clarifi-cador y un alguicida. Segun el fabricante debeir una pastilla cada 15,000 litros de agua, por loque se las fracciona para que cada unidad se co-rresponda con los 725 litros que tiene el tanquey el 14 de Abril se agrega una unidad a travesde una de las tapas laterales del recipiente. Alhacerlo no se observa una variacion en la tasacruda (s levemente en el promedio de la Figura17) o la forma del pulso, por lo que se agregan

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Figura 18: Pulsos promedios (256) medidos por el os-ciloscopio. Izquierda: 14/04 antes de agregar la primerdosis de cloro. Derecha: 24/04 luego de abrir y revolverel recipiente.

otras cuatro unidades: dos el da 17 y dos el da21 de Abril. Como todava no se registran varia-ciones significativas se abren las tapas laterales,observandose que fracciones solidas de las pasti-llas se encuentran todava flotando por encimadel Tyvek, que no permite que se difundan (deaqu surge la explicacion de la seccion 5.D). Me-diciones del cloro indican que su concentracionen las tapas es mucho mayor que dentro del tan-que, aunque ambas saturan el instrumento su-perando las 5 partes por millon. Para homoge-neizar su concentracion, se remueve la tapa quecontiene la placa base y el PMT (ver Figura 6)y se revuelve el agua del recipiente, arrojandomanualmente las fracciones solidas remanentesde las pastillas por dentro del tanque. Como seobserva en la Figura 17, al restaurar las medi-ciones se registra el decaimiento significativo enla tasa esperado junto con un posterior creci-miento, consistente con el efecto de decantacionmencionado en la seccion 5.D debido a que alrevolver las impurezas vuelven a distribuirse enel volumen del recipiente.

El pulso promedio es util para representar laforma de los pulsos, por lo que desde el 14 deAbril se aumenta su adquisicion de uno por daa uno por hora. A modo de ilustracion, se mues-tran en la Figura 18 los pulsos promedios corres-pondientes a antes y luego de agregar las dosisde cloro y revolver el recipiente. Se puede notarque aunque su amplitud disminuye, su ancho semantiene constante. La variacion de su ampli-tud en el tiempo (Vmin Vtop) se ilustra en laFigura 19; tambien se observa el decaimientoesperado.

A fin de corregir el scaler por su anti-

Figura 19: Amplitud del pulso promedio (Vmin Vtop)desde el 19/01 hasta el 06/05. El 14/04 comienza el agre-gado de pastillas de cloro y el 24/04 se revuelve el aguapara homogeneizar el cloro.

Figura 20: Ajuste lineal de Rate vs. Presion para la pri-mer semana: desde el 19/01 hasta el 26/01.

correlacion con la presion, se realizan ajusteslineales entre ambas variables. Sin embargo, elincremento en el tiempo de la tasa modifica larecta de ajuste, por lo que al realizar un ajustelineal de Rate (tasa) vs. Presion de la Figura 17hasta el 14/04 se obtiene una pendiente globalcasi nula de = 0,05Hz/hPa. Para mejorareste valor, se propone realizar un ajuste por se-mana, de forma que el incremento en la tasasea despreciable. A modo de ejemplo, se ilustraen la Figura 20 el ajuste correspondiente a laprimer semana.

Como en la primer semana las mediciones nofueron interrumpidas, se define esa cantidad dedatos como el largo de una semana. Esto implicaque pueden existir semanas mayores a 7 das si

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Figura 21: Pendientes de los ajustes lineales para las 12semanas desde el 19/01 hasta el 14/04. Cada punto secoloca en la mitad de la semana correspondiente. Enrojo se muestra el promedio.

las mediciones fueron interrumpidas durante lasemana correspondiente. Las pastillas de clorocomienzan a agregarse el 14 de Abril, por lo querestringiendo nuestros datos hasta esa fecha seobtienen 12 ajustes lineales. Al hacerlo, la lon-gitud de la ultima semana se recorta a 5 das.Sus pendientes se muestran en la Figura 21; seobserva un comportamiento regular a excepcionde dos puntos. Tomando el promedio de las pen-dientes se obtiene el valor = 0,16Hz/hPa,que es un orden de magnitud mayor que el delcaso global. Dado que todas las pendientes sonnegativas, se concluye que efectivamente existeuna anti-correlacion entre ambas variables.

Finalmente se corrige scaler por presion me-diante el valor hallado para la pendiente (y or-denada al origen) promedio de todas las sema-nas. Su resultado se ilustra junto a la presiony al scaler sin corregir en la Figura 22. Se ob-serva que efectivamente varias fluctuaciones senormalizan. Las fluctuaciones restantes inclu-yen modulacion de rayos cosmicos debido a suapantallamiento por la presencia de estructurasinterplanetarias. Omitiendo el incremento casilineal en el tiempo debido a la evaporacion delcloro, se observa gran similitud con el scaler me-dido por PAO [3] [12].

5.G. Histogramas de Pico y Carga

Recordamos aqu el problema observado enla Figura 9 para alto voltaje en aire: el anodo

Figura 22: Rate cada 3hs corregido y sin corregir y Pre-sion vs. Tiempo desde 19/01 hasta 14/04.

satura su Vmin en 1900mV . Para Vc = 1300mV(y voltajes menores tambien), si se incremen-ta el disparo y se espera un tiempo prudencialpueden observarse estos pulsos. A pesar de noregistrar su amplitud real, el calculo del areapodra dar una estimacion de su energa, porlo que sera interesante registrarlos. Sin embar-go, con el osciloscopio no es posible medir todoslos pulsos, debiendo limitarse el rango voltajedentro de una ventana. Si este rango es muy al-to, se compromete la resolucion del histograma,por lo que se elige una division de 50mV (co-rrespondiente a una ventana de 400mV ), cu-ya resolucion es de 2mV . Luego, los pulsos quesaturan en 1900mV quedan fuera de nuestra es-cala, no siendo registrados (solo representadosen una barra al final del histograma).

Restringiendo los datos hasta la fecha en quese agregaron pastillas de cloro (14/04) se cuen-ta con un numero alto de estadstica, siendoN ' 8,3 106. Para el histograma de pico (oamplitud) simplemente se utiliza Vmin, ya queVtop 0. El histograma de carga se construyecon el area de los pulsos. Con los parametrosmedidos, es posible aproximar el area del pulsocomo la suma del area de dos triangulos de al-tura Vmin Vtop y bases tcaida y tsubida, segun laecuacion (5).

Area =(Vmin Vtop).(tcaida + tsubida)

1,6(5)

Aqu la verdadera hipotesis de la aproxima-cion es suponer que la duracion de los pulsos

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sea la suma de estos dos tiempos. En realidadno lo es ya que los dos intervalos de tiempo en-tre el 90 % y el 100 % de la amplitud de la senal,as como tambien para los intervalos entre el 0 %y el 10 %, no son registrados por tcaida ni tsubida(ver Figuras 5 y 7). Sin embargo, utilizando es-ta aproximacion se obtienen resultados consis-tentes, por lo que se asume que su error pue-de ser despreciado. En la ecuacion (5) apareceun factor 1,6 que es obtenido de consideracio-nes geometricas, pero es simplemente un factorde forma y no altera el histograma. Mas aun,eventualmente el factor sera irrelevante ya quelas escalas de area seran transformadas a escalasde energa segun la posicion del pico del muonvertical.

Los histogramas correspondientes se encuen-tran en la Figura 23. Para el histograma de picose elige el bineado correspondiente a una reso-lucion de 2mV . Este lmite en la resolucion im-plica que, a tension de alimentacion fija, no sepuede lograr un mejor histograma con el osci-loscopio Rigol DS1102E. Por lo tanto, el lmitepuede alcanzarse con 106 eventos; tomar masdatos no cambiara su forma ni le dara mayordefinicion al histograma.

Se observa que el histograma de pico es maserratico que el de carga (area). Esto puede de-berse a que el pico no esta relacionado con nin-guna magnitud fsica, mientras que la carga esproporcional a la energa de la partcula. En elhistograma de carga es mas notoria la presen-cia del pico del muon vertical que se esperabaobservar segun lo explicado en la seccion 1.

Los picos del histograma de carga tienen uncorrelato fsico. Estan determinadas, mediantesimulaciones numericas [4], las distintas compo-nentes del histograma de carga. El primer pico,el mas abundante, es generado por electrones ypositrones, as como fotones que decaen en es-tos ultimos. Su abundancia disminuye a medidaque aumenta la energa (que es proporcional a lacarga). Por otro lado, el segundo pico esta da-do por la componente muonica. Esta tiene laparticularidad de no decaer dentro del detectorya que son partculas que acarrean mas iner-cia y son propensas a atravesarlo por completo.

(a)

(b)

Figura 23: Histogramas desde el 19/01 hasta el 24/04para Vc = 1300mV , Tr = 20mV y N 8 106.Arriba: de pico. Abajo: de carga.

Por lo tanto, las energas detectadas de estaspartculas dependeran fuertemente del caminorecorrido y del angulo de ingreso al detector.Las simulaciones para una geometra cilndricamuestran que el histograma de la componentemuonica presenta un maximo, cuya ubicacioncorresponde a la energa del muon vertical. Es-to es muy importante ya que se conoce cuantaenerga por distancia pierde un muon en aguadebido al efecto Cherenkov. Midiendo la altu-ra del recipiente, es posible asignar un valor deenerga a la carga del pico del muon vertical yre-escalar los histogramas en unidades de VEM(Vertical-Equivalent Muon).

Como en el caso de los scalers, la presenciade cloro tambien tiene efectos apreciables en loshistogramas de carga. En la figura 19 se observaque entre el 19/01 y el 14/04 existe una tenden-

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Figura 24: Histograma de carga en el tiempo. La primersemana comienza el 19/01, la ultima el 26/03.

cia a aumentar la amplitud y por lo tanto elarea del pulso.

Esto se pone en evidencia cuando se separanlas mediciones cronologicamente por semana yse comparan sus histogramas de carga norma-lizados, como en la Figura 24. All se puedenobservar las distintas formas y como fue evolu-cionando el histograma a lo largo de ese inter-valo de tiempo. Las distintas curvas se carac-terizan por mostrar cambios en la abundanciarelativa de los pulsos, sobre todo a partir de los2500mV.ns, lo que muestra que el NaClO ensolucion afecta de manera distinta el rango delhistograma. Para realizar una verdadera com-paracion se toman la 1a y la 10a semana, nor-malizando la carga en unidades de la carga delVEM (V EMq) y las proporciones, consideran-do que siempre medimos la misma cantidad demuones.

Una vez hechas estas transformaciones se pue-de hacer una comparacion mas cuantitativa ana-lizando las curvas de la Figura 25. Se observaque las diferencias no son tan marcadas comopudiera creerse en un principio. Sin embargo, yteniendo en cuenta todos los re-escalamientosaplicados, los histogramas presentan diferen-cias, sobre todo en los extremos del rango deenerga. Esto parecera indicar que la presenciade NaClO no afecta de manera equivalente a to-do el espectro de energas detectadas. Ajustan-do estos histogramas por polinomios de ordensuficientemente grande se puede realizar un co-

Figura 25: Comparacion entre el histograma de la 1a y10a semana. La carga y la proporcion de muones ver-ticales fueron normalizadas para cada histograma porseparado. Luego se realizaron ajustes polinomiales. Seobserva que los histogramas presentan formas distintasen los lmites de bajas y altas energas.

ciente entre el primero y el decimo. Esta es lacurva que se muestra en la Figura 26. Las on-dulaciones pueden ser atribuidas al ajuste po-linomico. Por construccion, en 1V EMq vale 1.Es interesante ver que entre los 0,5V EMq y los1,5V EMq las curvas son similares. Sin embar-go, entre 0V EMq y 0,5V EMq, donde se locali-za el pico de la componente electronica, es me-nor a la unidad, y a partir de los 1,5V EMq elvalor crece. Esto se puede interpretar diciendoque en los das con mayor concentracion de clo-ro los pulsos de menor area fueron apantalladosya que una proporcion de ellos cayo por deba-jo del umbral del disparo, ocasionando que lospulsos mas energeticos cobraran mayor peso es-tadstico en el histograma. Esta explicacion noes del todo satisfactoria ya que los cambios noson simetricos. Es necesario realizar en el futu-ro un analisis en mayor profundidad para lograruna comprension exhaustiva de este fenomeno.

5.H. Placa de adquisicion LAGO

Hacia finales del laboratorio 7 el grupo detecnicos del IAFE logro incorporar la placa deadquisicion utilizada oficialmente por la colabo-racion LAGO. La placa en s esta conectada auna FPGA llamada Nexys2 que es la que permi-te controlarla a traves de un software disenadoespecialmente para ello por la colaboracion. La

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Figura 26: El cociente entre los ajustes polinomiales dela 1a y 10a semana. A medida que disminuye la con-centracion de NaClO, los efectos para energas gran-des y pequenas es opuesto. Mientras que el numero decuentas aumenta para energas pequenas, disminuye pa-ra energas grandes. Sin embargo para energas entre0,5V EMq y 2V EMq el histograma parece ser autosimi-lar, luego de la normalizacion.

FPGA se conecta a la computadora a traves deun puerto USB.

Con esta nueva herramienta es posible ali-mentar tres fototubos y adquirir con tres canalessimultaneamente. El sistema de digitalizacionde voltaje es de 10 bits (un rango de 0 a 1023ADC), con las opciones para fondo de escala de1V o 2V . La electronica de la placa digitaliza-dora es lo suficientemente rapida para detectartodos los pulsos hasta una frecuencia de 10.000pulsos por segundo. Ademas, puede obtener unadiscretizacion del pulso de doce valores tempo-rales a intervalos de 25ns. De esta manera, lospulsos que superen el umbral (en unidades deADC) seran registrados con 12 valores de ADC.Este ultimo dato es de particular importanciaya que los pulsos obtenidos en nuestro detectorno superan los 50ns de longitud, lo que signifi-ca que un pulso comun tendra solo dos valoresADC. Este es un problema importante y queaun queda por resolver. La placa de adquisicionesta disenada para pulsos de 200ns. El motivopor el cual nuestros pulsos son menos anchos noses desconocido, pero sospechamos que esta re-lacionado con el fotomultiplicador. Otro motivoposible es la geometra del detector, ya que esesta en ultima instancia la que determina la for-

(a)

(b)

Figura 27: Histogramas para una medicion de tres dascon alimentacion de 1,3V y disparo de 20mV .Arriba: de pico. Abajo: de carga.

ma en que los fotones de la cascada Cherenkovse difunden dentro del tanque.

Pese a estos inconvenientes, se realiza una me-dicion de 3 das con valores de umbral de disparoy tension de alimentacion del PMT equivalen-tes a los previamente usados (umbral de 20mVy alimentacion de 1,3V ). Presentamos en la Fi-gura 27 los resultados para los histogramas depico y carga.

Los histogramas resultan cualitativamentecomo lo esperado aunque con una resolucion po-bre, seguramente debio a la baja resolucion delos pulsos (i.e., un pulso ocupa solo dos bines).El histograma de la altura de los pulsos en ADC(Figura 27a) no logra resolver el maximo localde los muones verticales. Por su lado, el histo-grama de carga (Figura 27b) presenta dos picosmuy marcados; uno en 0 y otro cerca de 500,

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Figura 28: Tasa (promediada cada diez minutos) vs. Pre-sion para una medicion de tres das. El valor medio de latasa no se corresponde con el medido previamente conel osciloscopio. No se observa correlacion alguna con lapresion.

que podran asociarse con los picos de la compo-nentes electronica y muonica respectivamente.Sin embargo, observando con mayor detalle sedescubre un tercer pico, entre 1500 y 2000. Es-to genera otro interrogante, ya que no deberanexistir tres picos, sino dos. Es natural pregun-tarse si alguno de estos picos es un producto dela electronica.

Con la nueva placa de adquisicion la tasa depulsos por segundo se obtiene simultaneamen-te a los valores de traza. Para poder compararcon la presion atmosferica se utiliza el mismometodo que antes, descargando ahora los datosde Internet subidos por la estacion meteorologi-ca del SMN [10] cada 10 minutos. Como ahorase registra una medicion de tasa por segundo,fue posible promediar estos valores cada 10 mi-nutos. En la Figura 28 se encuentran grafica-das ambas variables. Desafortunadamente no sepuede observar ningun tipo de correlacion entrela tasa y la presion. Esto podra ser atribuido ala corta serie de datos. Sin embargo, existe unadiferencia fundamental con las mediciones rea-lizadas con el osciloscopio; el valor medio de latasa es significativamente diferente. Esto podradeberse al uso de diferentes valores de umbral ydiferente metodo de disparo u otras posibles di-ferencias en la electronica asociada con la placade adquisicion.

Las mediciones preliminares, centradas en en-

tender el funcionamiento de la placa, dispararonmas interrogantes que respuestas, siendo nece-sario mas tiempo y analisis para poder extraerresultados concluyentes. Sin embargo la mismapudo ser puesta en funcionamiento, generandolos primeros graficos correspondientes.

6 Resumen y Conclusiones

Durante todo el proyecto nos hemos enfren-tado con numerosas dificultades, muchas de lascuales han sido superadas satisfactoriamente.Estos logros y fracasos pueden ser catalogadosen tres grandes focos de nuestro trabajo: puestaa punto del detector, comparaciones entre airey agua y generacion de scalers e histogramas.

El tanque, que es el componente mas grandedel detector, logro ser vaciado y llenado satis-factoriamente. El filtro de cloro debera ser ubi-cado en la parte superior del tanque. De estaforma contara con la mayor diferencia de altu-ra y el lquido fluira mas facilmente de el. Da-do que el flujo a la salida del filtro es muy ba-jo, la cada del agua no afecta al recubrimien-to de Tyvek, por lo que el llenado pudo reali-zarse en forma completa sin la manguera queconduce el agua dentro de la bolsa de Tyvek.Otra opcion es perforarla: con este cambio elreflujo proveniente de la presion hidrostatica dela columna de agua no impedira el llenado (nidanara el filtro) ya que el agua se perdera porlos agujeros. Tambien se mejoraron las protec-ciones anti-humedad, anadiendo capas de lacaa la electronica y rodeandola con bolsas de gelde slice (slica gel). Por ultimo, se agrego cintade aluminio en las junturas del tanque para se-llarlo opticamente. Se identificaron filtracioneslumnicas remanentes provenientes de los conec-tores BNC a la salida del PMT y se eliminaron atraves del agregado extra de cinta de aluminio,reforzando el sellado mediante un cubrimientocon varias telas de blackout. Se propone idearun sistema de llenado y desagote automaticodel tanque. Este objetivo esta relacionado conel traslado del tanque a la base antartica, dondesu manipulacion sera de forma remota.

Durante la caracterizacion se encontro el ran-go de optimo funcionamiento del sistema. Ten-

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siones de control menores a V c = 900mV re-portaran menos de un pulso por hora, mientrasque tensiones mayores a V c= 1400mV tendranuna alta frecuencia de pulsos con gran tensionque saturan el anodo alrededor de los 1900mV .Sin embargo, en la ventana de voltajes finalmen-te elegida estos pulsos quedan fuera de escala,registrandose como una barra al final del histo-grama. Dado que el ndice de refraccion del airees casi uno la radiacion Cherenkov emitida eneste medio sera casi nula, por lo que se registranmayoritariamente cuentas oscuras. Las cuentasoscuras son pulsos generados por electrones des-prendidos por efectos termicos o posibles foto-nes de baja energa que se hayan filtrado en eltanque. Se corroboro que la forma de la distri-bucion del histograma para cuentas oscuras novara con la tension de alimentacion o disparo,asemejandose a una distribucion de Poisson. Alcomparar histogramas de voltaje mnimo entreaire y agua se encontro que existen diferenciasentre los promedios y medianas para voltajesmayores a Vc = 1100mV , producto de la radia-cion Cherenkov emitida por las partculas debi-do al incremento en el ndice de refraccion conel agua. Dado que nuestro interes no se centraen ningun rango de energas en particular, pue-de optarse por un nivel de disparo bajo, mien-tras supere el nivel de ruido (de aprox. 7,5mV ).Finalmente, los valores elegidos fueron una ten-sion de control de Vc=1300mV y un umbral dedisparo de Tr =20mV .

Para la adquisicion de pulsos Cherenkov enagua se diseno un codigo en el lenguaje de pro-gramacion Python que permite controlar el os-ciloscopio remotamente y automatizar las medi-ciones. Se realizaron mediciones de forma con-tinua durante varios meses registrando un grannumero de datos (107), por lo que fue necesa-rio desarrollar ademas un codigo de analisis quepudiera manipularlos. El Modo tasa de adquisi-cion permite registrar el valor de la frecuenciade los pulsos que se utilizara para graficar el sca-ler. Para ambos canales del osciloscopio el Modocarga adquiere valores necesarios para determi-nar la amplitud y area de los pulsos, mientrasque el Modo promedio lo hace para el pulso queresulta del promedio de 256 pulsos. Medidas de

seguridad como back-up online de los datos, es-tabilizador UPS y separacion de los archivos entamanos de 10.000 pulsos fueron tomadas a finde garantizar la conservacion de los datos.

Se genero la serie temporal de la tasa paracuatro meses de medicion. A fin de reducir ladispersion, debida a fluctuaciones en el flujo departculas, se decidio generar una senal de bajaresolucion promediando la tasa cada 3 horas. Seobservo en el scaler un comportamiento inicialanomalo. Para describirlo, se propuso un mode-lo analitico simplificado que aproxima la varia-bilidad de la senal como la suma de tres fenome-nos: decantacion, difusion y evaporacion. Me-diante un ajuste, se obtuvieron los tiempos ca-ractersticos correspondientes. Se concluye quedeben esperarse aproximadamente 10 das lue-go de llenar el recipiente con agua para que los100cm3 de NaClO agregado difundan y la tasase estabilice. Este tiempo puede reducirse agre-gando la dosis por dentro del Tyvek y revolvien-do, en vez de por las tapas laterales. Ademas,la evaporacion del cloro sera responsable del in-cremento sostenido de la tasa en el tiempo. Paracorroborar su efecto, fracciones de Pastillas Tri-ple Accion fueron agregadas sistematicamente.Aqu se comprendio que al dosificarse por las ta-pas laterales el Tyvek ralentizaba la difusion delcloro. Al revolver y homogeneizar se registro eldecaimiento en la tasa y la amplitud esperados,observandose que el ancho del pulso se mantenaconstante. El estudio del cloro comprendio unanalisis cualitativo realizado para entender suinfluencia; por un lado deben tomarse medidaspara mantener el agua purificada libre de algasy bacterias, pero habra que determinar con granprecision la cantidad de cloro a agregar puestoque su presencia afecta la eficiencia del detec-tor. Para proyectos futuros, se propone realizarestudios mas finos en esta direccion.

Utilizando una tecnica de superposicion de in-tervalos de tiempo fue posible observar los efec-tos de la modulacion diaria solar sin correccionpor presion. Se observo que la evaporacion delNaClO (hipoclorito de sodio) agregado generaaplanamientos en la cima de la curva; sin em-bargo estas variaciones son de un orden menorque la modulacion diaria. Los resultados obteni-

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dos estan en buena concordancia con los presen-tados por PAO [3] (Figura 16a). Resta a futurorealizar el mismo analisis con una correccion porpresion. La diferencia en la posicion de los picosde intensidad de flujo puede deberse a las horasde exposicion diurna, ya que nuestras medicio-nes fueron tomadas durante meses de das largos(Enero a Abril) mientras que las de PAO estantomadas durante meses de das cortos (Marzo aSeptiembre).

Descargando los datos de presion atmosferi-ca de Internet [9] en simultaneo con las medi-ciones de tasa se estudio la existencia de unaanti-correlacion entre ambas variables medianteajustes lineales para fechas posteriores a la es-tabilizacion de la tasa y anteriores al agregadode pastillas de cloro. Dado que el ajuste globaldevolvio una pendiente casi nula se propuso rea-lizar ajustes semanales, ya que en ese intervaloel incremento sostenido es despreciable. Para las12 semanas correspondientes se obtuvo que to-das las pendientes son negativas, por lo que seconcluye que existe una anti-correlacion entreambas variables. Tomando el promedio de laspendientes (y ordenadas al origen) se corrige elscaler mediante esta recta; se observa que variasde las fluctuaciones se estabilizan (Figura 22),encontrandose gran similitud con el scaler medi-do en PAO [3] [12]. Las fluctuaciones restantesincluyen la modulacion de rayos cosmicos porapantallamientos debidos a la presencia de es-tructuras interplanetarias, por lo que son utilespara realizar estudios de clima espacial.

Se generaron los histogramas de pico y cargade las partculas obteniendose el pico del muonvertical esperado (Figura 23). Se encontro queadquirir mas de un millon de datos con el os-ciloscopio Rigol DS1102E no brinda nueva in-formacion; las divisiones del histograma de picoalcanzan la maxima resolucion del instrumen-to. Si se quisieran adquirir mejores datos coneste osciloscopio, habra que barrer el histogra-ma con escalas menores a los 50mV/div perode a sectores, ya que escalas menores no permi-ten que entre toda la figura. Luego se estudio laevolucion del histograma de carga en el tiem-po. Si se supone que la unica alteracion en eldetector durante los meses que estuvo midiendo

fue la disminucion en la concentracion de Na-ClO por evaporacion, entonces los histogramasde carga con diferentes concentraciones de Na-ClO presentan deformaciones no lineales que su-gieren que este afecta de manera diferente a ca-da energa (Figura 25). Si en el futuro se deseanagregar dosis de este compuesto para mantenerun medio libre del crecimiento de hongos, algasy bacterias, se debera realizar un analisis muchomas exhaustivo para poder cuantificar el impac-to de dicha practica en los pulsos medidos.

Si bien las primeras mediciones utilizando laplaca de adquisicion de la colaboracion LAGOno proveen nuevos resultados significativos, elhecho de que el sistema este funcionando y sepuedan extraer mediciones es un gran avancepara el desarrollo del detector. Es necesario pro-fundizar los conocimientos sobre su funciona-miento para poder explotar todo su potencial.La corta duracion de los pulsos ( 50ns) es unproblema abierto y que eventualmente exige suresolucion si se pretende aprovechar al maximolas capacidades de la placa de adquisicion, di-senada para digitalizar pulsos de 200ns.

Estos resultados son muy importantes paracaracterizar y analizar el flujo de rayos cosmi-cos, y constituyen un importante avance en lafabricacion de un detector Cherenkov en agua,desarrollado en Buenos Aires, que sera localiza-do en el sitio LAGO de la Antartida Argentina.

7 Agradecimientos

Principalmente, agradecemos a nuestros di-rectores Sergio y Adriana por estar presentetanto en el laboratorio como fuera de el, corri-giendo errores, debatiendo ideas y marcando losobjetivos a seguir. Tambien a Jimmy Masas-Meza por correcciones en el analisis y explica-ciones de varios temas. Al instituto por ofre-cernos el lugar y los elementos disponibles. Algrupo de investigacion LAGO por proveer el ins-trumental necesario e informacion sobre el pro-yecto. Ademas, agradecemos a los tecnicos dellaboratorio Maximiliano Ramelli y Omar Are-so que se encontraron a todo momento presen-tes en el laboratorio y disponibles para debatirideas, corregir errores y ayudar tanto en proble-

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mas electronicos como otros de ndole general.Por ultimo, agradecemos a Matas Pereira quecolaboro con el script de adquisicion del DCAO,el backup online sincronizado de datos y juntoa Francisco Novarini en problemas generales deprogramacion e informatica y a Ubaldo Herenuque ayudo en el llenado del tanque.

Referencias

[1] Latin American Giant Observatory enlagoproject.org, ver lista de completade miembros e instituciones en lagopro-ject.org/collab.html.

[2] P. Bauleo et al., A water tank Cherenkovdetector for very high energy astroparticles,Nucl. Instrum. Meth. A 406 (1998) 69.

[3] PIERRE AUGER collaboration, P. Abreu,et al., The Pierre Auger observatory Sca-ler Mode for the study of solar activity mo-dulation of galactic cosmic rays. JINST, 6,P01003, 2011.

[4] H. Asorey, Los detectores Cherenkov del Ob-servatorio Pierre Auger y su aplicacion alestudio de fondos de radiacion, Tesis carrerade doctorando en Fsica, Universidad Nacio-nal de Cuyo, Instituto Balseiro, 2012.

[5] PIERRE AUGER collaboration, X. Bertouet al., Calibration of the surface array of thePierre Auger Observatory, Nucl. Instrum.Meth. A 568 (2006) 839.

[6] J. Masas-Meza, Estudios de actividad so-lar mediante modulacion de rayos cosmicosgalacticos, Maestra en Cs. Fsicas, Univer-sidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro,2011.

[7] PIERRE AUGER collaboration, A. Etche-goyen et al., Muon-track studies in a waterCherenkov detector, Nucl. Instrum. Meth. A545 (2005) 602.

[8] J. D. Jackson, Classical Electrodynamics,Tercera Ed., Captulo 13.

[9] Estacion meteorologica automatica, Depar-tamento de Ciencias de las Atmosfe-ras y los Oceanos (DCAO), Facul-tad de Ciencias Exactas y Naturales(FCEyN), Ciudad Universitaria, C.A.B.A,http://estacion.at.fcen.uba.ar.

[10] Estacion Meteorologica Automatica Ortu-zar, Observatorio Central - C.A.B.A.,Metereologia Mercobras S.A, Servi-cio Meterologico Nacional Argentino,http://www.smn.gov.ar/dpd/tiepre/mercobras/mb3uv.htm

[11] H. Arnaldi, X. Bertou, M. Sofo Haro, Dataanalysis of the high bandwidth LAGO elec-tronics, Centro Atomico Bariloche, Argenti-na, October 30, 2011, pag. 26.

[12] Space Weather public web pa-ge of the Pierre Auger Observatory,http://auger.colostate.edu/ED/scaler.php?daymin=19&monthmin=1&yearmin=2015&daymax=16&monthmax=4&yearmax=2015&submit=Search.

A Tiempo Unix

Las computadoras con sistema operativo ba-sado en Unix cuentan el tiempo en segundos(con dgitos decimales hasta el nanosegundos enel caso del sistema que usamos en el laboratorio)desde el 1o de Enero de 1970 hasta la fecha. Es-te numero es totalmente dependiente de la fechacon la que uno configura la maquina. Por estemotivo, cada una hora, el horario de la maquinase sincroniza con el servidor del IAFE. AunqueUnix reporte el tiempo con cifras significativashasta el nanosegundo, esto no implica que tengaprecision hasta esta cifra.

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IntroduccinTeoraRayos CsmicosRadiacin Cherenkov

Detector de partculas de efecto Cherenkov en aguaCdigo de AdquisicinResultados Llenado del tanque Caractersticas de los pulsos Mediciones en agua Scaler: Tasa en el tiempo Modulacin Diaria Scaler y Presin Histogramas de Pico y Carga Placa de adquisicin LAGO

Resumen y ConclusionesAgradecimientosTiempo Unix