Principios de Instrumentación - Señales de Instrumentación y Transmisores
Instrumentación de un prototipo de tanque Cherenkov para ...
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UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE
ICA
Instrumentación de un prototipo de tanque
Cherenkov para un Telescopio de Muones
por
Edith Tueros Cuadros
Tesis sometida a la Facultad de Física para obtener el TítuloProfesional de Licenciada en Física
2017
UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DEICA
Instrumentación de un prototipo de tanqueCherenkov para un Telescopio de Muones
Edith Tueros Cuadros
Asesor: Lic. Jorge E. Huayna DueñasCo-asesor: Msc. Luis Otiniano Ormachea
Ica, Perú
2017
Edith Tueros Cuadros
Instrumentación de un prototipo de tanqueCherenkov para un Telescopio de Muones
Tesis sometida a la Facultad de Fí-sica para obtener el Título Profe-sional de Licenciada en Física
Trabajo aprobado en Ica, 2017:
Prof. Miguel TasaycoPresidente
Prof. Jaime QuintanaSecretario
Prof. Flavio LlancayaEspecialista
Prof. Francisco AquinoMiembro
Ica, Perú
2017
Agradecimientos
En especial agradezco a Walter Guevara Day, Director del Área de Astrofísica(DIAST) por darme la oportunidad de pertenecer a esa familia y a Luis Otinianopor apoyarme y guiarme en la realización de esta tesis.
Al profesor Jorge Huayna por ser mi asesor.
A los licenciados Carlos Ku y Lurdes Martinez por todo su apoyo en los tramitespertinentes.
Al Dr. Hérnan Asorey que es uno de los físicos quien admiro por la forma de narrarel comportamiento de la física y por corregir mi tesis.
A mis amigos que hicieron más agradable el tiempo transcurrido en la DIAST, aDeysi Cornejo, Liliana Macotela, Cristian Ferradas, Fernando Valle, Ray Hidalgo,Riano Escate, Javier Rengifio, Mariela Huamán, Cynthia Contreras, Carlos Chin-chay, por compartir las ganas de aprender la física. Con ellos no sólo compartípasión por la ciencia, sino también muchos buenos momentos los cuales siemprevoy a recordar.
A mis primos Sara, Edissón, José, por la paciencia, por su dedicación y por iluminarcada día de mi vida.
A mis padres, mis hermanas Liza, Alina y José por todo su apoyo, paciencia,consejos y por estar siempre presentes.
A está casa de estudios, la Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica, de lacual me enorgullece formar parte.
Resumen
En esta tesis se presenta el diseño e implementación de los componentes para elensamblado de dos tanques Cherenkov, los cuales se usarán para implementar untelescopio de muones verticales. En su propagación en el agua del tanque, los muo-nes interactúan con esta y emiten radiación de Cherenkov que es detectada. Estetrabajo se divide en siete capítulos. En el primer y segundo capítulo se describe lafísica de los rayos cósmicos y su propagación en la atmósfera terrestre. En el tercercapítulo se describen los principios físicos del funcionamiento del detector Cheren-kov, en particular se estudia el transductor de luz foto-multiplicador (PMT). Enel cuarto capítulo se describe y explica la instrumentación necesaria para operarel PMT. En el quinto capítulo se describe la fuente de alto voltaje necesaria pa-ra alimentar el divisor de voltaje. Finalmente, en el sexto capítulo se muestranlos perfiles temporales de los rayos cósmicos obtenidos usando los instrumentosdesarrollados y en el séptimo las conclusiones.
Palabras clave: Rayos Cósmicos, Efecto Cherenkov, Tubo Foto-multiplicador,Divisor de voltaje.
Abstract
This thesis presents the design and implementation of the components for theassembly of two Cherenkov tanks, which will be used to implement a verticalmuon telescope. In their propagation in the water of the tank, the muons interactwith it and emit Cherenkov radiation that is detected. This work is divided intoseven chapters. The first and second chapter describe the physics of cosmic raysand their propagation in the Earth’s atmosphere. The third chapter describesthe physical principles of the operation of the Cherenkov detector, in particular,the photo-multiplier tube (PMT) is studied. The fourth chapter describes andexplains the instrumentation necessary to operate the PMT. The fifth chapterdescribes the high voltage source needed to power the voltage divider. Finally, thesixth chapter shows the temporal profiles of the cosmic rays obtained using thedeveloped instruments and in the seventh chapter the conclusions are presented.
Keywords: Cosmic rays, Cherenkov Effect, Photomultiplier tube, Voltage divider.
Índice general
1. Introducción 1
2. Radiación cósmica de alta energía 22.1. Rayos Cósmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2. Espectro de Rayos Cósmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3. Origen de los rayos cósmicos de altas energías . . . . . . . . . . . . 3
2.3.1. Mecanismos de aceleración y decaimiento . . . . . . . . . . . 42.4. Propagación de Rayos Cósmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5. Modulación solar de los rayos cósmicos galácticos . . . . . . . . . . 62.6. Arribo de los rayos cósmicos a la Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.6.1. Magnetosfera Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.6.2. Anomalía del Atlántico Sur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.7. Cascadas atmosféricas de partículas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.7.1. Fenomenología Básica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.8. La Atmósfera Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.8.1. Estructura Vertical de la Atmósfera . . . . . . . . . . . . . . 102.8.2. Profundidad Atmosférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3. Detector de Superficie (SD) 133.1. Efecto Cherenkov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2. Descripción Detector Cherenkov de Agua . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1. Ventajas de usar detectores Cherenkov de agua . . . . . . . 143.2.2. Calibración del conteo de muones de fondo . . . . . . . . . . 15
4. Instrumentación 164.1. Tanque Cherenkov de CONIDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.2. Divisor de voltaje para el tubo foto-multiplicador de CONIDA . . . 17
4.2.1. Tubo foto-multiplicador EMI-9530 . . . . . . . . . . . . . . . 174.2.2. Características de los PMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.2.3. Divisores de voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2.4. Funcionamiento del modo pulso . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3. Conexión a tierra del Ánodo y conexión a tierra del Cátodo . . . . 224.4. Corriente y linealidad de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.5. Distribución de voltaje en los circuitos de divisor de voltaje . . . . . 26
4.5.1. Distribución voltaje en el ánodo y las últimas etapas . . . . 26
viii
Índice general ix
4.5.2. Distribución de voltaje en el cátodo y las primeras etapas . . 264.6. Precauciones en la fabricación de un circuito divisor de voltaje . . . 28
4.6.1. Selección de las partes utilizadas para un circuito divisor devoltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.6.2. Conexión a un circuito externo . . . . . . . . . . . . . . . . 304.6.3. Forma de la onda de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.6.4. Cambio de la línea de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.7. Implementación del Divisor de Voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5. Fuente de Alto Voltaje 365.1. Especificaciones de la fuente de alto voltaje . . . . . . . . . . . . . . 37
5.1.1. Consideraciones del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.2. Características de la fuente desarrollada . . . . . . . . . . . . . . . 395.3. Etapa de ganancia de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.4. Especificaciones, diseño e implementación . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4.1. Filtro de línea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.4.2. Controlador de ancho de pulso . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.4.3. Transistor de conmutación IRF630 . . . . . . . . . . . . . . 415.4.4. Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.4.5. Flyback (Buck-Boost) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.4.6. Duplicador de Voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.4.7. Filtro de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.4.8. Muestreo de la Amplificación . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.5. Prototipo Desarrollado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.5.1. Ajustes internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.6. Prueba del sistema completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6. Resultados 48
7. Conclusiones 55
Bibliografía 57
Índice de figuras
2.1. Flujo de los Rayos Cósmicos en función de la Energía. Las interac-ciones de los RC es observada con satélites y globos en el espaciode forma directa e partículas o RC observadas con detectores de su-perficie es detectada de forma indirecta, además la gráfica muestralos cambios en el espectro (rodilla y tobillo. Modificado de Stanev(2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2. Comparación de las abundancias de los rayos cósmicos (curva azul)con las abundancias de diferentes elementos en el Sistema Solar(barras rojas). En los rayos cósmicos producidos en el sistema solarhay menos presencia de elementos como Litio, Berilio, Escandio.Cuando un observador se encuentra en el medio interestelar y midelas abundancias relativas de los RC, no miden estas abundancias enel origen si no las interacciones de los rayos cósmicos con el mediointerestelar y los decaimientos nucleares (Wiedenbeck et al., 2001). . 6
2.3. Diagrama de los procesos principales de una cascada o chubascos. . 82.4. Clasificación del perfil vertical de la atmósfera según su tempera-
tura, composición, estado de mezcla y ionización. Modificado deHargreaves (1992). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1. Proceso del efecto Cherenkov, en el panel izquierdo se muestra laemisión de los fotones por moléculas polares adyacentes a la partí-cula, en el panel derecho se muestran los fotones generados por lasuma de la emisiones esféricas y panel inferior se muestra el cálculotrigonométrico del ángulo Cherenkov. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.1. Recubrimiento externo del tanque Cherenkov de CONIDA. . . . . . 174.2. Esquema del funcionamiento de un tubo fotomultiplicador. La luz
incide en el fotocátodo (k) que es el encargado de convertir el flujoluminoso en flujo de electrones (e−) y así iniciar las cascada deelectrones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.3. Eficiencia cuántica del fotocátodo para tres tipos de materiales di-ferentes (Bialkali, S20 y S11) en función de la longitud de ondaincidente al fotocátodo. La serie 9530A es de tipo S11 (SbCs), quetiene un rango de longitud de onda de (320-650 nm). La radiaciónCherenkov en agua alcanza un rango de 350-540 nm (J C Barton,2011; Hamamatsu, P., 2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.4. Divisor de voltaje basado en resistencias y condensadores, mostradoel sentido de las corrientes Ib e Ip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
x
Índice de figuras xi
4.5. Comportamiento típico de un tubo fotomultiplicador: la linealidadideal en la salida se muestra en líneas punteadas y el comportamien-to típico en la línea continua. La linealidad se pierde en la región By el detector se satura en la región C (Hamamatsu, P., 2006). . . . . 23
4.6. Esquema de un circuito de divisor de voltaje con condensadores enserie en este caso C1, C2 y C3 entre las últimas etapas de dínodo yánodo. Estés condensadores de desacople frenan la caída de voltaje,cuando un pulso de luz llega al fotocátodo. . . . . . . . . . . . . . . 25
4.7. Circuito de divisor de voltaje mostrando la relación de distribuciónvoltaje para las 5 etapas entre cada dínodo. . . . . . . . . . . . . . 27
4.8. Variante de un circuito de divisor de voltaje mostrado en la Figura4.7, la distribución de voltaje en las primeras etapas afectan la li-nealidad de salida. En este caso del cátodo del tubo fotomultiplicador. 28
4.9. Salida de la señal de un tubo fotomultiplicador de un circuito dedivisor de voltaje con aterramiento al cátodo y operación en modopulso. Uno de los métodos de conexión a utilizar. . . . . . . . . . . 31
4.10. La salida de la señal y variación de la línea de base, cuando el pulsoaumenta, la línea base no volverá al nivel verdadero que es cero . . 33
4.11. Circuito esquemático del divisor de voltaje positivo. . . . . . . . . . 344.12. Ambas caras del divisor de voltaje construido en CONIDA. . . . . . 35
5.1. Componentes básicos de una fuente de alto voltaje. . . . . . . . . . 375.2. Diagrama de control de fuente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.3. Amplificador operacional y la red de divisor de alto voltaje. . . . . . 445.4. Fuente de alto voltaje positiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.5. Fuente de alto voltaje que muestra los dos lados de la capa ensam-
blada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.6. Banco de prueba. Equipos utilizados: fuente de alto voltaje desa-
rrollado en CONIDA, fuente de alimentación de 12 V, divisor devoltaje, osciloscopio de 2 canales de adquisición . . . . . . . . . . . . 47
5.7. Circuito utilizado para medir la salida del alto voltaje. . . . . . . . 47
6.1. Potencia de entrada de la fuente en función de la frecuencia deswitcheo de la fuente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2. Voltaje de salida en función del tiempo. . . . . . . . . . . . . . . . . 506.3. Comportamiento de voltaje de rizo (VPP ) de la fuente de alto voltaje
en función del tiempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516.4. Curva Plateau del tanque Cherenkov. De esta manera se determinó
la región de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526.5. Flujo de muones a diferentes valores de voltaje en función de la
carga del detector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536.6. Relación del flujo de rayos cósmicos respecto al pico medido en 87.5
mV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Índice de figuras xii
6.7. Relación del flujo de rayos cósmicos respecto a la carga. La salidade la señal de los dos tanques Cherenkov en modo telescopio. Lacurva de color verde representa la señal del tanque 1 y la curva decolor anaranjado representa la señal del tanque 2, ambos medidosa 1500 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Capítulo 1
Introducción
En el año 1912 el Físico Austriaco Víctor Hess descubrió que la cantidad de ra-
diación ionizante presentes en la atmósfera aumentaba con la altura. Esto implica
que la Tierra está siendo bombardeada constantemente por partículas de origen
extraterrestre. A esta radiación ionizante se la denominó inicialmente radiación
cósmica, posteriormente confirmado por Kolhrster en el año 1913. Robert Andrew
Millikan, en 1925 la denominó Rayos Cósmicos, desde ese entonces el estudio de
estas partículas se ha convertido en un tema principal de investigación. Los rayos
cósmicos son partículas cargadas, principalmente núcleos atómicos de origen ex-
traterrestre que viajan a través del espacio interestelar. Algunas de estas partículas
colisionan con la atmósfera terrestre generado lluvias de partículas extendidas (las
partículas de los rayos cósmicos secundarios). La energía cinética de estas partícu-
las recorre varios órdenes de magnitud, desde los 109 eV hasta 1020 eV. La mayor
parte de estos rayos cósmicos son de origen extra-solar, dentro de nuestra galaxia,
provenientes de fuentes como estrellas de neutrones, supernovas y galaxias núcleos
activos. Sin embargo, los rayos cósmicos de muy altas energías, se supone que son
de origen extra galáctico.
1
Capítulo 2
Radiación cósmica de alta energía
2.1. Rayos Cósmicos
La Tierra es alcanzada constantemente por partículas cósmicas
denominadas rayos cósmicos. Cada segundo miles de partículas de alta energía
(109 eV - 1020eV) golpean cada metro cuadrado de las capas superiores de la
atmósfera, estas partículas son los rayos cósmicos primarios que provienen del
espacio exterior. Los primeros indicios de su existencia datan del año 1912.
Víctor Hess, realizando viajes en globos, utilizó un electroscopio para medir el
grado de ionización en función de la altitud encontrando sorpresiva-mente que la
ionización aumentaba con la altura, lo cual implica que las partículas ionizantes
provienen del espacio exterior y no del interior de la Tierra. Víctor Hess llamó a
este fenómeno Radiación Ionizante, posteriormente fue denominado Rayos
Cósmicos (RC) por Millikan.
2.2. Espectro de Rayos Cósmicos
O flujo de los Rayos cósmicos es determinado por varios experimentos
de manera directa e indirecta.
2
Radiación cósmica de alta energía 3
El flujo total puede ser descrito aproximadamente por una ley de potencia
dN
dE= E−γ (2.1)
donde N indica el numero de partículas, E el espectro de energía o energía total y
γ índice espectral. Dicho espectro presenta dos cambios importantes en la ley de
potencia denominados la rodilla y el tobillo como se muestra en la Figura 2.1. La
rodilla (Knee), situada aproximadamente a unos 1015 eV, a partir del cual el flujo
decrece mas rápido, de γ = −2,7 a γ = −3,0, a partir de este cambio se puede
decir que los rayos cósmicos se originan en supernovas y en sus remanentes. Se
ha sugerido que sería necesario disponer mecanismos de aceleración galácticos
mas energéticos que los remanentes de supernovas para explicar el cambio del
espectro. Luego el espectro vuelve aplanarse recuperando el valor de −2,7, llega
formando el tobillo con una energía de unos 1018 eV. El tobillo (Ankle) podría
ser el punto de transición entre los Rayos Cósmicos Galácticos (RCG) y los
extra-galácticos, el resultado de la creación de pares debido a la propagación de
protones en el medio intergaláctico o el resultado de la propagación difusiva de
núcleos extra-galácticos a través de los campos magnéticos cosmológicos.
2.3. Origen de los rayos cósmicos de altas energías
El origen de las partículas cósmicas se debe a diversos procesos físicos
que suceden en el universo. La mayoría de estos procesos se caracterizan por
enormes emisiones de energía con que se lanzan al espacio, distintas clases de
partículas como núcleos atómicos, fotones y neutrinos; estos procesos se pueden
generar tanto en el interior o exterior en nuestra galaxia. Estos mecanismos de
producción de rayos cósmicos generan un flujo de partículas que llegan a la
Tierra.
Radiación cósmica de alta energía 4
Figura 2.1: Flujo de los Rayos Cósmicos en función de la Energía. Las inter-acciones de los RC es observada con satélites y globos en el espacio de formadirecta e partículas o RC observadas con detectores de superficie es detectadade forma indirecta, además la gráfica muestra los cambios en el espectro (rodilla
y tobillo. Modificado de Stanev (2010).
2.3.1. Mecanismos de aceleración y decaimiento
Se puede distinguir dos tipos de mecanismos convencionales para que
las partículas alcancen altas energías.
Radiación cósmica de alta energía 5
Modo Directo (Descendente): Estos decaimientos se dan en campos eléc-
tricos muy intensos que podrían existir en objetos muy compactos tales como
estrellas de neutrones altamente magnetizados o anillos de materia que ro-
dean a los agujeros negros.
Modo Estocástico (Ascendente): Se da en nubes de plasma magnetizado,
generalmente casi en todo los sistemas donde se generan ondas de choque
(supernovas o manchas calientes en radio galaxias). Este modo también es
denominado mecanismo de aceleración de Fermi. Los principales procesos
y/o objetos astrofísicos más probables a ser fuentes de este tipo de radiación
son los Núcleos activos (AGN), Supernovas, Gamma Ray Bursts (GRB) y
Pulsares.
Para una descripción mas detallada de estos mecanismos consultar los auto-
res Kibble (1976); Gaisser (1990); Stanev (2004).
2.4. Propagación de Rayos Cósmicos
Los RC en su propagación por el espacio sufren interacciones con los
campos magnéticos. El campo magnético variable del Sol, arrastrado por el
viento solar, dificulta la propagación de los RC al travesar la Heliósfera
(Mendonça, R. R. S., 2011).
La composición y abundancia química de los rayos cósmicos proporciona
información importante acerca de su origen y de los procesos de propagación
desde las fuentes a la superficie terrestre. La composición se conoce relativamente
bien hasta una energía del orden de 1 TeV, aunque no su dependencia temporal.
La comparación entre la distribución de las abundancias relativas de los
diferentes elementos en los rayos cósmicos y en el sistema solar revela que no son
tan distintas, Figura 2.2. Muestra picos correspondientes al carbono, nitrógeno,
oxígeno y grupo del hierro, lo que podría indicar que las partículas que forman
los rayos cósmicos han sido aceleradas a partir de material con parecida
composición química y abundancias a las que hay en el sistema solar.
Radiación cósmica de alta energía 6
Figura 2.2: Comparación de las abundancias de los rayos cósmicos (curva azul)con las abundancias de diferentes elementos en el Sistema Solar (barras rojas).En los rayos cósmicos producidos en el sistema solar hay menos presencia deelementos como Litio, Berilio, Escandio. Cuando un observador se encuentra enel medio interestelar y mide las abundancias relativas de los RC, no miden estasabundancias en el origen si no las interacciones de los rayos cósmicos con el
medio interestelar y los decaimientos nucleares (Wiedenbeck et al., 2001).
2.5. Modulación solar de los rayos cósmicos galác-
ticos
Los rayos cósmicos galácticos (RCG) al atravesar la heliósfera e
interactuar con los campos magnéticos variables en el medio, son sometidos a un
cambio en el flujo debido a la actividad solar.
2.6. Arribo de los rayos cósmicos a la Tierra
2.6.1. Magnetosfera Terrestre
Es una región alrededor del planeta, en el que el campo magnético de
este desvía la mayor parte del viento solar, formando un escudo protector que
Radiación cósmica de alta energía 7
impide el paso de muchas partículas cargadas de alta energía procedentes del Sol.
La magnetosfera forma parte de la exosfera o el límite difuso entre la atmósfera y
el espacio interplanetario. La magnetosfera interacciona con el viento solar en
una región denominada magneto-pausa (frontera entre el campo magnético y el
viento solar) que se encuentra a unos 60 000 km (≈ 10 radios terrestres) de la
Tierra en la dirección Tierra - Sol y en la dirección contraria la magnetosfera se
extiende con el viento solar formando una larga cola donde ocurren los procesos
de plasma significativos para las regiones del geo-espacio.
2.6.2. Anomalía del Atlántico Sur
La anomalía magnética del Atlántico sur (AMAS) es un sumidero de
partículas cargadas que se encuentran atrapadas por el campo geomagnético. La
precipitación de estas partículas se da sobre las regiones D y E de la ionosfera
debido a la compresión de la magnetosfera, por la alta densidad de radiación que
interactúa con esta región (alto flujo de partículas). El flujo de partículas es tan
alto en esta región que a menudo los detectores de los satélites se deben apagar
(o al menos colocarlos en modo seguro) para protegerlos de la radiación.
2.7. Cascadas atmosféricas de partículas
2.7.1. Fenomenología Básica
Los RC de alta energía se producen en el espacio exterior y a su vez
interactúan con la radiación de fondo, perdiendo así energía en su propagación,
algunas partículas terminan de dispersar sus restos de energía en la atmósfera
terrestre. Al interactuar estas partículas primarias con las moléculas de aire
presentes en la atmósfera generan otros tipos de partículas que a su vez
interactúan con el aire o se desintegran a su paso, generando así una cascada de
partículas (Rayos Cósmicos Secundarios). La evolución de las cascadas depende
Radiación cósmica de alta energía 8
de las características de las partículas primarias, si tienen energías del orden de
1015 eV al llegar a la atmósfera (colisionando con nucleones o núcleos que la
componen) producen cascadas de partículas que se pueden estudiar desde Tierra
y se dividen en 3 componentes: hadrónica, muónica y electromagnética, ver
Figura 2.3.
Figura 2.3: Diagrama de los procesos principales de una cascada o chubascos.
Cascada Hadrónica
Son partículas compuestas por núcleos atómicos y neutrones que interaccio-
nan en la atmósfera. En esta interacción se generan piones cargados, neutros,
etc.
Radiación cósmica de alta energía 9
Cascada Muónica
Los muones son generados de los decaimientos leptónicos de piones cargados,
π±, creados en su gran mayoría durante las primeras interacciones hadrónicas
de los rayos cósmicos en la atmósfera.
Cascada Electromagnética
La cascada electromagnética está compuesta por fotones, electrones e−, po-
sitrones e+ y es iniciada por decaimientos de mesones, principalmente π0.
Los procesos de interacción de partículas continuamente transfieren energía
de la componente hadrónica a la componente electromagnética y estas se
presentan en mayor cantidad al final del chubasco.
2.8. La Atmósfera Terrestre
Es la capa gaseosa que recubre nuestro planeta, esta formada por una
mezcla de gases denominada aire (oxígeno y nitrógeno principalmente). Es el
medio en el cual se propaga una partícula y determinan la intensidad medida en
el suelo de las interacciones que ésta sufrirá en ese medio, por lo tanto para hacer
una buena descripción de las cascadas es necesario conocer las características
principales de la atmósfera como son la composición química, temperatura,
ionización y densidad. Las cascadas a su vez están afectadas por el cambio en las
condiciones meteorológicas. Su masa atmosférica o la densidad atmosférica no es
constante sino que tiene una distribución vertical, encontrando un 90%
acumulada en los primeros 18 km de altitud y 1% a partir de los 32 km de
altitud. Usando diferentes variables de estado como presión y temperatura
podemos describir la atmósfera. Una de estás, es la temperatura, que nos da una
medida de la energía cinética de las moléculas, como:
La cantidad de calor que depende de la posición del sol y de la cantidad de
nubes
El intercambio vertical entre la superficie de la Tierra y la atmósfera
Radiación cósmica de alta energía 10
El transporte horizontal de calor por el movimiento del aire
El tipo de superficie de la tierra (nieve, agua, bosque, desierto,etc)
Altitud
Los vientos
Topografía influencia en la variabilidad en la temperatura.
2.8.1. Estructura Vertical de la Atmósfera
La estructura vertical se divide en varias regiones las cuales dependen
de la variación de la temperatura y la composición química. Hasta los 80 km de
altura encontramos la homósfera (región de la atmósfera clasificada por su
composición) donde la masa molecular es prácticamente constante. La atmósfera
terrestre puede ser clasificada de acuerdo con la variación vertical de su
temperatura, composición, estado de mezcla y ionización. En la Figura 2.4 se
muestran los parámetros utilizados en la clasificación de las regiones
atmosféricas, aproximadamente de 0 - 1000 km de altitud.
Troposfera
Capa donde se producen los fenómenos meteorológicos, aquí se producen las
condiciones climáticas (nubes, precipitación, tormenta eléctrica, etc.).
Estratosfera
Está capa va de los 11 a 50 km de altitud, contiene varias capas a distintas
temperaturas de las cuales una de ellas es rica en ozono. La temperatura se
mantiene constante a 20 - 25 km de altitud y también es la capa donde se
produce absorción de rayos ultravioleta.
Mesosfera
Está capa va de los 50 a 80 km de altitud, se caracteriza por disminución de
la temperatura con la altitud.
Radiación cósmica de alta energía 11
Figura 2.4: Clasificación del perfil vertical de la atmósfera según su tempe-ratura, composición, estado de mezcla y ionización. Modificado de Hargreaves
(1992).
2.8.2. Profundidad Atmosférica
El parámetro principal necesario para describir las interacciones en la
atmósfera es la cantidad de materia por encima de cualquier capa de la
atmósfera, en la que la partícula primaria interactúa. Para la descripción de la
cascada de partículas en la atmósfera, la unidad de longitud que se usa en lugar
de la altura geométrica, es la denominada profundidad atmosférica, medida en g
cm−2. La profundidad atmosférica se define como la integral de la densidad
atmosférica en función de altitud (h). La profundidad atmosférica vertical se
define como:
X =
∫ h1
0
ρ(h) · dh (2.2)
Donde ρ es el perfil vertical densidad atmosférica, h es la altitud y h1 es el li-
mite de integración es importante para los cálculos en cascadas, ya que e ésta
determina la relación entre las interacciones de partículas y su decaimientos. La
El detector de superficie 12
presión atmosférica es equivalente a X y la densidad en la atmósfera es proporcio-
nal a la temperatura. Si la temperatura fuera constante, la relación entre altura y
profundidad se simplifica en:
X = X0 · exp(−h/h0) (2.3)
Donde la profundidad atmosférica a nivel del mar es X0 = 1.030 g cm−2 y h0
es la escala de altura de la atmósfera. Esto es cierto para el gas ideal perfecto
homogéneo en equilibrio hidrostático y térmico.
Los rayos cósmicos de ultra alta energía aún son enigma para los investigadores.
El estudio de los rayos cósmicos (partículas de alta energía) es de suma importan-
cia porque hasta la actualidad origen, su mecanismo de aceleración y naturaleza
son desconocidos para mas detalles ver Pérez and Yunior (2009). También cabe
resaltar que el estudio detallado de la cascada permite determinar la energía de
las partículas primarias, momento transversal, entre otros parámetros de interés
para la física de partículas.
Capítulo 3
Detector de Superficie (SD)
3.1. Efecto Cherenkov
Este efecto es producido por partículas cargadas que se mueven a través
de un medio dieléctrico como el agua, con una velocidad mayor que la velocidad
de la luz en el mismo medio, generando un frente de onda originados por la
polarización y despolarización de moléculas del material dieléctrico adyacente a
la partícula cargada (ver Figura 3.1). La condición para que estos frentes de onda
sea observados es que estos deben estar en fase con los fotones emitidos por el
paso de la partícula, es decir, el tiempo que tarda un fotón emitido en recorrer
una distancia r es el mismo tiempo que debe de recorrer la partícula a cierta
distancia S, para ello S > r.
3.2. Descripción Detector Cherenkov de Agua
Un detector Cherenkov de agua (WCD) es un dispositivo formado por
un tanque cilíndrico que contiene agua pura, un tubo foto-multiplicador en la
parte superior del tanque para detectar los fotones generados por partículas que
viajan a través del agua como: electrones, muones, además es posible detectar
13
El detector de superficie 14
Figura 3.1: Proceso del efecto Cherenkov, en el panel izquierdo se muestra laemisión de los fotones por moléculas polares adyacentes a la partícula, en el panelderecho se muestran los fotones generados por la suma de la emisiones esféricasy panel inferior se muestra el cálculo trigonométrico del ángulo Cherenkov.
gammas(fotones) producidos por decaimiento de partículas en e+, e− debido al
efecto Compton. Este detector esta cubierto por la parte externa con varías
capas de polietileno que actúa como una barrera a la luz externa y por la parte
interna esta recubierto con un material reflectivo llamado banner. Las partículas
cargadas que atraviesan el detector generan radiación Cherenkov debido a la
interacción con el agua. Así, es posible detectar partículas secundarias que
atraviesan el medio del tanque provenientes de cascadas generadas por partículas
primarias en la atmósfera.
3.2.1. Ventajas de usar detectores Cherenkov de agua
Se han seleccionado los detectores Cherenkov de agua en lugar de
detectores de centelleo, porque detecta 10 veces más partículas que estos (los
Instrumentación 15
centelladores no detectan rayos gamma) y además estos detectores pueden
trabajar por mucho tiempo con alta estabilidad, bajo mantenimiento, son
económicos y fáciles de calibrar.
3.2.2. Calibración del conteo de muones de fondo
La calibración adoptada es el VEM (Vertical Equivalent Muon), que
es la unidad para medir la señal de los tanques, definido como la carga promedio
medido en el PMT de un tanque cuando es atravesado por un solo muón
incidente en forma vertical. Esta señal depende de diversos parámetros asociados
a la producción de luz Cherenkov dentro del agua y a la adquisición. Entre estos
factores tenemos:
Calidad de agua
Dimensión del detector
Reflectividad del recubrimiento externo
Ganancia de los PMTs, el acople óptico entre estos y el agua, el manejo de
las señales por la electrónica del detector.
Capítulo 4
Instrumentación
4.1. Tanque Cherenkov de CONIDA
El detector de agua Cherenkov consta de un tanque de plástico
cilíndrico de 60 cm de altura, 60 cm de radio y de 600 litros de capacidad
aproximadamente. La parte interna esta recubierta con un material reflector
llamado banner y la parte externa por varias capas de polietileno, que actúan
como barrera previniendo el ingreso de la luz externa. El agua que contiene el
detector es agua filtrada, de lo contrario la eficiencia de detector disminuye.
Finalmente, en la parte superior del tanque se encuentra acoplado un tubo
foto-multiplicador (PMT). Se debe tener un cuidado especial para evitar la
entrada de luz exterior al interior del tanque, ya que esto afecta la señal
producida por el PMT.
El proceso involucrado en la detección de los cascadas atmosféricas de partícu-
las puede ser descrito de manera sucinta como: cuando un rayo cósmico de alta
energía colisiona con nuestra atmósfera generando una cascada de partículas se-
cundarias debido a la interacción producida por el rayo cósmico en la atmósfera.
Si la partícula primaria posee la energía suficiente, las partículas generadas en la
cascada alcanzan el nivel de detección y estas partículas secundarias interaccionan
16
Instrumentación 17
Figura 4.1: Recubrimiento externo del tanque Cherenkov de CONIDA.
con el agua del detector produciendo fotones Cherenkov, algunos de los cuales son
detectados por el PMT produciendo una señal eléctrica.
Esta señal posee información acerca de la energía depositada por la partícula en
el agua del tanque y los datos son enviados a una PC.
4.2. Divisor de voltaje para el tubo foto-multiplicador
de CONIDA
4.2.1. Tubo foto-multiplicador EMI-9530
El tubo foto-multiplicador modelo EMI 9530 (B15B) es un tubo
transductor de vidrio vacío sensible a la luz, que contiene: un foto-cátodo, varios
dínodos y un ánodo. El funcionamiento del tubo foto-multiplicador se basa en el
efecto fotoeléctrico cuando un fotón llega al fotocátodo provoca una emisión de
electrones primarios (foto-electrones) que son acelerados hasta llegar al primer
Instrumentación 18
dínodo, al incidir en el, cada foto-electrón origina la emisión de varios electrones
secundarios, éstos a su vez son acelerados hasta llegar al dínodo siguiente y así
sucesivamente. Así es generada una cascada de electrones, por una diferencia de
potencial entre el cátodo, los dínodos y el ánodo. Este tubo foto-multiplicador
opera en un rango de longitud de onda de 320 a 650 nm, puede convertir un
fotón en una cascada de millones de electrones (ver Figura 4.2).
Figura 4.2: Esquema del funcionamiento de un tubo fotomultiplicador. La luzincide en el fotocátodo (k) que es el encargado de convertir el flujo luminoso en
flujo de electrones (e−) y así iniciar las cascada de electrones.
4.2.2. Características de los PMTs
Eficiencia cuántica del fotocátodo
Es la media entre el número de electrones emitidos y los fotones incidentes
al fotocátodo (Hamamatsu, P., 2006; Genolini et al., 2006; R Wardle, 2011).
Además depende del tipo de material del fotocátodo como se puede visualizar
en la Figura 4.3.
Ganancia (δ): Es la relación entre la corriente de electrones emitidos y la co-
rriente de electrones incidentes en cada dínodo. La corriente del fotoelectrón
es emitida desde el fotocátodo y golpea el primer dínodo donde electrones
secundarios (Id1) son liberados. Para el primer dínodo:
Instrumentación 19
Figura 4.3: Eficiencia cuántica del fotocátodo para tres tipos de materialesdiferentes (Bialkali, S20 y S11) en función de la longitud de onda incidente alfotocátodo. La serie 9530A es de tipo S11 (SbCs), que tiene un rango de longitudde onda de (320-650 nm). La radiación Cherenkov en agua alcanza un rango de
350-540 nm (J C Barton, 2011; Hamamatsu, P., 2006).
δn =Iδn
Id(n−1)
(4.1)
Estos electrones son multiplicados en la cascada de electrones, la corriente anódica
(Ip)
IP = IKαδ1 · δ2 · δ3 · · · δn (4.2)
La ganancia se determina principalmente por el valor de cada potencial entre
dínodos δ = aV K donde δ es la diferencia de potencial entre cada dínodo, a es una
constante yK varía desde 0.6 hasta -0,8 dependiendo de la estructura y material de
cada dínodo del PMT. La ganancia total (µ) esta dada por el producto individual
de la ganancia de cada dínodo: µ = δ1δ2δ3 · · · δn = δ = (aV K)n (Hamamatsu, P.,
2006; Genolini et al., 2009).
Instrumentación 20
4.2.3. Divisores de voltaje
Es un arreglo de componentes electrónicos utilizado para dividir un
voltaje de entrada (HV) generando diferencias de potencial constantes que se
aplican a cada dínodo. Existen varios tipos de divisor de voltaje, tales como
divisores de voltaje con condensadores y diodos zener, divisores de voltaje con
transistores (Hamamatsu, P., 2006). En nuestro caso trataremos solo de divisores
de voltaje basadas en resistencias en serie. El principio del diseño de base es la
misma para los diferentes tipos de PMT. El cambio más importante entre las
diferentes bases es la distribución de la tensión que se da al construirlo. Los
parámetros que determinan el diseño son la ganancia, linealidad de respuesta y
estabilidad de línea base durante la ocurrencia de grandes pulsos. El diseño se
basa sólo en resistencias y condensadores como se puede visualizar en la Figura
4.4. La distribución de la tensión en los electrodos del PMT es cónica (con
resistencias de valores mas grandes en las últimas etapas) con el fin de mejorar la
linealidad de la PMT.
Divisores de voltaje basado en resistencias
Un divisor de voltaje para fotomultiplicadores basado en resistencias consta
de dos o más resistencias en serie del orden de los 100 kΩ a 1 MΩ que son
conectadas entre el cátodo, cada dínodo y el ánodo con una fuente de alto
voltaje.
Corriente Ib
Es la corriente que fluye en el circuito divisor de voltaje (ver Figura 4.4) y
es llamada corriente del divisor, la linealidad de salida descrita más adelante
está relacionada con esta corriente. Ib es aproximadamente igual al voltaje
HV dividido entre la suma de las resistencias del divisor.
Ib ≈HV
(R1 +R2 +R3 · · · +R7)(4.3)
Instrumentación 21
Figura 4.4: Divisor de voltaje basado en resistencias y condensadores, mostradoel sentido de las corrientes Ib e Ip.
4.2.4. Funcionamiento del modo pulso
El funcionamiento del modo pulso se da cuando una fuente de luz
envía una señal pulsante al PMT, por ejemplo en el tanque Cherenkov las
partículas cargadas producen luz al atravesarlo, en promedio cada 1 segundo, la
duración del pulso es típicamente de 50 ns en el detector.
Vr7 = IbR7 (4.4)
Donde, Ib es la corriente que fluye por el divisor de voltaje, Vr7 es voltaje entre
dínodo 5 al ánodo y R7 es la resistencia de la ultima etapa del dínodo, ver Figura
4.4.
Cuando se genera un pulso de luz:
V pr7
= (Ib − Ip)R7 (4.5)
Donde Ip es la disminución de corriente a través de R7 cuando se genera un pulso,
esto implica que para mantener la linealidad, la variación de voltaje debe ser
pequeña (ver Figuras 4.5 y 4.4):
Instrumentación 22
Vr7 V pr7− Vr7 (4.6)
Rr7Ib −R7(Ib − Ip) R7Ib (4.7)
Ip Ib (4.8)
Donde, V pr7
es el voltaje cuando se genera el pulso en la resistencia R− 7.
4.3. Conexión a tierra del Ánodo y conexión a tie-
rra del Cátodo
Generalmente para circuitos divisores de voltaje se conecta el ánodo a
tierra y se aplica al cátodo un gran voltaje negativo. Este esquema elimina las
diferencias de potencial entre el circuito externo y el ánodo, facilitando la
conexión de circuitos como amperímetros y amplificadores operacionales de
conversión de corriente a voltaje. Sin embargo, en el tanque Cherenkov debido a
que el agua está en contacto con la cara del tubo fotomultiplicador puede
generarse un arco entre el cátodo y el agua (con potencial igual a tierra), en este
caso el cátodo es conectado a tierra y el ánodo a un alto voltaje positivo (Figura
4.4). En este esquema es conectado un condensador de acoplamiento CC para
separar el alto voltaje de la señal, pero es imposible observar una señal DC. Se
debe tener en cuenta en el conteo de rayos cósmicos detectados. Usando este
esquema la línea base puede incrementarse si el conteo de rayos cósmicos
aumenta demasiado o puede producirse una corriente de fuga en el condensador
de acoplamiento.
Instrumentación 23
4.4. Corriente y linealidad de salida
Cuando el nivel de luz incidente en el fotocátodo aumenta para
incrementar la corriente de salida (Ip), Figura 4.5, la relación entre el nivel de luz
incidente y la corriente del ánodo empieza a desviarse de una linealidad ideal. A
cierto nivel de corriente (región B en la curva de la Figura 4.5) eventualmente el
tubo fotomultiplicador es llevado a la saturación (región C en la curva de la
Figura 4.5).
Figura 4.5: Comportamiento típico de un tubo fotomultiplicador: la linealidadideal en la salida se muestra en líneas punteadas y el comportamiento típico enla línea continua. La linealidad se pierde en la región B y el detector se satura
en la región C (Hamamatsu, P., 2006).
Como se mencionó en la sección 4.2.4 cuando un tubo fotomultiplicador está ope-
rando en modo pulso la linealidad máxima de salida de corriente anódica (Ip) está
limitada a una fracción de la corriente del divisor (Ib). Para prevenir este proble-
ma, se conecta condensadores de desacople en las últimas etapas del divisor de
Instrumentación 24
voltaje (Figura 4.6). Estos condensadores proporcionan al tubo fotomultiplicador
carga eléctrica y frenan la caída de voltaje entre el último dínodo y el ánodo del
tubo fotomultiplicador cuando se generan los pulsos, obteniendo como resultado
una mejora en la linealidad. Si el ancho del pulso es suficientemente corta enton-
ces la duración del ciclo de trabajo de los condensadores es pequeña. Este método
permite obtener una corriente de salida lineal hasta alcanzar el nivel de saturación.
Para calcular los valores de los condensadores de desacople, es necesario conocer
el ancho del pulso, el voltaje pico y el valor de la resistencia de carga (RL), con
el fin de calcular la carga total generada por el pulso y colocar un condensador de
desacople capaz de proporcionar cien veces esta carga para lograr una linealidad
de salida mejor que el ± 3%, se utilizan las siguientes ecuaciones.
La ecuación para la carga es: V0 = Ip Re, Re cualquier resistencia; donde Re,
es la resistencia equivalente de RL y RS.
Q0 = TwV0RL
(4.9)
Donde el pico de voltaje de salida de pulsos es V0, el ancho del pulso es Tw, la
resistencia de carga es RL y salida de carga es Q0.
A continuación se calculan los valores de los condensadores de desacople C1, C2 y
C3 usando Q0. Si dejamos la carga Q3 almacenada a la carga en C3, para lograr
una buena linealidad de salida mayor que el 3% debe establecerse la siguiente
relación común Q = CV , donde C3, esta dada por la siguiente relación C3 ≥
100Q0
V3. Normalmente la relación entre emisión secundaria δ por etapas del tubo
fotomultiplicador es de 3 a 5 para un voltaje entre etapas de 100 V.
Sin embargo, considerando ocasiones en que el voltaje entre etapas se reducen a
unos 70-80V, las cargas en Q2, Q1 son almacenadas en los condensadores en C2 ,
C1, respectivamente, en ese caso se calculan asumiendo que δ entre cada dínodo
es 2, de la siguiente manera:
Instrumentación 25
Q2 =Q3
2, Q3 ≥ 100Q0 (4.10)
Q1 =Q2
2=Q3
4(4.11)
Entonces los valores de los condensadores de desacoplamiento C1 y C2 se pueden
obtener de la misma forma que en C3:
C2 =Q2
V2≥ Q0
V2, C1 ≥ 25
Q0
V1(4.12)
En algunos casos, los condensadores de desacople pueden ser conectados en las
etapas anteriores al dínodo D3, con la finalidad de obtener una salida de corriente
continua, utilizando los mismos cálculos.
Figura 4.6: Esquema de un circuito de divisor de voltaje con condensadores enserie en este caso C1, C2 y C3 entre las últimas etapas de dínodo y ánodo. Estéscondensadores de desacople frenan la caída de voltaje, cuando un pulso de luz
llega al fotocátodo.
Instrumentación 26
4.5. Distribución de voltaje en los circuitos de di-
visor de voltaje
4.5.1. Distribución voltaje en el ánodo y las últimas etapas
Una vez tomadas las medidas adecuadas para mejorar la linealidad de
salida del pulso, usando condensadores de desacople fijados en las últimas etapas
en los circuitos de divisor de voltaje, la saturación de la salida ocurrirá siempre y
cuando se incremente el nivel de luz incidente, mientras el voltaje entre las
etapas se mantiene estable (Hamamatsu, P., 2006) . La saturación es causado por
un aumento de la densidad de electrones entre los electrodos que a su vez
provoca efectos de carga espacial, los cuales perturban la corriente del electrón,
este nivel de corriente saturada varía dependiendo de la estructuras de los
electrodos, del ánodo de las últimas etapas del tubo fotomultiplicador también
del voltaje aplicado entre cada electrodo. Por esto se toma una medida correctiva
para reducir los efectos de carga espacial: el voltaje aplicado entre las últimas
etapas, donde la densidad de electrones se vuelve alta, debe ser un valor mayor al
valor del voltaje de distribución estándar, de modo que el gradiente de voltaje
entre los dínodos sea mejorado. Para este propósito el circuito de divisor de
voltaje cónico es empleado frecuentemente. El voltaje incrementa en las últimas
etapas ver Figura (4.7). Sin embargo, se debe tomar suficiente cuidado con la
capacidad de tolerancia de voltaje entre los electrodos.
4.5.2. Distribución de voltaje en el cátodo y las primeras
etapas
Por otro lado, en la distribución de voltaje entre el cátodo, el
electrodo de enfoque y el primer dínodo tiene influencia en la eficiencia de
recolección del fotoelectrón y los factores en la determinación de relación de
salida de señal-ruido y la dispersión del ancho de pulso. Por tanto, su
Instrumentación 27
Figura 4.7: Circuito de divisor de voltaje mostrando la relación de distribuciónvoltaje para las 5 etapas entre cada dínodo.
configuración requiere la atención necesaria al igual que en el caso de las últimas
etapas. En general la relación de distribución de voltaje para las ultimas etapas
son determinados teniendo en cuenta la eficiencia de recolección de electrones, las
propiedades de tiempo y de la relación señal-ruido. Se debe tomar en cuenta que
estas distribuciones ya son seleccionadas y recomendadas en base al voltaje de
alimentación y son medidas necesarias correctivas en los casos donde el voltaje de
alimentación se reduce a menos de la mitad del voltaje recomendado.
En cuanto a los valores de las resistencias utilizadas en el circuito de divisor de
voltaje, básicamente esto debería ser seleccionado tomando en cuenta la fuente
de alto voltaje y el nivel de corriente necesario para la adecuada linealidad de
salida. Debe ser señalado que si los valores de resistencias son pequeños, el
resultado de generación de calor disipado puede causar varios problemas. Como
un incremento en la corriente oscura, aumento de flujo de calor en la salida y
falta de capacidad de la fuente de poder. Para que no ocurra lo mencionado no
debe permitirse un flujo excesivo de corriente.
Instrumentación 28
Figura 4.8: Variante de un circuito de divisor de voltaje mostrado en la Figura4.7, la distribución de voltaje en las primeras etapas afectan la linealidad de
salida. En este caso del cátodo del tubo fotomultiplicador.
4.6. Precauciones en la fabricación de un circuito
divisor de voltaje
Esta sección describe las precauciones a tomar para la fabricación de un
circuito de divisor de voltaje.
4.6.1. Selección de las partes utilizadas para un circuito di-
visor de voltaje
Dado que el circuito divisor de voltaje tiene una influencia directa
sobre el funcionamiento del tubo fotomultiplicador, se debe tomar en cuenta las
precauciones necesarias en la selección de los partes.
Resistencias: Se debe mantener el voltaje entre etapas para mantener la
linealidad, para esto la relación entre las resistencias debe mantenerse a pesar
de posibles cambios de temperatura. Para lograr esto se deben seleccionar
resistencias que tengan el mismo coeficiente de temperatura es decir: Sea RK
la K ésima resistencia del divisor y la corrección debido a la temperatura
desaparece.
Instrumentación 29
VK(T ) =V R(T )kRTotal
=V R0(1 + aT )
RTotal
(4.13)
Donde, T es la temperatura, VK voltaje késimo, R es la resistencia y a es la
constante
RTotal(T ) = R0Total(1 + aT ) (4.14)
Se recomienda utilizar resistencias con una potencia suficiente y resistencia
dieléctrica, por ejemplo, al menos 1.7 veces y 1.5 veces más de lo necesario.
Para la resistencia de amortiguación y la carga, utilice resistencias de tipo
no inductivo diseñadas para alta frecuencia.
El valor de la resistencia por etapa típicamente a partir de 100 kΩ a 1 MΩ.
Para una resistencia de amortiguación y resistencia de carga se usa resisten-
cias de tipo no inductivo diseñadas para una operación en alta frecuencia.
Condensador de Desacoplamiento (Cd): Los condensadores de desaco-
plamiento están conectados entre los dínodos. Se usa condensadores cerá-
micos con impedancia suficientemente alta en un rango alta frecuencia y
resistencia dieléctrica adecuada al menos de 1.5 veces mayor que el volta-
je máxima aplicada entre dínodos. Para eliminar el ruido procedente de la
fuente de alimentación conectada al terminal de entrada de alto voltaje de
un tubo de fotomultiplicador, se utilizó un condensador cerámico que tenía
alta impedancia para frecuencias altas y resistencia dieléctrica.
Condensador de Acoplamiento (CC): Estés condensadores separa la se-
ñal de un alto voltaje positivo entre el ánodo y cátodo que es conectado a
tierra, en cualquier circuito de de divisor de voltaje. Para el buen funciona-
miento del divisor de Voltaje se debe utilizar condensadores cerámicos que
tienen corriente de fuga mínima (que también puede ser un fuente de ruido),
alta en frecuencia y suficiente resistencia dieléctrica.
Placas de circuito impreso para los circuitos de divisor de voltaje:
Cuando un circuito divisor de voltaje está ensamblado sobre una placa del
Instrumentación 30
circuito impreso y no en el socket del tubo fotomultiplicador, se debe utilizar
una placa de buena calidad hecha de vidrio epoxi o materiales similares, que
presenten bajas corrientes de fuga, incluso a un alto voltaje. Si ambos lados
de la placa de circuito impreso son utilizados para el montaje, seleccione una
tarjeta con un espesor suficiente. En un tarjeta de fibra de vidrio epoxi, el
espacio para el cableado entre los patrones necesarios para mantener una
diferencia de potencial de 1 kV es típicamente de 1 mm o más.
Cables: Para los circuitos de alta tensión, se debe utilizar cables de teflón o
silicona que puede resistir un alto voltaje, usar cable coaxial, como el RG-50.
En cualquier caso, tener suficiente cuidado con lo que se refiere a la resistencia
dieléctrica de los cables o hilos conductores. Para las líneas de salida de la
señal los circuitos de alta velocidad, en particular, un cable coaxial de 50
Ω es comúnmente usado para la adaptación de buena impedancia con el
equipo de medición. Sin embargo, la señal de corriente no es muy baja y la
longitud del cable no es mayor de 20 cm. Usar cables normales no crea ningún
problema, siempre y cuando una fuente de ruido no se encuentre cerca del
tubo fotomultiplicador. Cables normales pueden ser usados para conexión
puesta a tierra. Pero, si existe la posibilidad de que el cable puesta a tierra
haga contacto con el alto voltaje o con los pines del socket de la entrada del
fotomultiplicador, para eso utilice un cable que soporte un alto voltaje.
4.6.2. Conexión a un circuito externo
Como ya se mencionó en la sección 4.3, se utilizará el sistema de
aterramiento del cátodo que permite la operación de modo pulso donde se debe
usar un condensador de acople para separar el alto voltaje aplicado al ánodo,
como se muestra en la Figura 4.9 de manera que sólo la operación de modo pulso
sea factible. Sin embargo, esto elimina los componentes DC en el esquema
producida por factores tales como fondo luz lo que es adecuado para la operación
en pulso.
Instrumentación 31
Figura 4.9: Salida de la señal de un tubo fotomultiplicador de un circuito dedivisor de voltaje con aterramiento al cátodo y operación en modo pulso. Uno
de los métodos de conexión a utilizar.
Cabe señalar que al realizar el cableado de la salida del tubo fotomultiplicador
a un circuito amplificador, el circuito amplificador debe estar conectado antes de
encender la fuente de alimentación de alto voltaje. Cuando se aplica un alto voltaje
al circuito del divisor de voltaje, incluso en un estado de oscuridad, la corriente
oscura crea una posible carga en el ánodo.
4.6.3. Forma de la onda de salida
Cuando un tubo fotomultiplicador está en funcionamiento, el ancho
pulso de salida del ánodo PW es suficientemente más corta que la constante de
tiempo CxR (R es la resistencia en paralelo de Ra y RL), la impedancia del
condensador de acople puede ser ignorada así como la corriente del pulso de la
señal divide el flujo entre el RL y Ra (ver Figura 4.10). En este caso, la forma
onda de la entrada es transmitida de la forma de onda de la salida sin
distorsionar-se, sin importar el valor de la capacitancia del condensador de
acoplamiento. Sin embargo, si PW está cerca de CR, la salida tendrá una forma
de onda diferencial. Debido a que el condensador de acoplamiento se utiliza entre
el circuito divisor de voltaje y el circuito del amplificador, PW debe ser al menos
varias decenas de veces más corto que CR, para que la onda de la salida tenga
buen ajuste a la forma de onda de entrada. Cuando se utiliza una resistencia de
50Ω para Ra, esto para optimizar la operación de respuesta rápida, la constante
de tiempo CR se hace pequeña, por lo que se debe tener cuidado en este punto.
Instrumentación 32
En el caso de aplicaciones de baja frecuencia, la impedancia del condensador de
acoplamiento no puede ser ignorada.
Así su impedancia ZC = 12πfc
y la de salida de la señal decaen en 3 dB (≈ a 7/10
de la altura del pulso) a una frecuencia.
f =1
2πCRL
(4.15)
Donde f es la frecuencia, C es condensador de acoplamiento y RL es la resistencia
en serie.
4.6.4. Cambio de la línea de base
Como se mencionó anteriormente, la cantidad de la señal que pasa a
través del condensador de acoplamiento se almacena como una carga
correspondiente en el condensador. Esta carga almacenada Q genera un voltaje
de E0 = Q/C a través de ambos lados del condensador en el sentido inverso de la
señal. Este voltaje E0 atenúa por un factor de V = E0e−t/RC relacionado con la
constante de tiempo CR, que está determinada por la capacitancia C y la
resistencia en serie R valor de Ra y RL. El voltaje inducido en el condensador es
dividida por Ra y RL, y el voltaje de salida Va es dado por la siguiente ecuación:
Va = E0e−t/RC Ra
Ra +RL
(4.16)
En este caso, si la señal de repetición de pulso aumenta, la línea de base varía y ya
no esta sobre el verdadero nivel que es cero, como se puede apreciar en la Figura
4.10. Esto se conoce como cambio de línea de base, y pueden ser minimizados
mediante la reducción del tiempo constante CxR. Dado que la salida de un tubo
fotomultiplicador se ve como una fuente de corriente, la reducción del valor del
condensador aumenta en E0 en tiempo inicial, pero acorta el tiempo de descarga.
La disminución del valor de la resistencia también acorta el tiempo de descarga,
Instrumentación 33
pero esto es acompañado por una disminución en el voltaje de la señal, causando
un problema con la relación señal-ruido. Por el contrario, el aumento del valor
de la resistencia produce una mayor producción y los resultados mejoran en la
relación señal-ruido, pero un cambio de línea de base tiende a ocurrir debido a la
constante.
Figura 4.10: La salida de la señal y variación de la línea de base, cuando elpulso aumenta, la línea base no volverá al nivel verdadero que es cero
Si Ra es grande, se reduce el potencial del ánodo, por lo que hay que tener cuidado
cuando la corriente es excesiva incluidos los flujos de corriente continua.
Eventualmente, cuando la cantidad de carga almacenada en el condensador (región
A de la curva en la Figura 4.10) se descarga en un período de tiempo (región a de
la curva en la Figura 4.10), una parte del área A es igual a una parte a, indepen-
dientemente de la constante de tiempo de descarga. En general, la constante de
tiempo del circuito es más larga que el ancho de pulso de la señal, por lo que este
tiempo de descarga tendrá un efecto menor sobre la altura del pulso. Sin embargo,
cuando la velocidad de repetición del pulso de señal es extremadamente alta o la
información exacta sobre la altura del pulso de salida es necesaria, el tiempo de
descarga no puede ser descuidado. Si ocurre un cambio de línea de base, la señal
que se observa es aparentemente más bajo. Por lo tanto, al diseñar el circuito, se
deben seleccionar los valores óptimos de la resistencia y del condensador para que
la altura del pulso de salida no muestre fluctuaciones incluso si la tasa de repeti-
ción de la señal aumenta. Además, cuando varios pulsos entran en el sistema de
medición incluyendo un amplificador, estos pulsos se suman para crear un pulso
mayor, y se produce el problema llamado pile-up. Como consecuencia de ello, al-
gunas aplicaciones utilizan un discriminador de altura de pulsos para discernir la
Fuente de alto voltaje 34
altura de pulsos individuales y en este caso debe tenerse en cuenta la resolución
temporal del dispositivo de medición.
4.7. Implementación del Divisor de Voltaje
El divisor de Voltaje basado en resistencias y condensadores es diseñado
y construido en la dirección de de Astrofísica-Agencia espacial del Perú. El
diseño se hizo considerando las precauciones necesarias mencionadas en la
sección 4.6. Los componentes utilizados son de bajo costo y fácil de adquisición,
este divisor de voltaje está diseñado para operar el tubo fotomultiplicador
EMI-9530A. La Figura 4.11 muestra el circuito esquemático del divisor de voltaje
mientras que la Figura 4.12 muestra la foto del diseño de la placa antes y
después del ensamblado.
Figura 4.11: Circuito esquemático del divisor de voltaje positivo.
Capítulo 5
Fuente de Alto Voltaje
Para construir la fuente de alimentación de alto voltaje se utiliza transistores
de conmutación de respuesta rápida en transformadores de alta frecuencia y al-
ta tensión, que a su vez alimentan diodos rectificadores con filtros capacitivos
en estructuras multiplicadoras de voltaje. Se utiliza realimentación negativa de
tensión en un amplificador de error de alta ganancia, como el circuito integrado
(OPA241/OPA90) y referencias de voltaje de alta estabilidad para reducir las va-
riaciones de valor promedio de voltaje de salida por un largo periodo de tiempo.
Este tipo de fuente tiene una topología en “push-pull”(switching), presenta un buen
rendimiento, pequeño en volumen y peso, puede ser alimentada con baterías y es
portátil. Puede ser implementada de tres formas, dependiendo de los componentes
a utilizar.
Montadas directamente sobre celdas fotovoltaicas
Tipo Modular
Tipo de prueba
El prototipo desarrollado es de tipo modular, ofreciendo un voltaje constante de
0 a 2 kV con una corriente máxima de 1 mA, siendo capaz de alimentar, hasta 3
tubos fotomultiplicadores EMI 9530A, con una potencia de 2 Watts, este tipo de
36
Fuente de alto voltaje 37
fuente puede ser alimentada con baterías o fuente regulada de 12 V. La Figura 5.1
muestra una fuente de alto voltaje.
Figura 5.1: Componentes básicos de una fuente de alto voltaje.
5.1. Especificaciones de la fuente de alto voltaje
Esta sección presenta las especificaciones que debe reunir una fuente de
DC de alto voltaje modular para ser empleado con PMTs así como todo el diseño
y análisis de cada una de las partes que conforman la fuente de alto voltaje
(Condit, 2004; Jovanović, 2007):
Inversor (el circuito de control de modulación del ancho de pulso)
Etapa de control y protección del inversor
Transformador elevador
Rectificador y el filtro
5.1.1. Consideraciones del proyecto
El diseño del proyecto es adaptable a diferentes aplicaciones, para
diferentes niveles de corriente y voltaje. Básicamente consta de los siguientes
módulos, (ver Figura 4.11).
Conversor CC - CC en ”push pull“ (switching) y control PWM
(modulación de ancho de pulso). Normalmente es usado para elevar el
Fuente de alto voltaje 38
voltaje, en nuestro caso para reducir el voltaje de entrada, se denominan
convertidores CC - CC, porque permiten transformar energía en CC que
es corriente continua de forma eficiente, los convertidores CC-CC son am-
pliamente utilizados en fuentes de alimentación continuas conmutadas, son
circuitos que transforman una tensión continua (por lo general no regula-
da) en otra continua regulada (Jaquenod, G. and Charro, R., 2010). Existen
innumerables circuitos que pueden realizar una conversión CC-CC, los mas
básicos que se pueden considerar, con un interruptor activo (el transistor) y
un interruptor pasivo (el diodo) son los convertidores: Buck-Boost.
Transformador para alta frecuencia, utilizado en pantallas LCD que
tiene una frecuencia de trabajo alta (decenas de kHz).
Circuito duplicador de voltaje, responsable de la generación de la tensión
de salida alta.
Circuito de toma de muestras de voltaje de salida y amplificador de error.
Fuente de alimentación, seleccionable entre una batería de 12 V o una
fuente de alimentación regulada de 12 V. Como se muestra en la Figura 5.2,
el conversor CC-CC suministra un voltaje continuo bajo no regulada Vi, un
alto voltaje de salida V0, por conversión de voltaje de alimentación de alta
tensión alternada y rectificada para un alto voltaje continuo. El control de
voltaje de salida se realiza mediante la realimentación negativa de voltaje
de salida Ve, referido a un voltaje de control Vref , como se muestra en la
salida de una fuente modular, en el ancho del pulso de accionamiento de los
transistores, generando pulsos de periodo constante y un ancho variable D.
Modulación de pulso: Se puede controlar la magnitud y frecuencia de la
señal de salida mediante la modulación del ancho del pulso de los interrupto-
res del inversor. La modulación del ancho de pulso es el proceso de modificar
el ancho de los pulsos de un tren de pulsos en razón directa a una pequeña
señal de control, cuanto mayor sea el voltaje de control más ancho será el
pulso resultante (Cheng, 2006).
Fuente de alto voltaje 39
Figura 5.2: Diagrama de control de fuente.
5.2. Características de la fuente desarrollada
Las características básicas del prototipo de la fuente de alto voltaje
desarrollada son los siguientes:
Voltaje de alimentación: 0 - 12 V
Voltaje de salida: 2 kV
Potencia máxima: 2 W
Voltaje de ondulación en la salida menor que 20 mV (con carga y voltaje
máximos).
Gran estabilidad
Protección para reducir la interferencia electromagnética
5.3. Etapa de ganancia de potencia
La elección del modo de conmutación permite una reducción
proporcional al aumento de frecuencia, volumen, costo, pérdidas y consumo, para
una misma potencia de salida. La portabilidad es deseable en las aplicaciones
experimentales en el campo donde no hay energía eléctrica, o cuando la energía
eléctrica presenta un alto nivel de ruido y fluctuaciones. Estos problemas son
Fuente de alto voltaje 40
eliminados fácilmente con el uso de las baterías. La topología seleccionada para
el conversor CC-CC es el Push-Pull, operando con rectificadores de onda
completa, transformadores y rectificadores de dimensiones reducidas, filtros más
compactos. Puede funcionar con un voltaje de entrada pequeño pero optamos
por el valor de 12 V para permitir el uso de las baterías y reducir la relación de
espiras del transformador. La elección de la frecuencia de conmutación es de
10-100 kHz, esto permite el uso de transformadores de pantalla LCD.
5.4. Especificaciones, diseño e implementación
5.4.1. Filtro de línea
Las fuentes conmutadas tienen que llevar un filtro de entrada
denominado filtro EMI (electromagnetics interference) que sirve para suprimir la
frecuencia generada por un circuito oscilador u otra perturbación que pueda
degradar el sistema. El filtro hace que esta interferencia no pase a la línea de
alimentación y no genere interferencia a los otros circuitos. Este filtro está
constituido por una bobina y dos condensadores (ver Figura 5.4).
5.4.2. Controlador de ancho de pulso
Se realiza mediante el circuito integrado (CI) UC3525, diseñado para
modular el ancho de pulso (PWM). Este CI se utiliza mayormente para
implementar fuentes de alimentación conmutadas de todo tipo. Los parámetros
fundamentales PWM, son el del periodo T y el ciclo de trabajo D. El ciclo de
trabajo indica el tiempo de encendido t respecto al periodo (D = t/T ). Este CI
no es de última generación, ha sido elegido entre varios otros por reunir las
siguientes características:
Fácil de adquirir en el mercado, bajo costo, tiene dos salidas complementarias
para MOSFET en "Push - Pull"(pines 11 y 14).
Fuente de alto voltaje 41
Tiene un voltaje de referencia interna de 5.1 V (0.75%) y un amplificador
de error integrada (pin 16).
Control de encendido lento (pin8).
Amplio flujo de frecuencias de operación, de 100 Hz a 400 kHz (pines 5, 6,
7).
Protección automática para excesos tensión y corriente.
Consumo Inferior a 15 mA y un voltaje de operación entre 8 - 35 V (pin 15).
Condiciones de operación entre -55 a +150 C.
5.4.3. Transistor de conmutación IRF630
Los transistores IRF 630 MOSFET poseen ventajas como el control de
tensión, conmutación rápida, facilidad de puesta en paralelo y estabilidad frente
a cambios de temperatura de los parámetros eléctricos. Son muy adecuadas para
aplicaciones tales como fuentes de alimentación conmutadas, controles de motor,
inversores, amplificadores de audio y circuitos de pulsos de energía.
Características:
Alta velocidad de conmutación hasta 1 MHz.
Puede suministrar hasta 9 A.
Voltaje máximo de operación de 200 V
Posee una gran impedancia de entrada
Rango de temperaturas de funcionamiento de -55 a +150 C.
Fuente de alto voltaje 42
5.4.4. Transformador
El transformador es de ferrita usado en lamparas de pantallas LCD.
Como el enrollamiento de un trasformador de alta tensión implica algunos
cuidados especiales como el óptimo aislamiento entre las capas, se utiliza el
transformador de pantallas LCD que operan a 3 kV. Para verificar el buen
funcionamiento de éste se hace una prueba utilizando el generador de señal y
osciloscopio RIGOL. Se alimenta con una señal sinodal de 10 kHz y con un
voltaje de 5 Vpp al bobinado primario del transformador de pantalla LCD y la
salida en el bobinado secundario es leída a través del osciloscopio; obteniendo así
los resultados del transformador.
5.4.5. Flyback (Buck-Boost)
Un convertidor de DC-DC o un buck-boost tiene una magnitud de
voltaje de salida que puede ser mayor o menor que la magnitud del voltaje de
entrada. El voltaje de salida es ajustable variando el ciclo de trabajo de un
transistor de conmutación. Para entender el funcionamiento de la fuente
switching es necesario saber las características básicas de un conmutador
(transistor-transformador), en este caso del IRF360. En una fuente flyback el
circuito de control es ON-OFF, que controla la tensión de salida regulando la
energía que se transfiere mediante cambios en el ciclo de trabajo y a veces la
frecuencia del conmutador.
5.4.6. Duplicador de Voltaje
Para aumentar el voltaje de salida es necesario utilizar una cascada de
dobladores (condensador, diodos rectificadores), estos circuitos multiplicadores
dependen de la función de etapas, para poder rectificar y multiplicar el valor del
voltaje de entrada. Son utilizados principalmente en circuitos en los que se desea
altas tensiones con bajas corrientes. Después de pruebas e investigaciones se llegó
Fuente de alto voltaje 43
a la elección del diodo rectificador BY203-20S - 2 kV, que se utiliza
especialmente para televisores. Para ello se toma en cuenta los parámetros del
diodo mencionado:
Rectificación muy rápida: 300 ns de respuesta inversa.
Rango de temperatura de funcionamiento: es de -55 C a +150 C.
Corriente máxima de funcionamiento es de 250 mA.
Corriente reversa de 2 µA.
Voltaje de rompimiento 2 kV.
5.4.7. Filtro de salida
El filtro de salida RC (resistencia - condensador) es necesario para
disminuir el voltaje de rizado así como para suprimir la frecuencia de resonancia
generada por el transformador, esta frecuencia es generada por la inductancia y
la capacitancia parásita del transformador. La frecuencia de corte esta dada por:
FC = 1/2πRC
Para una frecuencia de 64 kHz se escoge R = 100 Ω y un condensador C =
22 nF.
Para una frecuencia de 7 kHz se escoge R = 1000 Ω y un condensador C =
22 nF.
5.4.8. Muestreo de la Amplificación
El circuito integrado UC3525 es controlado por un voltaje de error
positivo en el pin 1. Como la tensión de salida de alto voltaje es positiva, se
escogió muestras representativas del amplificador inversor tal como se muestra en
la Figura 5.3 (Cheng, 2006; J. Holtz, 1992). La red de divisor se compone de un
Fuente de alto voltaje 44
conjunto de 10 resistencias de 9.1 MΩ en serie que hacen 118 MΩ y un
potenciómetro de 1 MΩ. El consumo de esta red es para 2 kV de 13.5 µA o 25.7
mW. El amplificador operacional OP90 - OPA241 escogido, posee alta
impedancia de entrada, bajo consumo de corriente de 20 µA y opera con una
alimentación de 1.6 V a 36 V, o ± 0.8 V a ± 18 V puede ser alimentado con
baterías.
5.5. Prototipo Desarrollado
Fue diseñado y construido el prototipo de fuente alto voltaje en la
Dirección Astrofísica - CONIDA. Las Figuras 5.3 y 5.4, respectivamente
representan el diagrama esquemático del prototipo de Fuente de Alto Voltaje
implementado para operar 1 a más tanques Cherekov. Mientras la Figura 5.5,
muestra la fuente de Alto voltaje ensamblado.
Figura 5.3: Amplificador operacional y la red de divisor de alto voltaje.
5.5.1. Ajustes internos
Los ajustes de la tensión máxima de salida son hechos a través de
potenciómetros de realimentación de voltaje de salida (amplificación de la señal
de retorno) P2, con un potenciómetro P1, RxC es la frecuencia de salida y con un
potenciómetro P3 que es el control de la linea base. El control de tensión de
Fuente de alto voltaje 45
Figura 5.4: Fuente de alto voltaje positiva.
salida en este prototipo está hecho a través del potenciómetro del circuito P1 y la
frecuencia de oscilación que es de los pulsos generados en el circuito de control
integrado Figura 5.4, (pino 11 y pino 14).
La frecuencia de oscilación de la señal debe ser dos veces la frecuencia deseada
para la conmutación y viene dada por la ecuación.
F =1
Ct(0.7)RT + 3RD
(5.1)
Donde F es la frecuencia de oscilación, RT es la resistencia en kΩ, RD es la
resistencia que determina el tiempo muerto y Ct el condensador en µF
5.6. Prueba del sistema completo
Los ensayos de una fuente de alta tensión fueron realizados en la
Dirección de Astrofísica - CONIDA durante varias semanas y los equipos
utilizados en las medidas para caracterizar la fuente de alta tensión fueron los
siguientes:
Fuente de alto voltaje 46
Figura 5.5: Fuente de alto voltaje que muestra los dos lados de la capa ensam-blada.
Fuente DC Hewlett Packard modelo E3620A salida dual 0-25V , 1A resolu-
ción 20 mV que alimenta una fuente de alta tensión con 12V.
Multímetro digital PRASEK PR-71B, resolución en modo DC 1% para me-
dir la alta tensión de salida.
Osciloscopio Digital Rigol modelo DS1302CA de 2 canales, 300 MHz-2GS/s,
con impedancia de entrada: 50 Ω , 1 MΩ, resolución 1/128 mV. Para la
medición de ruido y rizado; además para medir la salida de la señal del flujo
de rayos cósmicos en forma de pulso en la pantalla del osciloscopio y la salida
de alto voltaje de la fuente.
Estación meteorológica DAVIS - Vantage Pro2 para medir la temperatura.
El banco de prueba se muestra en la Figura 5.6. Para las medidas del riso y la
tensión de salida utilizamos el esquema de la Figura 5.7, donde fueron añadidos
la salida de tensión de la fuente de alto voltaje : La primera está destinado a ser
conectado al osciloscopio para visualizar el riso; y la otra salida se utiliza para leer
la alta tensión, con un valor de 100 veces menor, utilizando para ello un divisor
Resultados 47
de tensión. Tener en cuenta que el instrumento utilizado para medir la salida de
divisor de tensión de alto voltaje debe tener una alta impedancia para minimizar
las posibilidades de introducir errores en las medidas.
Figura 5.6: Banco de prueba. Equipos utilizados: fuente de alto voltaje desarro-llado en CONIDA, fuente de alimentación de 12 V, divisor de voltaje, osciloscopio
de 2 canales de adquisición .
El circuito de la Figura 5.7 se utilizó para medir la salida de alto voltaje junto con
un Multímetro digital PRASEK PR-71B.
Figura 5.7: Circuito utilizado para medir la salida del alto voltaje.
Capítulo 6
Resultados
El diseño y la implementación de dos tanques Cherenkov en modo telescopio fueron
hechos en la Dirección de Astrofísica - CONIDA, tomando en cuenta todos los
capítulos anteriores. Para el diseño e implementación del divisor de voltaje para
los tubos foto-multiplicadores Emi - 9530A, se consideraron las secciones 4.2.2,
4.4 y 4.6. Mientras que para la fuente de alto voltaje para alimentar los tanques
Cherenkov se consideraron las secciones 5.1, 5.4 y 5.6.
Pruebas realizadas a la fuente de alto voltaje
La prueba de estabilidad de la fuente de alto voltaje fue realizada durante 12
horas a temperatura ambiente. La carga y el voltaje se mantuvieron fijos para
todas las pruebas. a 2 MΩ y 1680 V, esto es equivalente a trabajar con 3 tubos
fotomultiplicadores (la potencia total es de 1.33 W), logrando caracterizar la salida
de la fuente de alto voltaje. Para esta caracterización se escogió el potenciómetro
de 50 kΩ y se consiguió la frecuencia óptima de trabajo de la fuente como se
muestra en la Figura 5.3 de la sección 5.5.
Se consiguió que la corriente sea mínima, para mejorar la eficiencia de la fuente.
El aumento en la eficiencia de los valores máximos y mínimos de la potencia de
entrada es:
48
Resultados 49
∆P % ≈ Pmax − PminPmax
100 % (6.1)
Donde, Pmax es la potencia máxima y Pmin es la potencia mínima.
∆P % = (3,6 − 3,25
3,6)100 % ≈ 10 % (6.2)
De esta manera, de aquí en adelante se trabajará en el rango de frecuencia de
8.7-9.8 kHz.
Figura 6.1: Potencia de entrada de la fuente en función de la frecuencia deswitcheo de la fuente.
En la Figura 6.2, la variación del voltaje respecto a la frecuencia de corte del filtro
RC del condensador de acoplamiento es lenta y no se observa en el osciloscopio.
Sin embargo cualquier variación del voltaje afecta la ganancia, como fue descrito
en la sección 4.2.2, la ganancia obtenida es dada por:
δ = aEK (6.3)
Resultados 50
Donde, ∆ es la ganancia, E es voltaje entre etapas del dínodo, a es constante y
K es determinado por la estructura y material del dínodo del fotomultiplicador y
toma el valor de 0.7 a 0.8. Por lo tanto, la variación de la ganancia es dado por:
∆δ% = a(δ0.7max − δ0.7min
δ0.7max)100 % ≈ 0.07 % (6.4)
Asumiendo que K = 0.7 la variación porcentual es muy pequeña y no afecta de
manera significativa a las medidas realizadas.
Figura 6.2: Voltaje de salida en función del tiempo.
Se midió la salida en modo AC del osciloscopio encontrando como resultado lo que
se muestra en la Figura 6.3. El voltaje (VPP ) se mantiene constante y tiene una
amplitud media de 200 mV. Para eliminar esta señal se debe colocar un trigger
(voltaje de corte) a 300 mV.
Se observo que señal típica de la salida del tanque Cherenkov tiene un ancho de
pulso de 50 ns y 500 mV debido al paso de los rayos cósmicos.
Resultados 51
Figura 6.3: Comportamiento de voltaje de rizo (VPP ) de la fuente de altovoltaje en función del tiempo.
Resultados de detección de muones verticales
Se midió las señales de salida de los tanques Cherenkov (señal de salida desde el
divisor de voltaje), a temperatura ambiente durante un minuto de adquisición.
Para el buen funcionamiento del detector se logró establecer la región de trabajo,
obteniendo la curva de Plateu del detector construido e implementado, ver Figura
6.5.
Se consiguió registrar los datos de rayos cósmicos utilizando los siguientes instru-
mentos: tarjeta de adquisición del Observatorio Pierre Auger que tiene 40 MHz
de velocidad de muestreo, fuente de alto voltaje, divisor de voltaje, PMT-EMI
(R9530A) y dos detectores Cherenkov en modo telescopio (uno encima del otro).
La corriente del pulso es directamente proporcional al número de cuentas y se
escribe la ecuación de la siguiente manera:
IP = I0(a
VTn)0,7 (6.5)
Resultados 52
Donde IP es la corriente de pulso, n es número de pulsos, VT , volatje total
IP = cteVT (6.6)
El número de pulsos contados es una función creciente con respecto al voltaje
en operación lineal. Hasta alcanzar los niveles no linealidad y saturación, ver la
sección (4.4). Entre 1500 V a 1650 V se observó claramente este crecimiento luego
se observa que el PMT-EMI alcanza el punto de saturación a 1650-1800 V (ver la
Figura 6.4).
Figura 6.4: Curva Plateau del tanque Cherenkov. De esta manera se determinóla región de trabajo.
En la Figura 6.5, se muestran los espectros medidos a 1600 y 1700 V que están
cortados en valores bajos de carga. Debido a esto se escogió trabajar a 1500 V.
En la Figura 6.6, se exhibe el flujo de partículas (rayos cósmicos), para ambos
detectores que están en función del pico de los pulsos. Se aprecia mejor el flujo a
87.5 mV y los picos debido al voltaje de rizo no son observados.
Se hicieron trabajar los tanques Cherenkov uno encima del otro con una separación
de 3 m y una pared de concreto de aproximadamente 40 cm que rodea el tanque
Resultados 53
Figura 6.5: Flujo de muones a diferentes valores de voltaje en función de lacarga del detector.
Figura 6.6: Relación del flujo de rayos cósmicos respecto al pico medido en87.5 mV.
inferior. En la Figura 6.7 se puede observar que el flujo del segundo detector decrece
a bajas energías debido a la absorción de la pared, sin embargo el flujo del detector
intermedio está entre 4375 mV a 7000 mV. En la misma Figura 6.7 también se
Conclusiones 54
aprecia que los flujos se corresponden y ambos tanques tienen la misma respuesta,
en este caso a muones que las atraviesan. Por lo tanto, esto indica que si se calibra
el detector superior (Tanque 1) se puede usar la misma calibración para el detector
inferior (Tanque 2). Para la operación continua de los tanques Cherenkov en modo
telescopio se utilizará la calibración del pico muónico, en otras palabras se utilizará
como referencia la señal de la curva de color verde que corresponde a un flujo de
80 MeV a 24 o 1487.5 mV.
Figura 6.7: Relación del flujo de rayos cósmicos respecto a la carga. La salidade la señal de los dos tanques Cherenkov en modo telescopio. La curva de colorverde representa la señal del tanque 1 y la curva de color anaranjado representa
la señal del tanque 2, ambos medidos a 1500 V.
Capítulo 7
Conclusiones
En esta tesis se desarrollaron los componentes necesarios para la implementación
de un telescopio de muones (tanque Cherenkov). Se logró observar exitosamente
la señal de los muones que dejan los rayos cósmicos en dos tanques Cherenkov al
recorrer su camino hasta llegar a la superficie de la Tierra, para tal se consiguieron
los siguientes:
Se ha logrado diseñar y construir un prototipo de divisor de voltaje para
operar el tubo foto multiplicador del tanque Cherenkov. Con este divisor
de voltaje se ha aprendió a manejar altos voltajes en placas electrónicas
comunes y ha desarrollar acoples de alta impedancia de 7 MΩ y de baja
impedancia 50 kΩ de la salida del divisor de voltaje.
Se ha logrado diseñar y construir una fuente de alto voltaje estable de bajo
costo para alimentar el divisor de voltaje, con un voltaje máximo de 3 kV y
una corriente de 1 mA. Esta fuente de alto voltaje se puede utilizar en otros
desarrollos científicos como en física médica, biología, física de estado solido,
física nuclear, principalmente por sus características como por su bajo nivel
de ruido y alta estabilidad.
Se logró establecer la región de trabajo del detector de partículas (tanque
Cherenkov) y la identificación del voltaje de operación de 1500 V; también
se fijo el nivel trigger para eliminar el voltaje de rizo.
55
Conclusiones 56
Se ha logrado obtener las gráficas de carga y pico de la señal del detector. Con
este resultado se ha demostrado de que se puede calibrar los dos detectores
Cherenkov, calibrando el primer detector utilizando el modo telescopio.
Se ha demostrado que con la instrumentación desarrollada operando en modo
telescopio, se observaron las señales producidas por rayos cósmicos en gene-
ral de baja energía (Rayos cósmicos secundarios), principalmente muones
verticales que atraviesan los dos tanques Cherenkov.
La instrumentación desarrollada es de alta sensibilidad para el estudio de diversos
fenómenos físicos relacionados, principalmente partículas secundarios. El interés
por estudiar estés fenómenos es de suma importancia, ya que los Rayos Cósmi-
cos secundarios están relacionados con los eventos que se producen el Sol como
por ejemplo eyecciones de masa coronal, partículas energéticas solares, decrecimos
Forbush, etc. Para una descripción más detallada de estos procesos físicos que
ocurren durante estos eventos, es necesario contar con detectores de partículas
(telescopio de muones) en diferentes lugares del Perú. De esta manera es de suma
importancia un monitoreo continuo de la conexión Sol-Tierra. Pero es necesario
complementar estas observaciones con detectores de campo magnético, eléctrico y
estaciones meteorológicas para un estudio detallado.
Perspectivas futuras
Se pretende dar continuidad a la instrumentación de rayos cósmicos, en este
caso construir e implementar varios detectores de partículas.
Hasta el momento se logró la construcción y buen funcionamiento de la
instrumentación, tanto como el divisor de voltaje y fuente de alto voltaje. Lo
que se sugiere es la operación en diferentes lugares como en las universidades.
Se pretende operar por varios años esta instrumentación y así adquirir los
datos para estudiar los procesos físicos relacionados con diversos fenómenos
a corto y largo plazo.
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