1 l.m.s. margato, f.a.f. fraga, s.t.g. fetal, m.m.f.r. fraga, e.f.s. balau, a. blanco, r. ferreira...
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L.M.S. Margato, F.A.F. Fraga, S.T.G. Fetal, M.M.F.R. Fraga, L.M.S. Margato, F.A.F. Fraga, S.T.G. Fetal, M.M.F.R. Fraga, E.F.S. Balau, A. Blanco, R. Ferreira Marques, A.J.P.L E.F.S. Balau, A. Blanco, R. Ferreira Marques, A.J.P.L PolicarpoPolicarpo
LIP - Coimbra e Departamento de Física da Universidade de Coimbra, LIP - Coimbra e Departamento de Física da Universidade de Coimbra, 3004-516 Coimbra, Portugal3004-516 Coimbra, Portugal
Localização Espacial de Traços numa Câmera Localização Espacial de Traços numa Câmera de Cintilação com Triplo GEMde Cintilação com Triplo GEM
Jornadas LIP 2003
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SumárioSumário
• Motivação
• Detector / Sistema experimental
• Medida simultânea de traços e dos sinais de Luz
• Localização completa do traço
• Tabalho Futuro
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Motivação
Leitura óptica da luz de cintilação
Desacoplamento da electrónica do detector.
Cobrir grandes àreas de detecção sem regiões inactivas.
GEMs em cascata possibilitam
Ganhos elevados numa região de fucionamento do detector com baixa probabilidade para a ocorrência de discargas.
Cintilação apreciável para a mistura Ar+ 5%CF4 , ~ 0.7 fotões/electrão secundário [3].
Misturas de Ar+5%CF4 e 3He-CF4 apresentam espectros de emissão no visível e no
infravermelho próximo (400 – 1000 nm) [3]. Ausência de ion feedback evitando os efeitos de carga espacial na região de conversão.
Blindagem da realimentação por fotões devido à baixa razão hole surface / total surface (~cerca de 12%) resultando na quase ausência do efeito de photon feedback.
A leitura no modo de luz não necessita de utilização de eléctrodo de recolha.
Emissão de luz localizada ausência de efeitos associados à profundidade de campo
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Desenvolver um protótipo de um espectrómetro de recúo para neutrões para energias entre 1 e 20MeV
Objectivo
Referências[1] F.A.F. Fraga, L.M.S. Margato, S.T.G. Fetal, R. Ferreira Marques and A.J.P.L Policarpo, “Performance of a Tracking Device Based on the GEM Scintillation”, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol.49, Nº.1 (2002) 281-284.
[2] F.A.F. Fraga, L.M.S. Margato, S.T.G. Fetal, M.M.F.R. Fraga, R. Ferreira Marques, A.J.P.L Policarpo, B. Guerard, A. Oed, G. Manzini and T. Van Vuure, "CCD readout of GEM based neutron detectors", Nucl. Instr. and Meth. A 478 (2002) 357-361.
[3] M.M.F.R. Fraga, F.A.F. Fraga, L.M.S. Margato, S.T.G. Fetal, R. Ferreira Marques e A.J.P.L. Policarpo, “The GEM scintillation in He-CF4, Ar-CF4, Ar-TEA and Xe-TEA”, Nucl. Instr. and Meth. A 504 (2003) 88.
[4] F.A.F. Fraga, L.M.S. Margato, S.T.G. Fetal, M.M.F.R. Fraga, R. Ferreira Marques, A.J.P.L Policarpo, “Luminescence and imaging with gas electron multipliers", Nucl. Instr. and Meth. A 513 (2003) 379-387.
Resolução em energia evento a evento
Eficiência esperada 2 a 3 ordens de grandeza superior aos actuais detectores de Lítio (10-7) Meio de detecção – Gas
Multiplicação em GEMs
Leitura da luz de cintilação com uma CCD
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Sistema Experimental
Camara de tracking, com um triplo GEM,
para a imagiologia de partículas alfa ou
de outras partículas com depósitos de
energia semelhantes
241Am
Mylar Window
Conversion RegionAr + 5%CF4
ED
CCD - Hamamatsu512x512 Pixel
24x24m
Recoil Gap
Transfer Gap 2
Transfer Gap 1
-55ºC
vd
h
V1V2
V3V4
V5
+Vr
V6
Gas Inlet Gas Exit
-H.VCollimator
Drift Electrode
DigitizerTektronixTDS 7104
Cam
berra 2005CH1
Cam
berra 2006
CH2
ER
ET
ET
GEM1
GEM2
GEM3
GPIB
+H.V
Hamamatsu camera controler -C4742-98
+H.VPMT
Phillips 56TU
VP
P.A
P.A
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Volume de detecção 250 cm3.3 GEMs em cascata 10x10cm2,
140/80/60 m.Meio de detecção Ar+5%CF4 em fluxo
contínuo (alcance partículas alfa (5.48
MeV) 39,33mm).Leitura da luz de cintilação realizada
com uma CCD Hamamatsu (512 x 512
pixeis, 24 x 24 mm2) e PMT
Fonte de partículas alfa, 241Am(5.48MeV), colocada no interior da
camara.
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Logic Unity(And)
IN1 IN2
START (MANUAL)
GateGenerator(Latch Mode)
GateGenerator(Latch Mode)
out.1
Counter
In
out.
STOP
CCDTrack Imaging
Trigger (TTL)
PMT P.A
ScopeTDS 7104
P.C."MATLAB" waveform
capture
GPIBIEEE STD 488
CH1 CH2
START
START
STOP
GateGeneratorP.A
Induction Elect.
A SCA Disc.
out.2
Trigger
Sistema de aquisição
Aquisição em coincidência da imagem (traço) versus sinais de luz e carga
Sinais de carga Trigger do shutter da CCD
Osciloscópio digital + GPIB + Matlab Aquisição das formas de onda
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Sistema Experimental Jornadas LIP 2003
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Processamento das imagens adquiridas com a CCD
Lê ficheiros da CCDCalcula e subtrai o background
Roda Imagem e determina ângulo Gera ficheiro de dados da projecção horizontal e vertical do Traço
GUI (1) (graphic user interface) Matlab 6.5:
(1)A.Blanco (LIP-Coimbra)
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Imagem 3D de um traço com FIT ao background
Imagem 3D de um traço depois de subtraído background
Processamento das imagens adquiridas com a CCD
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Resultados Experimentais
r
rxdrx
dr
rxrx +drx
r
r +dr
dL (a.u)detected light relative tothe element dr of the track
ry
Ar+5%CF4 ,241Am (5.48MeV)
Estimated angle ~ 45º
0,0E+00
1,0E-01
2,0E-01
3,0E-01
0 10 20 30 40 50r (mm)
dE/d
r (M
eV/m
m)
Exp.Data
SRIM Data
(Eq.8) cos
1 seja,ou
cos. jxjj
j
xj
j Ssdr
dE
dr
dE
Track angle determination based on Bragg curve analysis
O traço e a sua projeção, no plano do GEM, relacionam-se através do parâmetro (Eq.2):
(Eq.2) cos. drdrx
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Resultados Experimentais
0 1x105 2x105 3x105 4x1050
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30
Run017: = 30ºEstatistics of the track lightdetected by the CCD (Binning 4x4)
<Light>=2.96E5 (ADU) fwhm=17659 (ADU) R=5.9%
<N
>
Parcial Track Detected Light (ADU)
Energy resolution taken from PMT signals
Energy resolution taken from CCD images
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Resultados Experimentais
-2,0x10-7 -1,0x10-7 0,0 1,0x10-7 2,0x10-7
0,0
2,0x108
4,0x108
dV/d
t (si
gnal
Diff
.)
time (s)
run012waveform Diff.
-2,0x10-7 -1,0x10-7 0,0 1,0x10-7 2,0x10-7
0,0
0,5
1,0
Am
plitu
de (
V)
run012 PMT waveform
1,0x10-7 2,0x10-7 3,0x10-7 4,0x10-7 5,0x10-7 6,0x10-70,00
0,05
0,10
0,15
0,20
Am
p. (
Vo
lt)
Time (s)
Current P.Ampl. Charge signals =30º (run031) =45º (run034)
Signals from charge and current preamplifiers
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Resultados Experimentais
PMT signals
0
1
2
3
4
5
0 15 30 45 60 75 º (defined by collimator)
(
degr
ees)
0
2
4
6
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t (
ns)
angle std
rise time std
Rise time statistic analysis of light signals for =30º
Calculated uncertinity of angle for a set of collimator angles
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PMT signals : 241 Am (5.48MeV), Ar+5%CF 4 , 1bar,Ed=0.5kV/cm
rtime = 1,003 * coll. - 0,274
R2 = 0,984
0
15
30
45
60
75
90
0 15 30 45 60 75 90º(defined by collimator)
º (c
ompu
ted
from
ris
e ti
me)
Resultados Experimentais
Run017 30º (preliminar)
0
100
200
300
400
500
20 25 30 35
Range projected on GEM plane (mm)
Ris
e Ti
me
(ns)
Allfa tracks in coincidencewith rise time
Correlation between track projection on GEM plane and light signal rise time.
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Correlation between the angle calculated from the rise time and the angle estimated from the Bragg curve of track projection on GEM plane
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Trabalho Futuro
• Optimização da mistura gasosa para neutrões
• Simulação do espéctrometro
• Construção de um protótipo nas oficinas do LIP – Coimbra
• Teste com feixe de neutrões monoenergéticos no Democritos neutron accelerator facility (Grécia).
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