Electrónica para Digitalizar señales de PMTs a 200 MHz en Detectores de Rayos Cósmicos

EUCARIO GONZALO PÉREZ PÉREZ

HUMBERTO SALAZAR IBARGÜEN

LUIS M. VILLASEÑOR CENDEJAS

DF, 28 de Septiembre de 2007

Chubasco de Aire Extenso y espectro de energía de los rayos cósmicos

Figura 1: a) Chubasco de Aire Extenso (EAS). b) Espectro de los rayos cósmicos medido por detectores en tierra.

Distribución del Arreglo experimental EAS-UAP en la FCFM

Diámetro interno de 1.54 m y una altura de 1.30 m llenados a hasta una altura de 1.2 m con 2230 l de agua purificada. Estos tienen un PMT (Modelo 9353K) de 8’’

Distribución del Arreglo experimental LAGO/Sierra NegraPara detectar GRBs

Modulo Central de Adquisición de datos EAS-UAP

Modulo NIM y CAMAC

Programa de Adquisición desarrollado en lenguaje deprogramación LabView.

Resultados y funcionamiento del EAS-UAP

Numero de partículas que atraviesan los tanques por segundoUnidades nanosegundos (ns)

Unidades picoCoulombs

Histogramas de calibración para los dos tipos de tanques[3]

Tc1=70 pCTc2=165Tc3=290Tc4=103Tl1=67Tl3=62.5Tl5=24Tl7=107Tl9=140Tl10=95

Análisis de los archivos.TXT bajo programaciónRoot (basado en C++ )

Tc2Tl9

2*)(;)/1()/()(, 5.42 scskRorRorskrs ss Donde s es la edad del chubasco, r es la distancia del tanque al núcleo del Chubasco y Ro es el radio de Molliere (90 m para una altura de 2200msnm)[3]

Programa de análisis desarrollado en lenguaje Visual Basic

Posición delNúcleo delChubasco

Resultados de datos obtenidos con simulación Monte Carlo

Se proporcionan datos de la partícula primaria como, por ejemplo que es protón,energía de la partícula, ángulo de llegada respecto al cenit. Como también la altura de detectores y donde están ubicados (coordenadas terrestres).

El tiempo paragenerar estosdatos fue de aproximadamentede 4 a 5 horas

Utilizando la técnica de centro de masas pero aplicado a cargas observamos que nuestro método se aproxima al de simulación.

Justificacion de un sistema de muestreo a 100-200MS/s (no comercial)

Separación de la componente Muonica y electromagnética[4]

La energía depositada por los muonesen 1.20 m de altura de agua es 240 MeV y 26 MeV en 13 cm de liquido.Mientras que los electrones depositan toda su energía, que es aproximada-mente de 10 MeV.

Entonces la relación de energías entre Muon y electrón es:

Mu/EM=24 para los Cherenkov

Mu/EM= 2.6 para los de Liquido Centellador

LL

LiqSc

CC

Cherekovmuon

CC

Cherekov

LL

LiqScEM

VEMA

q

VEMAq

VEMAq

VEMA

q

int

int

71

78

)(724

3

24

int LEMLmuon

L

LiqSc

CEMCmuon

C

Cherekov

AA

VEM

q

AA

VEMq

Composición de la masa del arreglo híbrido

Modulo Central de Adquisición de datos EAS-UAP

Modulo NIM y CAMAC

Diseño de tarjetas electrónicas auxiliares

Para digitalizar las señales analógicas proporcionadaspor los tanques detectores utilizamos el convertidor analógico AD9214BRSZ-105, los cuales operan hasta 100MSPS. Para el diseño de los circuitos se uso Protel.

interface

Interfase para descarga de datos entre FPGA y PC

El puerto paralelo es el más comúnmente utilizado como puerto de interfase para proyectos. Este puerto permite la entrada/salida de 8 bits o una salida de 12 bits en cualquier instante, requiriendo la mínima circuitería externa para llevar a cabo muchas tareas. El puerto esta compuesto por 4 líneas de control, 5 líneas de estado y 8 líneas de datos. Esta comúnmente ubicado en la parte de atrás de las computadoras personales (PC) como conector tipo D hembra de 25 pines. Usamos el modo de puerto paralelo estándar (SPP), para adquirir y control de descarga de datos [5].

Convertidor analógico a digital de 10 bits AD9214

El AD9214 es un circuito integrado convertidor analógico a digital (ADC) de 10 bit, es de bajo costo, baja potencia y tamaño pequeño. El ADC AD9214 tiene un rate máximo de operación de 105 MSPS. Requiere únicamente una fuente de alimentación de 3.3 V y una señal de reloj para desempeñar su operación de digitalización. No requiere señales de referencia externa ni circuito manejador para muchas aplicaciones. Las salidas digitales son compatibles con TTL y CMOS, están separadas en pines con valores de voltajes de 3.3 y 2.5 V lógicos [6].

Características:

-Ancho de banda analógico de 300MHz-Potencia máxima de consumo 285 mW-Rango de operación de entrada analógica 1 o 2 V p-p-Rango de voltaje de alimentación 2.7 a 3.6 V-Esta fabricado con tecnología CMOS, y esta disponible en un encapsulado de plástico de montaje superficial de 28 pines (28-SSOP)- Temperatura de operación es de -40 a 85 grados Celsius

Diseño del circuito eléctricoEl diseño fue realizado con Altium Disegner 6. El cual es un paquete de diseño para circuitos electrónicos. Se realiza el circuito eléctrico y posteriormente se pasa a la etapa de creación del circuito impreso PCB.

Los FPGA´s son dispositivos de alto desempeño, proporciona un sistema de programación avanzado capaz de ser probado en su placa de prueba la lógica integrada. Los dispositivos que estamos utilizando son de la empresa Xilinx, el spartan 2 XC2S200, spartan3 XC3s200, ambos operando a 100 MHz [7].

Características:-Es una tarjeta a doble cara, con reguladores de voltaje de 2.5 y 3.3 V.-Cuenta con un oscilador de 50 MHz y con un zócalo para cambiar de oscilador (100MHz).-Tiene 6 ranuras de expansión (pines de I/O) A-F de 40 pines cada uno de ellos, puerto serial.-Salida con conector DB25, LED´s y Pushbutton, etc.

En ranura de expansión D conectamos el modulo de conversión A/D, su fuente de alimentación es de 5 V y reloj de conversión de 100MHz. En la tarjeta spartan3 el modulo de conversión se conecta en la expansiónB1.

El lenguaje de programación que utilizamos es Lógica de Descripción Hardware de alta Velocidad (VHDL)[8],fue creado específicamente para el diseño de hardware, es decir, se pueden implementar con él multitud de circuitos lógicos. Se han realizado programas para obtener: 1- rate individual de tanques, 2-obtener datos de la traza de la señal obtenida de los PMT´s en dos formas, a 100 MH. Se presenta el diagrama a bloques de los programas para recuperar las trazas de las señales.

Software Xilinx ISE 9.1iPrograma RamS3200.iseSe presenta el diagrama a bloques de los programas para recuperar las trazas de las señales. RamS3200.vi, es el programa en VHDL y el de la derecha es el de LabView v8.

open

0

Se presentan imágenes de pruebas al sistema de adquisición y del programa para recuperar las trazas de las señales. Este programa cuando se ejecuta adquiere la cantidad de 409.6 K datos de 10 bits, esto lo hace 100 veces. Por el momento se metió señal del generador de funciones, 2 MHz, amplitud 400 mV y ancho en tiempo 64 ns.

Resultados:

Lo que en estos resultados gráficos podemos observar, es que son iguales, enamplitud, ya que para ambos programas se le adquirieron la misma señal.

Se observa también que ambos programas adquirieron seis puntos de la señal,esto se debe porque el sistema adquiere a100 MHz y el ancho del pulso fue de 64 ns.

Lenguaje de programación LabView y Resultados.

Para el control de la tarjeta de adquisición y descarga de datos almacenados en ellas, usamos el lenguaje de programación LabView desde una PC y el circuito de interface presentado anteriormente. Los datos después de bajarse a la PC son analizados.

Sistema electrónico de adquisición, proporcionado el arregloExperimental Internacional AUGER de Argentina.

El rate es medido cada 5 milésimas de segundo.

Rate ≈ 30

Rate ≈ 100

rate de los tanques de 1

y 4 m2.

4.- Se construyo una tarjeta para discriminación de señales proveniente de los Tanques, de 16 canales que se usará para construir el disparo por coincidencia y medir los tiempos relativos de llegada de las partículas a los detectores.

Justificacion de un sistema de muestreo a 100-200MS/s (no comercial)

ResultadosUn primer análisis de los datos guardados con root, proporcionan graficas similares a los obtenidos con la electrónica comercial

Integración de la hora y fecha a los datos.

Global Positioning System (GPS) o Sistema de Posicionamiento Global (más conocido con las siglas GPS; su nombre más correcto es NAVSTAR GPS) es un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) el cual permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave, con una precisión hasta de centímetros usando GPS diferencial, aunque lo habitual son unos pocos metros [8].

Motorola VP Oncore™ GPS Receiver

Se tienen los programas de comunicaciónentre la PC y el GPS, desarrollado en LabView.

Contamos información de la serie de comandosque interpreta el GPS[8].

Por interpretar los códigos de respuestas

Se ha diseñado un sistema electrónico de adquisición basado en dos convertidoresAD9214 y respectivo software en prueba, para realizar adquisición de datos a 200 MHz.

En la primera prueba se probo con la Spartan3 que tiene un oscilador a50 MHZ. La señal de entrada tiene un ancho de20 ns, por cada canal adquiere un soloPunto.

CONCLUSIONES

1.- Se ha desarrollado el hardware para el sistema de adquisición de datos, donde se utiliza el dispositivo electrónico spartan2 XC2S200 y el spartan3 XC3s200, ambos operando a 100 MHz.

2.- Hemos desarrollado dos programas de adquisición mediante lenguaje de programación VHDL, uno de ellos controla por software el voltaje de umbral, con lo cual discriminamos las señales de de entrada y almacena los valores de las trazas en la memoria FIFO (interna al dispositivo). El segundo programa no cuenta con discriminador por software pero una vez que se ejecuta por la presencia de una señal de disparo almacena los datos en una memoria RAM de 4K por 10 bits de ancho y esto lo realiza 100 veces.

3.-En conjunto con los programas de adquisición (VHDL), se han desarrollado los programas respectivos para la descarga de datos a la PC, basado en lenguaje de programación LabView.

CONCLUSIONES

4.-Se han ajustado los programas de análisis de datos de acuerdo a nuestros datos, dichos programas están en lenguaje C++ (root) y también se ha utilizado Gnuplot; es decir, ya se pueden comparar algunos resultados por ejemplo el rate de cada

tanque, de ambos sistemas (Auger).

5.- Se tiene un banco de datos obtenidos del funcionamiento del EAS-UAP. Con los cuales se obtuvieron rates y calibración de los tanques. Y la electrónica nos sirvió

como base para diseñar el nuevo sistema y caracterizar las señales de los tanques.

6.- Estamos trabajando en el software (VHDL) y LabView, para integrar en nuestro sistema de adquisición la hora y fecha con un sistema de posicionamiento global (GPS)

y tener precisión del orden de nanosegundos cuando se detecten los pulsos.

ARTICULOS

1.- Participación en la preparación del Artículo: “The Water Cherenkov Detector Array at the University of Puebla to study cosmic rays”,publicado en , Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. NIMA 850, (2005)Paginas 1-5.

2.- Participación en la preparación del Artículo“Electronics for the Extensive Air shower Detector Array at the University of Puebla”. AIP conference Proceedings, volumen 857(2006), page 338-341.

3.- Participación en la preparación del trabajo enviado al ICRC ( India, agosto 2005) “Hybrid Extensive Air shower Detector Array at the University of Puebla to Study Cosmics Rays”.

Bibliografía:

1.-The water Cherenkov detector array for studies of cosmic rays at the University of Puebla. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Volume 553, Issues 1-2, 11 November 2005, Pages 290-294 J. Cotzomi, E. Moreno, T. Murrieta, B. Palma, E. Pérez, H. Salazar and L. Villaseñor2.- http://direct.xilinx.com/bvdocs/appnotes/xapp105.pdf[3].- J. Nishimura, Handbuch der Physik XLVI/2, (1967) 1.[4].- Hybrid Extensive Air Shower Detector Array at the University of Puebla to Study Cosmic Rays. O. MARTINEZ, H. SALAZAR, L. VILLASEÑOR[5].-http://www.beyondlogic.org/spp/parallel.htm[6].-http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD9214.pdf[7].-http://www.xilinx.com/bvdocs/userguides/ug130.pdf[8].-http://www.tapr.org/gps_oncorevp.html

Contenido de la tesis

ADQUISICIÓN DE DATOS PARA EL ARREGLO HíBRIDO EAS-UAP

1.- Introduccion y revision sobre experimentos a 10*15eV. 20%2. El arreglo hibrido EAS-BUAP y la determinacion de la Distribucion lateral de muones y electrones/fotones 90%3.- El nuevo sistema de adquisicion ultrarapido del EAS-BUAP 70%4.-Resultados obtenidos con la nueva electronica. 5.-Conclusiones

Trabajos en la Sierra Negra. Realizar calibración con electrónica del arreglo experimental Auger (Argentina) y con la desarrollada en Puebla.

Los tanques tienen una

sección eficaz de 1 m2 y 4 m2 Internamente tienen un foto-

multiplicador de 5’’

(modelo EMI 9030A)

Ubicado a 4550 m s.n.m.6 tanques Cherenkov de

agua (5 funcionando).

Arreglo experimental en Sierra Negra

OBJETIVO:Búsqueda de GRBs en un rango de energía 10 GeV y 1 TeV y detección de rayos gamma de alta energía.

Esquema del

arreglo en

Sierra Negra

WCD6ALT:4551 MN 18°59’ 04.72W 97°18’46.8”

Análisis de datos obtenidos con electrónica del observatorio Auger de Argentina

definición del VEM nointercalibrado

Intercalibración en la SN en base carga

Intercalibración en la SN en base al Peak

Grafica de la función de distribución lateral de partículas

Para este evento reporto una energía de 127 TeV Ne(E0)=99.8 E0 ^1.107 [ 5]