Desarrollo y Caracterizacin de Fotomultiplicadores de Silicio para

Desarrollo y Caracterización de Fotomultiplicadores de Silicio para NEXT Trabajo Fin de Master 04/10/10 David Lorca Galindo

INDICE • • El neutrino y la desintegración doble beta. Anteriores Experimentos. NEXT. Fotomultiplicadores de Silicio (Si-PMs). Tetraphenyl Butadiene (TPB). Resultados y Discusión. Aplicaciones en Física Médica.

El neutrino y la desintegración doble beta. Wolfgang Pauli 1930 Spin +1/2 Modelo Estándar Sin Carga Masa Nula Partícula De Dirac

Oscilación de Neutrinos • Idénticas a sus Antipartículas • Violación del número leptónico. • Violación CP-Paridad.

Desintegración Doble Beta Según el Modelo Estándar. Observada en varios núcleos como 76 Ge, 48 Ca, 100 Mo, 82 Se o 150 Nd, con vidas medias de 1019 -1020 años. Prohibida por el Modelo Estándar. Choca con la Teoría de Dirac. Determinando la vida media de esta desintegración obtendríamos información sobre la masa del neutrino.

Anteriores Experimentos. CUORE (128 Te) NEMO y Super. NEMO (82 Se) Gerda (76 Ge) SNO (150 Nd) EXO (136 Xe)

NEXT (Neutrinoless Experiment with Xenon TPC) • Es un experimento para medir la desintegración doble beta sin neutrinos en el xenon usando una Cámara de Proyección Temporal (TPC) con 100 kg de Xe enriquecido con su isótopo 136 Xe (Qββ=2. 48 Me. V τββ=1022 -25 años) a 10 bar. • Utilizaremos la electroluminiscencia para obtener una señal luminosa que captaremos con fotomultiplicadores, midiendo así la energía y las trayectorias de los electrones emitidos en la desintegración doble beta.

Procedimiento físico de NEXT Los electrones emitidos en la desintegración doble beta excitan e ionizan al xenon El xenon se desexcita emitiendo fotones de 175 nm en un pico de varios ns. Esa luz será el inicio del evento, el centelleo primario (t 0). Los electrones de la ionización son acelerados por un campo eléctrico hacia el ánodo. En el ánodo un campo eléctrico de 3 -6 k. V/cm/bar acelerará los electrones produciendo electroluminiscencia sin ionizar el xenon. Es el centelleo secundario (EL) varios μs después del primario. 8

Prototipo NEXT-1. Actualmente en construcción Espectro desintegración doble beta. Resolución mejor que 1%. Topolog ía de la traza corresp ondient e a la dob desinte le gración beta. Con inos r t u e N SIN Neutrinos

Fotomultiplicadores de Silicio (Si-PMs) Principio de funcionamiento. Unión p-n Voltaje Inverso Aplicado Región Proporcionalidad Ganancia 50 -50000 Modo Geiger Ganancia ≈ 106

Si-PMs en NEXT Matrices de pequeños APDs funcionando en modo Geiger. Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) serie S 10362 Hamamatsu Photonics. Señal de salida de un MPPC = Suma de señales de cada uno de los pixeles. • Bajo Voltaje Operación • Bajo Coste • Alta eficiencia de fotodetección

El principal problema es la no adaptación entre el rango de sensibilidad de los MPPCs con las longitudes de onda provenientes del xenon (175 nm) Debemos introducir un cambiador de longitud de onda. Efectos de Temperatura sobre la ganancia de los MPPCs. Agrupación de Si-PMs en NEXT-1 ¿Mínima dispersión en Ganancia? Dependencia directa entre Ganancia y Voltaje de Operación.

Tetraphenyl Butadiene (TPB) Solución a la insensibilidad de los Si-PMs a las longitudes de onda provenientes del xenon. • Molécula orgánica con estructura de niveles. • Absorción en UV profundo, alrededor 175 nm. • Rango de Reemisión 400 -480 nm • Centrado en 440 nm de o r t n el ce n o e c d e d d i a c d i n ibil Coi s n e s a !!! máxim s MPPCs!!! o nuestr

Según estudios anteriores Dependencia directa entre la eficiencia de conversión y la densidad de TPB del depósito. Máxima eficiencia de conversión a 0, 05 mg/cm 2 Necesitamos un método de deposición de esta molécula preciso, que nos permita controlar las condiciones en que se realiza y el espesor conseguido.

Método de Deposición • Se ha llevado a cabo en dos laboratorios diferentes. • Se evapora la molécula en una cámara de vacío controlando presión y temperatura. Primera Deposición: Laboratorio de James White en TAMU (Texas A&M University) Evaporando a: • 8 cm de la superficie. • 212 ºC • 2. 10 -5 mbar.

Se realizó un depósito de 1 mg/cm 2 no uniforme sobre una placa formada por 19 Si. PMs y un cristal de cuarzo. Sirvió como calibración y muestra para los primeros estudios.

Segunda deposición: Instituto de Ciencia Molecular (ICMOL) • Sala limpia clase 10000 • En atmosfera de Nitrogeno. • Cámara de vacio 4 evaporadores independientes. Detectores de oro para medir el espesor de la deposición. Evaporación + Rotación.

Deposiciones realizadas en ICMOL Ti. O 2: endurecimiento, bloqueador UV Sn. O 2: hidrofóbica Iluminación con lámpara UV. Reemisión en visible.

Estudios y Resultados. • Ganancia de Si-PMs en función de su voltaje de operación • Efectos de Temperatura sobre la Ganancia de Si-PMs. • Depósito directo de TPB sobre Si-PMs. • Depósito de TPB sobre cristales. • Autoabsorción del depósito de TPB. • Homogeneidad de los depósitos.

Ganancia de Si-PMs en función de su voltaje de operación Circuito Amplificador Si-PM MPPCs de Hamamatsu Photonics S 10362 -11 -025 C S 10362 -11 -050 C LED 400 nm • Fuente de Tensión KEITHLEY 6487 • Generador de Pulsos AGILENT 33250 A Señal de Trigger Pulso Histograma 2º pico p. e. 1º pico p. e. Pedestal

Ajuste Gaussiano de los picos. Centroide de los picos corresponde con la carga generada en cada detección. Diferencia entre centroides = carga generada por un solo fotón. Ganancia del MPPC e = carga del electrón = 1, 602. 10 -19 C Rosciloscopio= 50 Ω

050 C Dependencia lineal entre Ganancia y Voltaje de alimentación. 025 C Selección adecuada de MPPCs Dispersión < 5%

Efectos de Temperatura sobre la Ganancia de Si-PMs Termómetro Digital Si-PM Célula peltier Circuito Amplificador ¿Dependencia de la Ganancia con la Temperatura? ¿Podría ser corregida? Cálculo de la Ganancia de un MPPC S 10362 -11 -025 C en diferentes condiciones de Temperatura

Disminución de Ganancia con la Temperatura G = 3. 5. 105 Correcciones on line del Voltaje de alimentación de Si-PMs

Depósito directo de TPB sobre Si-PMs. PCB Colimador ¿Efecto de TPB sobre la respuesta de Si-PMs? Electrónica Asociada Condiciones de iluminación (distancia, iluminación, voltajes, etc) constantes ¿Eficiencia de Conversión de TPB en función del grosor del depósito? Efecto producido únicamente por TPB

Si-PMs sin TPB Si-PMs con TPB Pico Autoabsorción a 340 nm Se observa un incremento en la señal detectada por los Si-PMs para bajas longitudes de onda. Se observa una ligera disminución para longitudes de onda superiores: Ligera autoabsorción. • Ampliar el estudio para longitudes de onda mas bajas, cercanas a la emisión del xenon, <260 • Ampliar el estudio de autoabsorción.

Bajas longitudes de onda (260, 285, 315 nm) Eficiencia de Conversión depende directamente del espesor de TPB. Espesor Optimo = 0, 05 mg/cm 2

Altas longitudes de onda (400, 370, 341 nm) Reducción de señal al aumentar el espesor de los depósitos. Mayor Absorción a 340 nm

Depósito de TPB sobre cristales. Nace por la necesidad de conocer que configuración es más ventajosa. La deposición directa imposibilita la reutilización de Si-PMs. Utilizamos una PCB de referencia para observar el efecto del TPB en los SI-PMs Cristales con una componente de Ti. O 2 Bloqueador UV profundo Cristal con TPB Soporte Teflón

Transmitancia = 5% para = 260 nm Medimos eficiencia de conversión en función del espesor de TPB. Solo = 260 nm Mismo comportamiento que para la deposición directa. Reducción considerable de la señal detectada por los SI-PMs.

Autoabsorción del depósito de TPB Reemisión del TPB a 440 nm. ¿qué cantidad de esta luz no es capaz de atravesar el depósito? PMT R 8520 de Hamamtsu Diferencia entre las señales del PMT con y sin depósito de TPB.

Dependencia directa entre grosor y autoabsorción. Recordamos: espesor óptimo de la eficiencia de conversión 0, 05 mg/cm 2 Efecto no significativo pero si debe ser tenido en cuenta.

Homogeneidad de los depósitos. Desuniformidad de grosor de TPB Diferencias en la eficiencia de conversión Respuesta diferente de los Si-PMs. Estudio de la respuesta de un Si-PMs en diferentes posiciones del cristal. Desviacion estándar de la serie de medidas Repetido con varios Si-PMs para eliminar errores sistematicos. HOMOGENEIDAD

Reducción de la Homogeneidad para bajos espesores. Efecto debido a la técnica empleada (ROTACIÓN) Futura producción de Si-PMs con TPB para NEXT Eficiencia de Conversión Homogeneidad

Planes de Futuro Pla recon no de strucc ió trazas n de • Agrupación de Si-PMs adecuadamente para su implementación en PCBs • Calibración de PCBs para el prototipo NEXT-1. • Deposición de TPB sobre PCBs. • Estudio de la degradación del TPB con el tiempo. PCBs hijas PCB madre

Aplicaciones en Física Médica Actualmente desarrollo de Si-PMs para su implementación en PET (Positron Emission Tomography) Técnica NO invasiva que proporciona una imagen tridimensional de la distribución espacial de un radiofármaco en el organismo. Detección en coincidencia de dos fotones antiparalelos de aniquilación e—e+ Uso de PMTs junto con cristales centelleadores para medir la energia de los fotones. (LYSO, GSO y BGO)

Si-PMs en PET ¿Ventajas de la utilización de Si-PMs en PET? • Insensibles a campos magnéticos. (Integración en MRI) • Bajo coste. • Bajo Voltaje de Operación. A A a • Alta eficiencia de fotodetección. PDE > 65% a 400 nm. • Excelente resolución temporal. (100 ps)

Substitución de cristales centelleadores por xenon liquido. Ventajas: • LXe tiene una eficiencia de centelleo dos veces mayor que el Na. I. • Tiempo de desexcitación del Lxe (3 ns), frente a LSO (40 ns). • Adaptabilidad, se ajusta a cualquier geometria. Detector = Si-PMs Futuros PET Medio activo = Xenon Liquido Adaptador = TPB