SEP TNM

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TIJUANA

“Modelado de placas micro canal como detectores astronómicos de radiación UV”

Maestría en Ciencias de la Ingeniería

Presenta: Pozos Flores Angel Manrique

No. Control: M07211505

Asesor Interno: Dr. Leonardo Trujillo Reyes

Co-Asesor: Dr. Edgar Castillo Domínguez

Tijuana, Baja California, Mayo del 2015

Índice Introducción ................................................................................................................. 2 Objetivo general .......................................................................................................... 3

Objetivos particulares ............................................................................................... 3 Metas .......................................................................................................................... 4 Aspectos metodológicos ............................................................................................. 5 Estado del arte ............................................................................................................ 6 Bibliografía .................................................................................................................. 7 Materias por cursar ..................................................................................................... 8 Cronograma ................................................................................................................ 8

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Introducción Las placas micro canal (MCPs) se encuentran entre los detectores de mayor

sensibilidad para la radiación ultra violeta (UV). Su sensibilidad los hace atractivos

para aplicaciones astronómicas. Sin embargo, las características de fabricación de

los más sensibles permanecen como un secreto industrial al que muy pocas

compañías en el mundo tienen acceso.

Esta limitación, aunado a que se requieren en contadas ocasiones, los encarece y

pone fuera del alcance de proyectos astronómicos modestos. Recientemente, un

grupo de investigadores del INAOE (Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y

Electrónica) ha sido invitado al consorcio del World Space Observatory, que es un

satélite que albergará un telescopio optimizado para el UV y cuatro instrumentos.

Entre los instrumentos se encuentra ISSIS, un espectrógrafo sin rendija que operará

en la banda de UV y FUV.

Uno de los paquetes de trabajo disponibles es el que comprende los dos sistemas de

detección. Ambas bandas contemplan el uso de MCPs. En México existen

instituciones con el potencial de generar los materiales y las condiciones de

encapsulado de los MCPs, sin embargo hasta hora no había sido requerido.

En este trabajo se generará un modelo de los MCP para obtener su respuesta a

fotones UV en función de sus parámetros de fabricación y de operación: composición

de materiales, voltaje entre el foto cátodo y el ánodo, geometría de los micro canales,

material de las ventanas y del sistema final de detección.

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Objetivo general Obtener un modelo computacional de un detector UV para fines astronómicos a partir

de la física involucrada en las placas micro canal.

Objetivos particulares

• Obtener el conocimiento necesario para definir la importancia de la banda ultra

violeta en aplicaciones astronómicas.

• Determinar los componentes de un sistema de detección UV con una placa

micro canal.

• Modelar la física involucrada en las placas micro canal para habilitar la

optimización de los materiales, dimensiones y otras variables de fabricación.

• Caracterizar un sensor CMOS para usarse como salida de la placa micro

canal y comparar el consumo de energía.

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Metas A continuación se muestran las metas específicas del proyecto.

1. Obtener los conocimientos astronómicos para poner en contexto la importancia del desarrollo. Esto se hará través de dos cursos de maestría impartidos en el INAOE.

2. Complementar los conocimientos técnicos necesarios para analizar e implementar el modelo físico de la placa micro canal y su sistema de detección final. Este punto también se hará con dos cursos de maestría impartidos en el INAOE.

3. Desglosar los componentes principales de una placa micro canal así como sus características de fabricación y la física detrás de ellos.

4. Elaborar un reporte con el resultado del desglose. Este servirá de base para el documento final de la tesis.

5. Establecer el modelo analítico de cada componente de la placa micro canal, incluyendo parámetros de fabricación, de los materiales usados y del ambiente involucrado tanto en la fabricación como en la operación, de ser relevantes.

6. Obtener la información del sistema de detección final, CMOS, caracterizando de forma práctica el dispositivo.

7. Integrar el modelo analítico final. 8. Programar el modelo analítico. 9. Validar el modelo con algunos de los MCPs comerciales de los que se tenga

la información necesaria. 10. Completar el reporte del trabajo y ponerlo en el formato requerido de tesis.

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Aspectos metodológicos El desarrollo de la investigación involucra aspectos bibliográficos para lograr el

correcto modelado analítico del dispositivo y la física que lo gobierna.

Además, se incluye una pequeña parte de caracterización de un detector comercial

CMOS calificado para aplicaciones espaciales, como tal, el subsistema de lectura debe

ser el de menor consumo posible sin comprometer la calidad de las imágenes. Esto le

da a la metodología un pequeño giro experimental, mientras que la programación,

optimización y validación del modelo le añaden la parte descriptiva a la metodología

general.

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Estado del arte

Microchannel plates for photon detection and imaging in space6

The conventional photomultiplier tube (PMT), invented in the 1930s, employs a photocathode to convert the detected photon to a photoelectron, and a discrete dynode electron multiplier to amplify the charge of the single photoelectron to the level that can be recorded by commercial electron circuits. The discrete dynode electron multiplier is not optimized for space observations. First, the dynode structure has to be ruggedized in order to survive the launch environment. Second, the complex arrangement of the high voltage dynode electronics does not permit compact packaging. Third, and most important, most of the efficient secondary electron emitting materials used to coat the dynodes cannot survive exposure to air. This prevents the use of the multiplier in an open structure configuration in the windowless region at extreme ultraviolet (EUV) wavelengths below about 116 nm. Actually the first class of digital readout arrays is the coded anode converter (CODACON). A charge pulse on a charge spreader causes charge to be induced in the code tracks. Differential amplifiers connected to each bit track pair determine which side of a pair has the most charge. The CODACON thus employs a 2encoding scheme where nis the number of code track pairs. A light-weight ultraviolet imaging spectrograph has been developed for remote sensing of planetary atmospheres, based on the Cassini instrument and using a light-weight CODACON tube assembly together with FPGA electronics. The second class of digital readout arrays is the multi-anode microchannel array (MAMA). The MAMA employs 2(n + 1) electrodes to uniquely define n (n+ 2) position locations in each axis.

Placas de micro canal para la detección de fotones y de formación de imágenes astronómicas6 El tubo fotomultiplicador convencional (PMT), inventado en la década de 1930, cuenta con un fotocátodo para convertir el fotón detectado a un fotoelectrón, utiliza un multiplicador discreto de electrones dinodo para amplificar la carga de un solo fotoelectrón de forma tal que se puede detectar mediante circuitos electrónicos comerciales . El multiplicador discreto de electrones dinodo no está optimizado para las observaciones espaciales. En primer lugar, la estructura dinodo tiene que ser construida sólidamente con el fin de sobrevivir al ambiente de lanzamiento. En segundo lugar, el complejo arreglo de la electrónica dinodo de alta tensión no permite el embalaje compacto. En tercer lugar, y más importante, la mayoría de los materiales de emisión de electrones secundarios eficientes utilizados para recubrir los dinodos no pueden sobrevivir a la exposición al aire. Esto evita el uso del multiplicador en una configuración de estructura abierta en la región de longitudes de onda por debajo de aproximadamente 116 nm ultravioleta extremo (EUV). Actualmente, la primera clase de arreglos de lectura digital es el convertidor ánodo codificada (CODACON). El CODACON emplea así un esquema de codificación 2n donde n es el número de código par. Un espectrógrafo de imágenes ultravioleta ha sido desarrollado para la detección de las

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atmósferas planetarias lejanas, basado en el instrumento Cassini y el uso de un conjunto de tubo CODACON ligero junto con la electrónica FPGA. La segunda clase de matrices de lectura digital es el micro canal matriz multi-ánodo (MAMA). MAMA emplea 2 (n + 1) electrodos para definir n ubicaciones (n + 2) de posición en cada eje.

Bibliografía [1] Eberhardt, E. (n.d.). Gain model for microchannel plates. Applied Optics Appl. Opt., 1418-1418. [2] Diebold, S., Barnstedt, J., Hermanutz, S., Kalkuhl, C., Kappelmann, N., Pfeifer, M., Werner, K. (n.d.). UV MCP Detectors for WSO-UV: Cross Strip Anode and Readout Electronics. IEEE Trans. Nucl. Sci. IEEE Transactions on Nuclear Science, 918-922. [3] Gómez De Castro, A., Perea, G., Sánchez, N., Santiago, J., Chirivella, J., & Seijas, J. (2014). The Imaging and Slitless Spectroscopy Instrument for Surveys (ISSIS): Expected radiometric performance, operation modes and data handling. Astrophysics and Space Science Astrophys Space Sci, 177-185. [4] Hermanutz, S., Barnstedt, J., Diebold, S., Elsener, H., Kalkuhl, C., Kappelmann, N., Werner, K. (2014). An introduction to the IAAT ultraviolet MCP detector development. Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray. [5] Siegmund, O., Tremsin, A., & Vallerga, J. (n.d.). Advanced MCP sensors for UV/visible astronomy and biology. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 185-189. [6] Timothy, J. (n.d.). Microchannel plates for photon detection and imaging in space. Observing Photons in Space, 391-421.

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Materias por cursar

1. Astronomía Observacional e Instrumentación. 2. Física estelar (Astronomía UV). 3. Adquisición y procesamiento de datos para astronomía. 4. Placas micro canal y sus técnicas de fabricación.

Cronograma Se presenta a continuación el cronograma propuesto de las actividades a realizar.

Meta / Periodo Ago-Dic 15 Ene-May 16 May-Jun 16 Jun-Ago 16

1 Cursos 1,2 y 3 X 2 Curso 4 X 3 Componentes X 4 Reporte A X 5 Modelo componentes X 6 CMOS X X 7 Modelo completo X 8 Programación X 9 Validación X 10 Reporte B X

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