“Medición de la Tasa de Llegada de Rayos Cósmicos Secundarios en Detectores Čerenkov con una Tarjeta de

Desarrollo”

Tesista: I. F. Mario Alberto Castillo Maldonado Asesores: Dr Humberto Salazar Ibargüen Dr. Luis Manuel Villaseñor Cendejas

Contenido

• Gamma Ray Burst (definición y clasificación, detección: satélites y desde tierra; técnica de la partícula sola)

• Electrónica para la implementación de la técnica (descripción de la tarjeta y de sus componentes)

• El software (el programa grabado en la D2FT, interacción de sus componentes de una manera somera)

• Pruebas de laboratorio• El tanque EAS-BUAP• Prueba en el volcán sierra La Negra.• Conclusión

Gamma Ray Burst: Definición y clasificación.

• Son destellos de enorme cantidad de energía en haces breves de rayos gama.

• La combinación de su gran brillantez y de su lejanía implica que se trata de los fenómenos explosivos más energéticos en el Universo.

• Clasificación : GRBs de corta duración y GRBs de larga duración (estrellas Wolf-Rayed).

A las estrellas candidatas como generadoras de GRBs de larga duración se les llama “Estrellas de Wolf-Rayed”

Gamma Ray Burst: ¿Cómo detectarlos?

Por medio de satélites:• Éstos contenían, por ejemplo: Telescopios de rayos X, LECS

& MECS (Low & Medium Energy Concentrator Spectrometers), HPGSPC (High pressure Gas Scintillator Proportional Counter) y Wide Field Camera

( WFC).• Fue posible encontrar la postluminiscencia.• Se aclaró que provenían de cuerpos ubicados en remotas

galaxias, por lo que tenían que ser intrínseca e inexplicablemente luminosos.

• Gracias a sus datos entregados se trabajó en la teoría de su origen.

Desde la tierra:• Con detectores de luz Čerenkov• Hasta la fecha no se ha podido detectar un GRB desde la

tierra.

Satélite BeppoSAX

La detección desde la tierra busca cubrir el rango de energía que los satélites en órbita no pueden cubrir (TeV)

El uso de tanques de agua

• Una de las ventajas de los tanques de agua es el hecho de que pueden detectar fotones (a través de su conversión en el volumen de agua).

• Esto hace a los detectores de agua Čerenkov excelentes detectores de GRBs.

• A igual superficie, un tanque Čerenkov detectará 10 veces más partículas que un centellador plástico, por ejemplo.

Una partícula cargada viajando más rápido que la luz en un medio dieléctrico produce una luz Čerenkov

Radiación Čerenkov

La técnica de la partícula sola

• El flujo de fotones originados por los GRBs son absorbidos al entrar a la atmósfera al igual que las cascadas que éstos generan.

• La idea consiste en no intentar detectar la cascada, sino a lo mejor, una sola partícula de la cascada.

• Si muchos fotones provienen del GRB, se puede esperar observar durante unos segundos varios fotones secundarios y si esta cantidad es mayor a la fluctuación del fondo de fotones, la que es debida a los rayos cósmicos, se podría detectar el GRB.

Diferencia entre el buscar el chubasco y detectar la partícula sola.

La intención es detectar algunas de las partículas no absorbidas por la atmósfera que pertenecen a la cascada electromagnética originada por los GRBs.

Electrónica para la implementación de la técnica

FPGA

ComputadoraTarjeta de conversión A/D

Señal de entrada

Motorola VP Oncore (GPS)

Módulo convertidor Pmod RS232

Fuente de bajo voltaje

Cable serial-USB

Electrónica para la implementación de la técnica (montaje experimental)

Montaje experimental

EL programa grabado en la D2FT

Lago_Final (código principal)

• En modo de conteo realiza el conteo de señales que han superado un umbral en 5ms y lo devuelve a la computadora vía cable serial.

•En modo de traza y carga nos devuelve la 30 puntos de la traza, la suma de éstos y su máximo. Envía estos 32 datos 1800 veces por segundo vía cable serial.

• Su código junto con el llamado a los componentes en el momento adecuado garantizan estas dos tareas.

•Componentes declarados: PC_Spartan_OK, MyUART_TX_115200, Oncore_1_OK, IBUFG, IBUF, CLKDLL, BUFG, OBUF.

Oncore_1_OK

• Asegura correcta recepción y selección de los datos provinientes del GPS hacia la D2FT.

•@@Eamdyyhms...(lo que el GPS está mandando contínuamente)

MyUART_RX_9600

• Recepción de datos a 9600 bits/seg que vienen del Motorola VP Oncore.

La tarjeta D2FT provee los siguientes componentes:

IBUF, CLKDLL, BUFG, OBUF.

Cuyo fin es devolver un clock de 100 MHz para ser utilizado por la tarjeta de conversión A/D.

MyUART_TX_115200

• Transmición de datos a 115200 bits/seg (desde la tarjeta D2FT hacia la PC).

PC_Spartan_OK

• Asegura la correcta introducción de los comandos para el modo de operación y los umbrales en la tarjeta D2FT.

•@@RD##0D0A (lectura del registro ##)

•@@Wr##0D0A (grabar el valor ##)

•@@Tz##0D0A (grabar ## como umbral de trazas).

•@@Ty##0D0A (grabar ## como umbral de trazas)

MyUART_RX_115200

•. Recepción de datos a 115200 bits/seg (desde la PC hacia la tarjeta D2FT vía serial)

Pruebas en el laboratorio para el modo de traza y carga

Digitalización de un pulso de 400mV y 100ns de ancho (1KHz de frecuencia de repetición)

Digitalización de un pulso de 400mV y 150ns de ancho (1KHz de frecuencia de repetición)

Se varió el ancho del pulso desde 50ns hasta 250ns

Tiempo (10ns) Tiempo (10ns)

# de

cue

ntas

# de

cue

ntas

Pruebas en el laboratorio para el modo de traza y carga

Digitalización de un pulso de 300mV y 100ns de ancho (1KHz de frecuencia de repetición)

Digitalización de un pulso de 1V y 100ns de ancho (1KHz de frecuencia de repetición)

Se varió la altura del pulso desde 100mV hasta 2V conservando su ancho y la frecuencia de repetición

# de

cue

ntas

# de

cue

ntas

Tiempo (10ns) Tiempo (10ns)

Pruebas en el laboratorio para el modo de traza y carga

Digitalización de un pulso de 400mV, 100ns de ancho y 2KHz de frecuencia de repetición.

Digitalización de un pulso de 400mV, 100ns de ancho y 60KHz de frecuencia de repetición.

Se varió la frecuencia de repetición del pulso desde 500Hz hasta 60KHz conservando su ancho y su altura

# de

cue

ntas

Tiempo (10ns) Tiempo (10ns)

# de

cue

ntas

10 *10ns= 100ns 15 *10ns= 100ns

Pruebas en el laboratorio para el modo de traza y carga (en tiempo real)

Digitalización de un pulso de 200mV, 80ns de ancho.

Con el uso del programa PERL y AWK se logró el monitoreo en tiempo real de las trazas.

Pruebas en el laboratorio para el modo de traza y carga

Histograma de la carga para un pulso de amplitud de 100mV, ancho de 100ns y 1kHz de frecuencia de repetición en un minuto.

Histograma de la carga para un pulso de amplitud de 800mV, ancho de 100ns y 1kHz de frecuencia de repetición en un minuto.

Se varió la amplitud de la señal desde 100mV hasta 1V conservando su ancho en 100ns y frecuencia de repetición en 1kHz.

Pruebas en el laboratorio para el modo de traza y carga

Se verifica que la carga es proporcional a la amplitud de la señal de entrada.

Pruebas en el laboratorio para el modo de conteo

Conteo para un umbral de 100mV (+ offset de 200mV) y una señal de 200mV (+ offset de 200mV).

Histograma del conteo para un umbral de 100mV (+offset de 200mV) y una señal de 200mV (+offset de 200mV).

Se varió la frecuencia de repetición desde 500Hz hasta 10kHz manteniendo constantes su amplitud en 200mV y ancho en 100ns..

Frec

uenc

ia d

e oc

urre

ncia

Carga (unidades arbitrarias)

Cont

eo

Tiempo (5ms)

Linealidad del programa en el modo conteo

Presenta un comportamiento lineal en el rango de 500Hz a 10KHz.

Cont

eo

Frecuencia de repetición (Hz)

El tanque EAS-BUAP (con osciloscopio)

El tanque EAS-BUAP (con la electrónica propuesta)

Se aprecia que existe un cambio de pendiente con los datos obtenidos con la electrónica propuesta

Prueba al modo de conteo usando una paleta centelladora

Se resuelve de esta gráfica 8 muones cada 5 ms son detectados por la paleta centelladora

¿Cómo se vería un GRB con la técnica de la partícula sola?

un exceso de conteo se refleja en un pico que rompe la forma Gaussiana del histograma del conteo

Prueba Final Volcán Sierra La Negra (trazas)

Digitalización de las trazas obtenidas en Sierra La Negra para el WCD 3 Digitalización de las trazas obtenidas en Sierra La Negra para el WCD 1

# de

cue

ntas

# de

cue

ntas

Tiempo (10ns) Tiempo (10ns)

Prueba Final Volcán Sierra La Negra (modo de carga)

Frec

uenc

ia d

e oc

urre

ncia

Carga (unidad arbitraria)

~Q-5

Q-3

Prueba Final Volcán Sierra La Negra (modo de carga)

~Q-3

Prueba Final Volcán Sierra La Negra (carga con la Local Station)

Histograma de carga para el WCD 3 en 10min.

Los datos de la carga que arroja la electrónica actual (local station) tambien presentan un comportamiento similar al mostrado con la electrónica propuesta.

Carga (VEMS)

En conclusión

• :Del Software• Las pruebas hechas al programa propuesto en este trabajo han dejado en claro que:• En el modo de Traza Continua y carga:• El programa reproduce con gran exactitud la señal que es digitalizada a la entrada de la D2FT.• El programa responde correctamente hasta anchuras de 250ns, esto es, los 30 datos que se digitalizan de la señal de

entrada son suficientes para reproducir la misma. Esto es suficiente. • En cuanto a la rapidez de la respuesta en este modo el programa se probó en el rango de la frecuencia de repetición de

100Hz-6KHz presentando un óptimo desempeño.• Respecto a la amplitud de la señal, se puede asegurar que hasta 2 voltios funciona correctamente.• Los histogramas de carga demuestran, cualitativamente, un comportamiento similar cuando los datos son de la Local

Station como de la electrónica propuesta. • En el Modo de conteo• Debido a que dentro del código de la tarjeta D2FT la variable que almacena el número de veces que un umbral fue

sobrepasado es de 8 bits, el número máximo de veces en que se pasa un umbral será 255. Ésto limita naturalmente la respuesta del programa en este modo hasta una frecuencia de repetición de 51kHz.

• En el laboratorio se probó la proporcionalidad entre el conteo y la frecuencia de repetición conservándose esta hasta 10KHz.

•

• Del Hardware• La FPGA Spartan-2E (XC2S300E) constituye una muy buena opción para la medición del la tasa de llegada de chubascos los

rayos cósmicos (monitoreo) aunado a su bajo costo y consumo de energía se perfilan como un buen candidato para sustituir la estación local situada en el volcán Sierra la Negra.

Fin