1

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

2

SumárioSumário

• Motivação

• Detector / Sistema experimental

• Medida simultânea de traços e dos sinais de Luz

• Localização completa do traço

• Tabalho Futuro

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3

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

Jornadas LIP 2003

4

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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5

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

Jornadas LIP 2003

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.

6

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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7

Sistema Experimental Jornadas LIP 2003

8

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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9

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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10

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

Jornadas LIP 2003

11

Resultados Experimentais

0 1x105 2x105 3x105 4x1050

10

20

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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13

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

8

10

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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14

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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