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ESTRUTURA AVANÇADA PARA ESTUDOS DE NOVOS

DESENVOLVIMENTOS EM DETECTORES

GASOSOS MICRO-ESTRUTURADOS

Candidato:

Tiago Fiorini da Silva

Projeto de pesquisa apresentado ao

Instituto de Física da Universidade de São

Paulo como parte da avaliação em

concurso público para contratação de um

professor doutor em regime RDIDP para o

Departamento de Física Nuclear na área de

Pesquisa em Instrumentação para Física de

Íons Pesados Relativísticos.

fev. 2018

São Paulo

1

Projeto de pesquisa

Estrutura Estrutura Estrutura Estrutura avançada avançada avançada avançada para estudos para estudos para estudos para estudos de novos de novos de novos de novos desenvolvimentos desenvolvimentos desenvolvimentos desenvolvimentos

em em em em detectores gasosos microdetectores gasosos microdetectores gasosos microdetectores gasosos micro----estruturadosestruturadosestruturadosestruturados

Dr. Tiago F. da Silva

IntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoIntrodução

O estudo da física de altas energias explora os limites do conhecimento da humanidade

sobre processos fundamentais, tanto na escala subnuclear quanto na escala cosmológica. Como

qualquer ciência de fronteira, novos resultados somente são alcançados com esforços no

desenvolvimento de novas instrumentações que superem as atuais em performance e em

acurácia. Neste contexto, são destaques, seja em literatura científica especializada seja em

literatura de divulgação para o público em geral, os desenvolvimentos em aceleradores de

partículas que os tornem cada vez mais precisos em seus parâmetros de controle, e que

propiciem energias cada vez mais altas e de forma mais eficiente. Esforços reconhecidamente

bem sucedidos são do Fermilab, RHIC, Jeffersonlab, e o CERN, sendo este último o responsável

pelo projeto e execução do LHC: o maior acelerador de partículas já construído. Esses

desenvolvimentos são de importância fundamental para se explorar as condições extremas de

energia e temperatura que se formam no ponto de colisão, e que remontam o ambiente dos

primeiros instantes da formação do universo.

Paralelamente a esse esforço no desenvolvimento de grandes aceleradores está o

desenvolvimento de novos sistemas de detecção de partículas de altas energias, que certamente

desempenham papel fundamental na exploração dos limites da física teórica. Isso porque são

os detectores que coletam os dados que são usados no confronto de teorias e modelos, e apenas

através de novos desenvolvimentos em sistemas de detecção e aquisição de dados é que se

pode restringir cada vez mais os intervalos de confiança das medições e desta forma refutar

teorias ou modelos em níveis de confiança estatística adequados.

Um exemplo recente de importante avanço da física contemporânea foi a descoberta

do Bóson de Higgs, que rendeu o prêmio Nobel de física no ano de 2013 conjuntamente para

François Englert e Peter Higgs. Somente através de medidas realizadas nos detectores ATLAS e

CMS instalados no LHC do CERN [1] foi possível a detecção da existência de uma partícula com

massa de aproximadamente 126 GeV, que é consistente com a previsão feita através do modelo

padrão. Este é um excelente exemplo de avanço científico proporcionado por um esforço no

desenvolvimento instrumental.

Ainda no LHC, outros detectores também trabalham explorando a fronteira do

conhecimento. Por exemplo, o ALICE (do termo em inglês: A Large Ion Collider Experiment) é o

principal detector do LHC dedicado ao estudo do Plasma de Quarks e Glúons (QGP do termo em

inglês Quark Gluon Plasma) formado em colisões entre íons pesados altamente energéticos.

Além das colisões de íons pesados, com o ALICE também se estudam colisões próton-núcleo e

próton-próton, as quais são usadas como referência para estudos do QGP em intervalos

cinemáticos que são complementares aos outros detectores do LHC [2]. Composto por diversos

2

sub-detectores otimizados para fornecer uma alta resolução em medidas de momento e uma

ótima capacidade de identificação de partículas, os dados finais do ALICE são obtidos quando

são combinadas as informações obtidas dos diversos subsistemas em robustos algoritmos

computacionais de reconstrução dos eventos. Dentre os vários sub-detectores a Câmara de

Projeção Temporal (TPC do termo em inglês Time Projection Chamber), é o principal sub-

detector do ALICE por fornecer dados de alta precisão utilizados para a reconstrução das

trajetórias das partículas detectadas. Portanto seu projeto de leitura de dados e eletrônica é

crucial para que se obtenha boas eficiência e separação de trajetórias [2, 3].

Existem ainda exemplos onde os avanços nos sistemas de detecção para estudos de

partículas provenientes de raios cósmicos também levam à exploração dos limites do

conhecimento. Dois exemplos são os observatórios Super-Kamiokande [4] e Pierre Auger [5]. O

primeiro, localizado no Japão, possui um detector de neutrinos que consiste de um tanque

cilíndrico com 40 m de altura e os mesmos 40 m de diâmetro. Com capacidade para 50.000

toneladas de água, as paredes desse tanque são revestidas com 13.000 células

fotomultiplicadoras para a detecção de radiação de Cherenkov produzida pela passagem através

do volume de água de neutrinos provenientes do Sol. Usando o sinal de detecção de cada célula

fotomultiplicadora, é possível se reconstruir a direção de propagação do neutrino e também o

seu tipo (flavour). A principal descoberta feita com este detector foi a evidência da oscilação dos

neutrinos na atmosfera. Essa oscilação no tipo do neutrino explica o déficit no número de

neutrinos do múon medidos pelo observatório e que só é possível de ser explicado teoricamente

caso seja atribuída uma massa aos neutrinos. Questões sobre a massa dos neutrinos intrigam

físicos desde sua descoberta, e os resultados obtidos com o Super-Kamiokande renderam o

prêmio Nobel de física conjuntamente para Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald no ano de 2015.

Já o observatório Pierre Auger, localizado na Argentina, possui uma rede de detectores,

tanto terrestres quanto telescópios de fluorescência. Essa rede abrange uma impressionante

área de 3.000 km2 e se destina à medida de sinais de partículas geradas na atmosfera pela

interação da partícula cósmica primária e com isso reconstruir a trajetória da partícula primária,

que é altamente energética. O observatório se destina a estudar a origem dos raios cósmicos

ultra energéticos.

Com esses exemplos, o que se observa, em modo geral, é que os grandes avanços

obtidos no entendimento de processos físicos universais se dão através do suporte oferecido

por meio de avanços instrumentais, principalmente em sistemas de detecção, que encontram

desafios em atender demandas cada vez mais restringentes. O Brasil, por meio de colaborações

internacionais, tem participado do desenvolvimento de novos detectores e de sistemas de

aquisição para atender às novas demandas existentes. Este projeto se insere neste contexto, e

pretende colocar o Brasil como um polo não só para o desenvolvimento mas também para testes

de detectores gasosos micro estruturados. A criação da estrutura laboratorial proposta nesse

projeto será voltada para o estudo de meios de supressão de refluxo de íons nos detectores

gasosos e de processos de envelhecimento que levam a perdas de eficiência e de performance.

Os dois problemas são relacionados com novas demandas a serem atendidas para o uso de

detectores gasosos micro-estruturados nos próximos experimentos em upgrades nos

detectores do LHC e no futuro em experimentos no ILC.

3

Os detectores gasosos e a física nuclearOs detectores gasosos e a física nuclearOs detectores gasosos e a física nuclearOs detectores gasosos e a física nuclear de altas energiasde altas energiasde altas energiasde altas energias

Os detectores gasosos sempre desempenharam um papel importante no

desenvolvimento da física nuclear. Desde seus primórdios, físicos utilizam o processo de

ionização de gases pela radiação, com posterior amplificação do número de elétrons induzida

por um campo elétrico externo, para medir a energia das radiações ionizantes [6].

Este processo vem sendo aprimorado, seja pela procura de geometrias mais favoráveis,

seja pela busca de formas mais eficiente de amplificação pelo efeito avalanche. Desde os

primeiros contadores proporcionais até as atuais TPCs muitos desenvolvimentos foram

realizados e, atualmente, através do uso de tecnologia de micro-fabricação, soluções inovadoras

levaram à produção de novos detectores a gás que oferecem diversas vantagens relacionadas a

resolução espacial, robustez, fatores de amplificação e flexibilidade de formatos de construção

[7].

A invenção dos detectores gasosos micro-estruturados desencadeou uma série de

pesquisas e desenvolvimentos em uma nova geração de detectores gasosos. Um modelo em

particular tem atraído muita atenção de vários grupos de pesquisas: os Multiplicadores Gasosos

de Elétrons (GEM do termo em inglês Gaseous Electron Multiplier) [7]. Essa tecnologia permite

o desenvolvimento de detectores com resolução espacial sem precedentes e capacidade de

altas taxas de registros de eventos, além de possuírem grandes áreas sensíveis, maior

estabilidade operacional e maior resistência à radiação.

O elemento básico de um detector GEM é uma lâmina fina constituída de três camadas

e trabalhada pela técnica de fotolitografia e por uma corrosão subsequente, o mesmo processo

usado na fabricação de dispositivos microeletrônicos [7]. A lâmina consiste de três camadas:

uma polimérica isolante central, com aproximadamente 25 µm de espessura, revestida em

ambos os lados por camadas metálicas de aproximadamente 18 µm de espessura. A técnica de

fotolitografia seguida de corrosão serve para produzir um padrão micro-estruturado, em forma

de malha, de orifícios passantes igualmente espaçados. A tecnologia desenvolvida no CERN,

especialmente para a produção de detectores GEM, é capaz de produzir lâminas de grandes

áreas com baixa taxa de defeitos.

Com a aplicação de uma diferença de potencial entre as duas camadas metálicas, é

produzido um campo elétrico intenso na região interior aos canais. Desta forma, esta lâmina é

utilizada em um processo de multiplicação de elétrons em um detector GEM: os elétrons

produzidos por ionização em um volume de gás superior (região de deriva) devem ser guiados

por campos elétricos até as regiões internas dos canais da lâmina de multiplicação, onde são

acelerados e produzem novas ionizações por uma sequência de impactos em moléculas do gás

lá existentes, gerando novos elétrons que produzem novas ionizações e, assim, em um efeito de

avalanche, o número de elétrons é multiplicado exponencialmente. Os íons gerados nesta

avalanche retornam para a região de deriva. Por sua vez, os elétrons criados são guiados através

da região de indução para serem coletados e formarem o sinal do detector. Um desenho

esquemático de um GEM é mostrado na figura 1.

Pelo fato da avalanche de ionizações preservar a informação de posição da ionização

primária, os elétrons podem ser coletados por placas de leitura (read-out) também produzidas

com micro-estruturas. Uma placa de leitura pixelizada pode conferir ao GEM uma resolução

espacial de até 20 µm. Uma das formas de se obter essa informação seria pela implementação

de linhas de atraso, como é representado na figura 1.

4

Figura 1 – Desenho esquemático de um detector do tipo GEM. Desenho sem escala.

Um esforço intenso nesta área se dedica ao desenvolvimento desses detectores para

experiências futuras, como por exemplo a segunda geração dos estudos de íons pesados

relativísticos no LHC a ocorrer a partir de 2020 (também chamada de RUN3), quando termina o

período previsto de atualizações no LHC. Com as modificações previstas no acelerador, espera-

se um incremento na luminosidade do feixe em três ordens de magnitude, tornando viável o

estudo de eventos raros. Para se explorar esse incremento de luminosidade, é necessária uma

atualização da câmara TPC do ALICE, onde é prevista a substituição das MWPCs (do termo em

inglês Multi-Wire Proportional Chamber), que possuem taxa de eventos limitada a 500 Hz, por

detectores gasosos micro-estruturados do tipo GEM, que potencialmente podem operar em

taxas de eventos de até 50 kHz [7].

A baixa taxa de eventos suportada pelas MWPCs é devida à necessidade de operação

em modo intermitente. Este modo de operação é necessário para reduzir o efeito de distorções

nos campos elétricos internos ao detector, causadas pelo acúmulo de íons positivos na região

de deriva. Já os detectores do tipo GEM apresentam menores distorções e podem operar com

taxas de eventos mais elevadas [7]. Inevitavelmente, essa atualização do princípio de medição

implica em uma atualização do sistema de aquisição para suportar o aumento da taxa de eventos

[8].

5

Os Os Os Os desafios desafios desafios desafios no uso no uso no uso no uso dos detectores gasosos micro dos detectores gasosos micro dos detectores gasosos micro dos detectores gasosos micro estruturados no panorama estruturados no panorama estruturados no panorama estruturados no panorama

científico de fronteiracientífico de fronteiracientífico de fronteiracientífico de fronteira

Visando a próxima geração de experimentos de altas energias, que segundo um dos

planos possíveis deve ser realizada no ILC (do termo em inglês International Linear Collider), a

aplicação dos detectores gasosos micro-estruturados tem uma posição favorável graças às suas

excelentes propriedades. Pesquisas e desenvolvimentos para se atingir resolução espacial de

20 μm já se encontram adiantadas com os protótipos GridPix [9] e GOSSIP [10]. Estes também

são ótimos candidatos para atualizações dos detectores de múons nos end-caps do detector

ATLAS.

No entanto, outros aspectos ainda necessitam de desenvolvimento para que o uso dos

detectores gasosos micro-estruturados possa ser adequado a algumas especificações destas

aplicações. Um deles se refere ao refluxo de íons no gás. Este é um fenômeno que ocorre

durante o funcionamento dos detectores a gás, e se refere ao movimento das cargas positivas

(íons) no gás na direção da região de deriva. Pelo fato dos íons se movimentarem muito mais

lentamente que os elétrons no meio gasoso, esse refluxo de íons gera um acúmulo de cargas

elétricas positivas na região de deriva, acumulo este que altera a distribuição de campos

elétricos dentro do detector, gerando uma alteração do ganho em altas taxas de eventos. Em

certos casos, este acúmulo também pode levar ao faiscamento dentro do detector e

consequentemente à possível inutilização das placas de amplificação. Apesar dos detectores

gasosos micro estruturados oferecerem uma fração menor de refluxo de íons, quando

comparado com tecnologias anteriores, ainda assim formas de suprimir o efeito de refluxo são

altamente desejadas devido às altas taxas de eventos previstas nos experimentos sLHC e do ILC.

Existem propostas de atenuação do efeito de refluxo de íons [11, 12], mas existe uma carência

de estudos detalhados sobre o tema, e que comparem quantitativamente e sistematicamente

as diferentes abordagens de otimizações.

O processo de refluxo de íons, somado às peculiaridades de projeto de placas de leitura

e de sistemas eletrônicos de aquisição para detectores de grandes áreas são também desafios

para a aplicação dos detectores gasosos micro-estruturados. A fabricação de detectores de

grandes áreas é altamente desejada, mas enfrenta problemas tanto físicos (alto refluxo de íons

positivos) como tecnológicos (grandes placas de leitura).

Outro ponto ainda em aberto para o funcionamento prolongado dos detectores gasosos

em funcionamento contínuo refere-se aos processos de deterioração de desempenho do

detector. A principal causa dessa deterioração é o depósito nos eletrodos de uma fina camada

isolante que resulta da polimerização de moléculas orgânicas gasosas geradas durante o

processo de avalanche. Estes filmes isolantes causam uma queda abrupta do ganho no processo

de multiplicação de elétrons, e geram a necessidade de reposição de componentes, ponto que

é extremamente indesejado na ampla maioria dos experimentos futuros. Adicionalmente, o uso

de moléculas baseadas em Flúor, como CF4, oferece um ganho enorme na resolução temporal

do detector, que não só duplica a precisão em tempo no registro de um evento, como também

traz uma vantagem essencial para a operação em altas taxas de eventos [13]. No entanto, as

quebras moleculares do CF4 levam à formação de radicais de Flúor que são altamente reativos

e corroem diretamente as partes poliméricas internas do detector, levando mais uma vez à

degradação do seu desempenho [14].

6

Sendo assim, problemas relacionados à degradação do desempenho do detector, seja

pela formação da camada isolante nos eletrodos seja pela corrosão das partes poliméricas

internas, precisam ser melhor caracterizados e, se possível, soluções que estendam a vida útil

desses detectores devem ser propostas. Possivelmente, exista uma relação de custo-benefício

ligada à perda de desempenho e à melhora da resolução temporal, e a caracterização dos

rearranjos moleculares no gás pode oferecer uma base sólida para otimizações nas misturas

gasosas.

A criação de uA criação de uA criação de uA criação de uma estrutura laboratorial para ma estrutura laboratorial para ma estrutura laboratorial para ma estrutura laboratorial para teste e teste e teste e teste e para para para para novos novos novos novos

desenvodesenvodesenvodesenvolvimentos lvimentos lvimentos lvimentos dos detectores gasosos microdos detectores gasosos microdos detectores gasosos microdos detectores gasosos micro----estruturadosestruturadosestruturadosestruturados

Este projeto propõe a formação de uma estrutura laboratorial para testes de

desempenho de detectores gasosos micro-estruturados utilizando feixes de íons de baixa

energia. Mesmo sendo voltados à detecção de íons de altas energias, o fato de íons de baixa

energia depositarem muito mais energia nos detectores gasosos os torna mais adequados para

ensaios relacionados a supressão de refluxo de íons positivos, a estudos de desgastes, medidas

de curvas de caracterização e estudos de formação de pulsos.

A principal estrutura a ser utilizada neste projeto está instalada no Laboratório de

Análises de Materiais com Feixes Iônicos (LAMFI). Este laboratório possui um acelerador de íons

capaz de gerar feixes de prótons com energias entre 0,4 e 3,4 MeV, e de alfas com energias entre

0,5 e 5,4 MeV, em ambos os casos com acurácia melhor que 0.5%. O controle de dose depositada

é melhor que 1% e é possível se atingir um amplo intervalo de produção de taxa de eventos.

Com essas características, é possível sintonizar a energia do feixe do LAMFI para se

produzir ionizações em profundidades muito bem definidas no volume gasoso do detector. Esse

efeito pode ser observado nos gráficos das figuras 1 e 2, que foram gerados a partir de resultados

de simulação com método de Monte-Carlo usando-se o programa SRIM2013. A intenção por

trás desses ensaios será a de se estudar a relação entre a razão de refluxo de íons positivos em

função da profundidade onde são geradas as ionizações primárias. Com isso, pretende-se avaliar

quais profundidades são mais suscetíveis à geração de refluxo e com isso se determinar as

regiões passíveis de otimizações. Com o controle preciso do fluxo total de íons para dentro do

detector, será possível realizar estudos em altas taxas de eventos com a intenção da

determinação de limiares de distorção dos campos elétricos e consequente alteração de ganho,

além de estudos de limiares de faiscamento, outra característica importante a ser investigada.

Medidas equivalentes podem ser realizadas com o foco no estudo da geração do pulso

elétrico pelo detector, que é formado pelo número amplificado de elétrons que chega ao

eletrodo coletor. Desta forma, ao verificar a dependência da formação do pulso elétrico para

ionizações primárias em diferentes profundidades no volume gasoso, produzir-se-á dados para

validação de simulações computacionais, que levam em conta não só os processos de ionização,

mas também o transporte eletrônico na configuração de campos elétricos internos do detector.

Tal estudo também pode gerar dados para possíveis otimização de parâmetros do detector,

além de estudos detalhados da eficiência de recolha dos elétrons primários.

7

Figura 2 – Comparação de alcances e taxas de perda de energia por processos de ionização

(Sionização) para prótons com três energias diferentes (dentro do intervalo atingido pelo

acelerador do LAMFI) em um ambiente gasoso rarefeito de mistura de Ar com CO2 (20%). A

janela do detector foi adotada como sendo uma folha de 6 µm de espessura de Al.

Figura 3 – Comparação de alcances e taxas de perda de energia por processos de ionização

(Sionização) para alfas com três energias diferentes (dentro do intervalo atingido pelo acelerador

do LAMFI) em um ambiente gasoso rarefeito de mistura de Ar com CO2 (20%). A janela do

detector foi adotada como sendo uma folha de 6 µm de espessura de Al.

Para a realização deste projeto, pretende-se utilizar uma estrutura já existente no LAMFI

para o início imediato de alguns dos ensaios. Por exemplo, foi adquirido no ano de 2017 um

pico-amperímetro modelo AH501D produzido pela CAENels, com quatro canais de leitura de

corrente, frequência de amostragem de 3 kHz (período de 300 µs) e sensibilidade de 300 aA.

Com este equipamento será possível executar medidas de refluxo de íons em geometria de GEM

com uma única placa amplificadora. As condições de resolução temporal, sincronia dos sinais e

sensibilidade em corrente proporcionadas aqui serão superiores aos estudos feitos até o

momento [15, 16]. A futura aquisição de um módulo adicional idêntico (EUR 6000,00) viabilizaria

a medida em uma geometria de até 3 placas amplificadoras. Medidas assim não só levarão ao

8

teste de refluxo de íons em diversas geometrias das placas amplificadoras (variações de

transparência óptica, arranjo e aros de proteção) como também viabilizarão novos

entendimentos sobre a formação do pulso gerado no evento.

Por sua vez, um sistema de controle simultâneo de fluxo de gás para até 5 espécies

diferentes está em desenvolvimento. Com este sistema será possível o controle em tempo real

das proporções gasosas dentro do detector bem como o controle do fluxo de renovação do gás.

Este sistema viabilizará testes de eficiência e de resolução temporal para uma variação mais fina

na proporção das misturas gasosas quando comparado com as variações analisadas em estudos

publicados. Tal flexibilidade possibilitará otimizações marginais do desempenho do detector.

Além disso, alterando-se o fluxo de renovação do gás também será possível estudo da

degradação do gás devido às ionizações causadas pelo efeito avalanche, que poderão ser

importantes em sistemas selados.

Figura 4 – Esquema do sistema de controle de fluxo e análise de gás. O LAMFI está construindo

atualmente o sistema de controle de gás. O sistema de análise será uma expansão para este

projeto.

Está previsto neste projeto a busca de fundos por meio de financiamento junto às

agências de fomento para a aquisição de um sistema analisador de gás em altas pressões. Este

sistema será conectado na saída de gás do detector para análise da formação de novas espécies

químicas. Impurezas e moléculas desprendidas das partes poliméricas desgastadas gerarão

novas espécies químicas em concentração traço durante o processo de recombinação molecular

após a avalanche, que podem ser detectadas por sistemas analisadores de gás (US 20.000,00) e

assim trazer informações sobre os processos de degradação no interior do detector, buscando

informações referentes à deterioração de performance devido à deterioração do gás utilizado.

Aliado à análise dos gases na saída do detector, medidas de RBS e ERDA nos eletrodos

do detector após acumular horas de funcionamento contínuo possibilitarão a caracterização da

formação da camada isolante que deteriora o funcionamento do detector. Esta caracterização

deve ser feita para diferentes concentrações gasosas no interior do detector e levarão a um

melhor entendimento do processo de degradação do ganho. Possivelmente, uma otimização da

proporção entre CF4 e CO2 pode levar a um regime de deposição e ataque químico simultâneos

9

que quando combinados em taxas adequadas possam estender a vida útil das partes sem uma

perda significativa da resolução temporal do detector.

Além da estrutura do LAMFI, este projeto prevê alguns ensaios de viabilidade de análises

de refluxo de íons positivos e de formação do pulso utilizando feixes de íons pesados produzidos

pelo acelerador do Laboratório Aberto de Física Nuclear (LAFN). Com a mesma filosofia de se

sintonizar a energia do feixe para que as ionizações primárias ocorram em profundidades

diferentes do volume gasoso e a avaliação da razão de refluxo de íons positivos e da formação

do pulso do sinal. A vantagem é que o número de ionizações produzidas com íons de feixes mais

pesados é pelo menos uma ordem de grandeza maior que para prótons e alfas, como pode ser

constatado comparando-se o gráfico da figura 5, calculado para íons de Carbono com os gráficos

das figuras 2 e 3, calculados para prótons e alfas, respectivamente.

Figura 5 – Comparação de alcances e taxas de perda de energia por processos de ionização

(Sionização) para íons de Carbono com três energias diferentes (dentro do intervalo atingido pelo

acelerador do LAFN) em um ambiente gasoso rarefeito de mistura de Ar com CO2 (20%). A janela

do detector foi adotada como sendo uma folha de 6 µm de espessura de Al.

A estrutura laboratorial no contexto de uma colaboração A estrutura laboratorial no contexto de uma colaboração A estrutura laboratorial no contexto de uma colaboração A estrutura laboratorial no contexto de uma colaboração internacionalinternacionalinternacionalinternacional

Este projeto propõe a criação de uma estrutura laboratorial que integre e aperfeiçoe

recursos existentes no Instituto de Física da USP, mais especificamente dentro dos laboratórios

LAMFI e LAFN. Pretende-se que este projeto seja executado dentro do HEPIC (do termo em

inglês High Energy Physics and Instrumentation Center), que é um laboratório do IFUSP

integrante do grupo de laboratórios ao redor do mundo que mantém o ALICE do LHC. Esta

colaboração inclui não somente o tratamento e análise dos dados produzidos pelo detector

ALICE, mas também inclui trabalhos de instrumentação para altas energias referentes

principalmente às futuras atualizações que ocorrerão neste detector.

Recentemente, o HEPIC tem trabalhado no desenvolvimento de uma nova

instrumentação eletrônica para ser usada na atualização da TPC do ALICE. Depois da atualização

um novo sistema eletrônico de aquisição de dados será necessário, e deverá ser capaz de operar

numa taxa de eventos de 50 kHz (a instrumentação atualmente instalada opera em taxa de

eventos de 500 Hz). O SAMPA é um dispositivo eletrônico projetado em uma colaboração entre

o HEPIC e a Escola Politécnica da USP, que é fabricado com tecnologia CMOS de 130 nm e possui

10

32 canais de leitura analógica. O dispositivo integra as funções de conversor analógico para

digital, processador digital de sinais e de compressão de dados [8]. Atualmente, alguns

protótipos estão sendo testados e certificados, e se encontram em fase final para a aprovação

de fabricação de 80.000 unidades, a serem instaladas no detector ALICE.

Da necessidade de testes do dispositivo SAMPA, também se desenvolveu no HEPIC uma

linha de pesquisa para o desenvolvimento de um tipo de detector gasoso micro-estruturado, os

GEMs [17]. Esta linha de pesquisa se insere dentro da colaboração RD51 do CERN para o

desenvolvimento de detectores gasosos micro-estruturados [18].

Desta forma, este projeto visa complementar a estrutura instalada no HEPIC. E também

integrar a RD51 como uma estrutura laboratorial de testes e de caracterizações de detectores

gasosos micro-estruturados, usando feixes de íons de baixa energia. Este projeto se inspira no

exemplo de uma outra colaboração europeia, a AIDA2020, que se destina a integrar laboratórios

que desenvolvam novas tecnologias para detectores em geral. Esta colaboração possui uma

estrutura experimental para testes de detectores semi-condutores com feixes de íons oferecida

pelo Rudjer Boskovic Institute Accelerator Facility (RBI-AF), um laboratório similar ao LAMFI. No

entanto, não existe ainda nenhuma estrutura laboratorial semelhante para executar estudos em

detectores gasosos, e este projeto se destina criar esta estrutura dentro do HEPIC.

Com a nova estrutura laboratorial proposta neste projeto, o HEPIC expandirá sua

participação dentro das tarefas determinadas pela colaboração RD51. Atualmente, as atividades

do HEPIC se concentram nas tarefas WG5 (General Purpose Pixel Chip) através dos

desenvolvimentos do SAMPA chip, e na WG3 (X-ray and Neutron Imaging) pelos

desenvolvimentos com detectores GEM. Com a incorporação da nova estrutura laboratorial, o

HEPIC passará a integrar as tarefas WG7 (Test Beam Facility) e a WG2 (Common Test Standards,

Ageing & Radiation Hardness, Charging up and Rate Capability e Study of Avalanche Statistics).

A figura 6, obtida de [18], mostra esquematicamente as tarefas propostas dentro da colaboração

RD51 e suas subtarefas.

O candidato possui longa experiência no desenvolvimento de instrumentação nuclear,

tendo trabalhado, não só no LAMFI com o desenvolvimento de instrumentação nuclear de

baixas energias, mas também em colaboração internacional no desenvolvimento de um sistema

de detecção por tempo-de-vôo para íons pesados. Sendo assim, com a sinergia entre a atual

estrutura do HEPIC para o desenvolvimento de GEMs e as competências do candidato, somada

as oportunidades proporcionadas pela estrutura laboratorial deste projeto, espera-se que haja

um ganho expressivo na participação Brasileira nos desenvolvimentos de futuros experimentos

em física de altas energias, e no desenvolvimento de novas aplicações das novas tecnologias de

detectores a gás micro-estruturados.

11

Figura 6 – Esquema das tarefas e subtarefas determinadas pela colaboração RD51 do CERN.

Resultados científicos desejadosResultados científicos desejadosResultados científicos desejadosResultados científicos desejados

Almeja-se com este projeto, a criação de uma estrutura laboratorial capaz de produzir

dados sistemáticos a respeito do desempenho de detectores gasosos micro-estruturados. Com

essa estrutura pretende-se estudar dois pontos específicos, que estão relacionados ao

desempenho desses detectores quando aplicados a estudos de física de altas energias com íons

pesados: o refluxo de íons positivos e a degradação do detector.

Os estudos desses dois tópicos ainda são escassos, não apresentam comparações

sistemáticas e nem métodos rigidamente definidos. A contribuição que uma estrutura

laboratorial como esta pode trazer é única e será capaz de colocar o HEPIC em uma posição de

destaque na colaboração RD51 do CERN.

A determinação da sensibilidade da região de deriva à formação do refluxo de íons irá

proporcionar dados importantes para a proposição de meios de atenuação do acúmulo de íons

positivos. Esta caracterização também levará a um melhor entendimento dos limiares de

faiscamento.

A caracterização da formação de filmes isolantes nos eletrodos proporcionará uma

melhor previsibilidade da performance a longo prazo dos detectores, e o estudo da corrosão

induzida pelos radicais de Flúor gerados na quebra de moléculas de CF4 produzirá dados para

um melhor entendimento da corrosão das partes internas dos detectores de resposta rápida.

Ademais, espera-se com esta estrutura laboratorial incentivar o intercâmbio de

estudantes e de cientistas por meio da atividade laboratorial a ser divulgada dentro da

colaboração RD51.

12

CronogramaCronogramaCronogramaCronograma

Um esboço de um cronograma de atividades é apresentado da tabela 1.

Tabela 1 – Cronograma preliminar de atividades do projeto.

BibliografiaBibliografiaBibliografiaBibliografia

[1] ATLAS and CMS collaborations, “Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with

the CMS experiment at the LHC,” Physics Letters B, vol. 716, pp. 30-61, 2012.

[2] ALICE collaboration, “The ALICE experiment at the CERN LHC,” Journal of Instrumentation,

vol. 3, p. S08002, 2008.

[3] C. Cavicchioli, “Operational experience with the ALICE Pixel Detector,” Journal of

Instrumentation, vol. 10, p. C03032, 2015.

[4] Super Kamiokande collaboration, “Solar neutrino measurements in Super-Kamiokande-

IV,” Phys. Rev. D, vol. 94, nº 5, p. 052010, 9 2016.

[5] The Pierre Auger collaboration, “The Pierre Auger Cosmic Ray Observatory,” Nuclear

Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers,

Detectors and Associated Equipment, vol. 798, pp. 172-213, 2015.

[6] F. Sauli, Gaseous Radiation Detectors: Fundamentals and Applications, New York:

Cambridge University Press, 2014.

Descrição Ano 1 Ano 2 Ano 3 Ano 4 Ano 5

Escrita do projeto para aquisição do analisador de gases

Preparação para medidas de refluxo de íons

Construção do sistema de controle de fluxo de gases

Simulações de refluxo de íons

Simulações de misturas gasosas

Primeiras medidas de refluxo de íons positivos no LAMFI

Ingresso da estrutura laboratorial na colaboração RD51

Caracterizações de performance para diferentes misturas gasosas

Estudo da recombinação gasosa por análise de gás

Caracterização de depósitos isolantes nos eletrodos por RBS

Caracterização de multiplicação de elétrons em altas taxas de eventos

Estudo de viabilidade do uso de íons pesados no LAFN

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