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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
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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
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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.
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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.
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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].
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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].
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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.
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CronogramaCronogramaCronogramaCronograma
Um esboço de um cronograma de atividades é apresentado da tabela 1.
Tabela 1 – Cronograma preliminar de atividades do projeto.
BibliografiaBibliografiaBibliografiaBibliografia
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the CMS experiment at the LHC,” Physics Letters B, vol. 716, pp. 30-61, 2012.
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vol. 3, p. S08002, 2008.
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Instrumentation, vol. 10, p. C03032, 2015.
[4] Super Kamiokande collaboration, “Solar neutrino measurements in Super-Kamiokande-
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[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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Moraes, M. G. Munhoz, G. Noël, A. Oskarsson, L. Osterman, A. Pilyar, K. Read, A. Ruette,
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Lanoë, W. Noije, A. Velure, S. Vereschagin, E. Wanlin, T. O. Weber e S. Zaporozhets,
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[12] J. F. C. A. Veloso, C. A. Santos, F. Pereira, C. D. R. Azevedo, F. D. Amaro, J. M. F. Santos, A.
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