TESINA

DESARROLLO DE UN SISTEMA EMBEBIDO PARA

DETECCIÓN DE RADIACIÓN IONIZANTE PARA

SEGURIDAD CIVIL

QUE PRESENTA

C. RAFAEL ANGEL NARCIO LAVEAGA

EN CUMPLIMIENTO PARCIAL DE LA

ESTADÍA PRÁCTICA DE

INGENIERÍA MECATRÓNICA

ASESOR ACADÉMICO

DR. ARTURO ALFONSO FERNÁNDEZ JARAMILLO

FACULTAD DE CIENCIAS FISICO-MATEMÁTICAS,

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SINALOA

DR. CARLOS DUARTE GALVÁN

Mazatlán, Sin. 9 de Diciembre de 2016

iv

DEDICATORIA El siguiente trabajo se lo dedico a:

Mis padres, por estar conmigo en las buenas y en las malas durante el transcurso de mis estudios en la carrera, brindarme su apoyo en mis proyectos, y ayudarme a lograr mi objetivo de realizar parte de mi estadía final en el extranjero.

Mi tío Arcadio de Guadalupe Laveaga López, porque haberme apoyado prácticamente en todos los proyectos en los que participé, por todos los consejos que me has dado a lo largo de mi vida, haberme visto crecer como persona, y ahora profesionalmente, y por ser uno de mis ejemplos a seguir en esta vida.

A mi tía Miriam Maurilia Laveaga López por darme alojamiento durante mi estancia en Tijuana el 2015, por sus consejos, por ser como una segunda madre, estar siempre al pendiente de mí, y procurar que mi estancia allí fuera una experiencia grata.

A mi tío Pablo Laveaga López por apoyarme incondicionalmente durante mi viaje, cuidar de mí, mostrarme Europa, recibirme, hacerme sentir como en casa, sus consejos, y ayudarme a adaptarme.

A mi tío Manuel de Jesús Laveaga López, a mi tía Juli, y mis primos, por haber convivido con ellos, darme su cariño y apoyo, mostrarme su ciudad, recibirme, y llevarme al lugar donde residiría un mes como parte de mí estadía final.

A mi prima Lidia Urzúa y a los demás residentes de la casa Ocaranza #81, por ayudarme a tener alojamiento en la ciudad de Culiacán durante mi estadía final, enseñarme a ser más independiente, por la convivencia, y aconsejarme a su manera.

A mis tíos, por haberme brindado su apoyo durante estos años de estudio, haberme abierto las puertas de sus casas, compartir conmigo, aconsejarme, y ayudarme a crecer como persona.

A mis hermanos, por todos los momentos que he pasado con ellos, todas esas pláticas, todas esas discusiones, todas las alegrías, y todo aquello que hemos pasado juntos.

A mis amigos, por siempre estar a mi lado, porque sé que sin ellos no habría podido llegar hasta aquí, por todos los momentos buenos y malos que hemos pasado, por los problemas que hemos sabido resolver, por apoyarme durante esta etapa, y por todo lo que nos espera.

“El desarrollo del hombre depende fundamentalmente de la invención. Es el producto más grande de su cerebro creativo. Su objetivo final es el dominio completo de la mente sobre el mundo material y el aprovechamiento de las fuerzas de la naturaleza a favor de las necesidades del hombre” – Nikola Tesla

v

AGRADECIMIENTOS En primer lugar, me gustaría agradecer a mi asesor académico, el Dr. Arturo Alfonso Fernández Jaramillo por haberme apoyado a lo largo de la carrera, por ayudarme a tener la oportunidad de realizar parte de mi estadía final en el CERN, por tenerme paciencia, por todos los consejos tanto académicos como personales, por ayudarme a resolver mis dudas y por permitirme trabajar con él. También quisiera agradecer al Dr. Carlos Duarte Galván por asesorarme, por guiarme, brindarme los conocimientos necesarios para realizar esta estadía, por tenerme paciencia cuando llegaba a cometer algún error, por recibirme y ayudarme a salir adelante. Al Dr. Ildefonso León Monzón, primeramente, por brindarme la oportunidad de ir a CERN, una experiencia que me ha ayudado a crecer de forma personal y profesional, por aconsejarme, por haberme apoyado mucho, guiarme dentro del mundo de la física, y brindarme nuevos conocimientos. Al M.C: Solangel Rojas Torres y al M.C. Juan Carlos Cabanillas Noris, ambos próximos en camino a obtener su título de doctorado; les agradezco por haberme guiado en este viaje, por permitirme trabajar con ustedes, por brindarme material para aprender, y por su amistad. El mandado final, hasta pronto y gracias por todo el pescado. Agradezco a “La Casa del niño poblano” y sus habitantes, el M.C. Abraham Villatoro Tello y el M.C. Luis Alberto Pérez Moreno, por haberme recibido, por todos los consejos que se me dieron, por ayudarme a adaptarme a la vida en el CERN, y guiarme. Al Dr. Jean-Pierre Revol, al Dr. Christoph Mayer, y al resto del equipo del detector AD por permitirme trabajar con ellos, brindarme su apoyo, y enseñarme. A Fernando Torres Avitia por los consejos, la convivencia, la sana competencia, por haber aprendido uno del otro, por compartir nuestra experiencia en CERN, y por los pays. A la Universidad Politécnica de Sinaloa, la Universidad Autónoma de Sinaloa, y a la Red Temática ALICE – LHC por hacer un esfuerzo conjunto para permitirme ir al CERN. Al Dr. Gerardo Herrera Corral por brindarme su apoyo. Al M.C. Manuel Alejandro Lugo Villeda, por haberme permitido trabajar con él a lo largo de mis estudios en la Universidad Politécnica de Sinaloa, por brindarme sus conocimientos, por creer en mí, por introducirme al mundo de la robótica, y ayudarme a crecer como persona durante estos años. Al Dr. José Víctor Núñez Nalda, por haber realizado mi servicio social con él, ser con quien aprendí a usar microcomputadores, por los conocimientos que me transmitió en matemáticas, robótica, y otros. Al Ing. Héctor Nahum Chavarría Lizárraga, por sus enseñanzas, amistad, buenos consejos, su apoyo, enseñarme a mantener la humildad ante todo y poner el conocimiento al servicio de las personas, ser un ejemplo a seguir, y ayudarme cuando lo necesitaba. Al Ing. Jorge Lizárraga Rodríguez, por ser la primera persona con quien trabajé en proyectos, por haber creído en mí, y mostrarme que la ciencia nos puede llevar lejos. A la Unidad Académica de Ingeniera Mecatrónica de la UPSIN, por ayudarme a formarme personal y profesionalmente. Al Depto. De Vinculación de la UPSIN por ayudarme en este viaje. Y finalmente me gustaría agradecer a mis compañeros del grupo 2 de la generación 2013 – 2017 de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Politécnica de Sinaloa, por esa convivencia que tuvimos a lo largo de nuestros estudios, por todos los momentos difíciles, y las alegrías que vivimos.

vi

RESUMEN

DESARROLLO DE UN SISTEMA EMBEBIDO PARA DETECCIÓN DE RADIACIÓN IONIZANTE PARA SEGURIDAD CIVIL

Rafael Angel Narcio Laveaga

Unidad Académica de Ingeniería Mecatrónica

Universidad Politécnica de Sinaloa

Mazatlán, Sinaloa, Diciembre 2016

Asesor: Dr. Arturo Alfonso Fernández Jaramillo

En este documento se presentan el marco teórico y las actividades realizadas

pertinentes al trabajo en un detector de radiación que se está desarrollando con

fines de seguridad civil.

Una parte importante de este documento son los antecedentes, ya que, al trabajarse

sobre temas de esta naturaleza se tuvo que llevar a cabo un estudio previo para

entender los sistemas sobre los cuales se estuvo trabajando, describiéndose en

este parte de la teoría de los diferentes elementos que conforman el sistema.

Enfocándose las actividades realizadas particularmente en la etapa de

caracterización, diseño electrónico y monitoreo del instrumento, refiriéndose esto a

la realización de fuentes de voltaje, diseño de placas de pruebas para permitir la

caracterización de contadores de fotón multi–pixel (MPPC).

Estando este proyecto aún en la etapa de caracterización, ya que se llevaron a cabo

estudios de ruido y de corriente oscura entre otras pruebas para lograr una correcta

caracterización de estos dispositivos.

El resultado final que se busca obtener de este proyecto es un detector de radiación

compacto que se pueda montar en un dron a fin de detectar y encontrar material

radioactivo sin arriesgar la vida humana.

También en este documento se reportan las actividades realizadas durante una

estancia de un mes realizada en la Organización Europea para la Investigación

Nuclear, CERN, por sus siglas en francés, donde se colaboró con el grupo

responsable del detector AD en diversas actividades.

vii

INDICE

I. ANTECEDENTES ............................................................................................ 1

I.1 COLABORACIÓN MÉXICO – CERN ......................................................... 1

I.2 FOTODETECTORES ................................................................................. 5

I.2.1 FOTOTUBOS ...................................................................................... 6

I.2.2 TUBOS FOTOMULTIPLICADORES .................................................... 6

I.2.3 FOTORRESISTENCIAS ...................................................................... 9

I.2.4 FOTODIODOS ................................................................................... 10

I.2.5 FOTOMULTIPLICADORES DE SILICIO ........................................... 12

I.2.6 CONTADORES DE FOTONES MULTI-PIXEL .................................. 14

I.2.7 COMPARACIÓN ................................................................................ 14

I.3 ELEMENTOS CENTELLADORES ........................................................... 15

I.3.1 CENTELLADORES INORGÁNICOS ................................................. 17

I.3.2 CENTELLADORES ORGÁNICOS ..................................................... 19

I.4 ELECTRÓNICA ANALÓGICA Y DE POTENCIA ..................................... 22

I.4.1 FILTROS ........................................................................................... 23

I.4.2 AMPLIFICADORES ........................................................................... 26

I.4.3 AMPLIFICADOR DIFERENCIADOR ................................................. 27

I.4.4 CONVERTIDOR ANALOGO – DIGITAL ............................................ 28

I.4.5 FUENTES DE ALTO VOLTAJE ......................................................... 30

I.5 ELECTRÓNICA DIGITAL ......................................................................... 31

I.5.1 FPGA ................................................................................................. 34

I.6 MICROCOMPUTADORAS ....................................................................... 39

II. METODOLOGÍA ............................................................................................ 40

viii

II.1 DISEÑO DE TARJETAS PCB .................................................................. 40

II.1.1 DISEÑO DE CIRCUITO PARA MPPC DE ALIMENTACIÓN POSITIVA

40

II.1.1 DISEÑO DE CIRCUITO PARA MPPC DE ALIMENTACIÓN NEGATIVA

43

II.1.2 DISEÑO DE CIRCUITO PARA FUENTE DE ALTO VOLTAJE

POSITIVA EMCO C15 ................................................................................... 44

II.1.3 DISEÑO DE CIRCUITO PARA DE FUENTE POSITIVA CON LT3571

46

II.1.4 DISEÑO DE CIRCUITO PARA FUENTE NEGATIVA HAMAMATSU 47

II.1.5 DISEÑO DE CIRCUITO DE INSTRUMENTACIÓN ........................... 50

II.1.6 MANUFACTURADO DE LAS PCB .................................................... 53

II.2 PRUEBAS DE LOS MPPC ....................................................................... 54

II.2.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO .................................................. 56

II.2.2 PRUEBAS DE CORRIENTE OSCURA ............................................. 58

II.3 DESARROLLO DE SOFTWARE EMBEBIDO EN LA

MICROCOMPUTADORA ................................................................................... 61

II.4 DISEÑO EN VHDL PARA FPGA ............................................................. 65

II.5 ACTIVIDADES DESARROLLADAS EN LA ORGANIZACIÓN EUROPEA

PARA LA INVESTIGACIÓN NUCLEAR ............................................................ 66

II.5.1 ANALISIS DE DATOS ....................................................................... 66

II.5.2 ANALISIS DE TARJETAS ELECTRÓNICAS CIU ............................. 69

II.5.3 MONTAJE DE SISTEMAS PARA REALIZACIÓN DE EXPERIMENTOS

CON TUBOS FOTOMULTIPLICADORES ..................................................... 71

II.5.4 COLABORACIÓN EN MEDICIONES Y TOMAS DE DATOS ............ 71

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................... 73

III.1 DISEÑO DE CIRCUITOS ......................................................................... 73

ix

III.2 PRUEBAS DE LOS MPPC ....................................................................... 73

III.3 MICROCOMPUTADORA Y FPGA ........................................................... 74

III.4 SISTEMA ................................................................................................. 75

IV. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 76

IV.1 REFERENCIAS .................................................................................... 76

IV.2 DOCUMENTOS CITADOS ................................................................... 79

V. CONCLUSIONES .......................................................................................... 83

VI. ANEXOS ..................................................................................................... 85

VI.1 ANEXO A: SCRIPT EN PYTHON PARA GRAFICAR LOS DATOS DE UN

PUERTO SERIAL EN 3D................................................................................... 85

VI.2 ANEXO B: SCRIPT EN MATLAB PARA ANÁLISIS DE CORRIENTE

OSCURA ........................................................................................................... 86

VI.3 ANEXO C: SCRIPT EN ROOT PARA GRAFICAR LA CARGA DE 2 PMT

CON RESPECTO AL TIEMPO .......................................................................... 87

x

INDICE DE FIGURAS

Figura I.1: Sub-detectores de ALICE, excepto AD[11] ............................................ 2

Figura I.2. Lado C del detector V0, imagen obtenida de [14]. ................................. 4

Figura I.3.Una parte de ACORDE vista a detalle, imagen obtenida de [15] ............ 4

Figura I.4: Lado C del detector AD, con los fotomultiplicadores expuestos. ............ 4

Figura I.5. Fototubo R1328U-53[21] ........................................................................ 6

Figura I.6. Componentes de un detector de centelleo: De izquierda a derecha:

Escudo magnético, losa de centelleo y guía de luz, tubo fotomultiplicador (56 AVP)

y base.[26] ............................................................................................................... 7

Figura I.7. Fotomultiplicadores en la caja superior del detector RICH 1 del

experimento LHCb[41] ............................................................................................ 8

Figura I.8. Tubos fotomultiplicadores del lado C del detector AD del experimento

ALICE ...................................................................................................................... 9

Figura I.9. Elementos de un fotodiodo(a), su símbolo eléctrico(b), los fotodiodos

están diseñados para trabajar en polarización inversa(c) [42] .............................. 10

Figura I.10. Diodo PIN y sus circuitos equivalentes[43]. ....................................... 10

Figura I.11. Esquema de un SPAD (a) y medición de la probabilidad de detección

de fotones dependiendo del ancho de banda de la luz y el voltaje de alimentación[45]

.............................................................................................................................. 11

Figura I.12. Comparación de eficiencia de detección de fotones entre los tubos

fotomultiplicadores, fotodiodos de avalancha, y fotomultiplicadores de Silicio[49]. 12

Figura I.13. Algunos centelladores y fibras ópticas. .............................................. 15

Figura I.14. Bandas energéticas de un centellador inorgánico. ............................. 18

Figura I.15. Niveles de energía de una molécula orgánica con estructura 𝜋 electrón,

recuperado de [63] ................................................................................................ 19

Figura I.16. Señal analógica observada en un osciloscopio. ................................. 22

Figura I.17. Filtro pasa - bajas de segundo orden. Pasivo y activo respectivamente.

Figura recuperada de [64] ..................................................................................... 24

Figura I.18. Comparación de la respuesta de fase. Imagen recuperada de [64]. .. 25

Figura I.19. Comparación de la ganancia de los filtros. Figura obtenida de [64] ... 25

xi

Figura I.20. Amplificador con ganancia invertida, figura recuperada de [65] ......... 26

Figura I.21. Amplificador operacional con ganancia no invertida .......................... 26

Figura I.22. Amplificador operacional en modo diferenciador de salida única. Imagen

obtenida de [16] ..................................................................................................... 27

Figura I.23. Digitalización y codificación de una señal analógica .......................... 28

Figura I.24. Diagrama de bloques de un ADC de aproximación sucesiva. Figura

obtenida de [16] ..................................................................................................... 29

Figura I.25. Representación en diagrama de bloques de una compuerta OR ....... 32

Figura I.26. Grafo de una máquina Mealy. Figura recuperada de [67] .................. 33

Figura I.27. Grafo de una máquina Moore. Figura recuperada de [67] ................. 33

Figura I.28. Tarjeta de desarrollo DE0-CV. ........................................................... 34

Figura I.29. Captura de pantalla de un archivo fuente en Active-HDL ................... 36

Figura I.30. Selección de pines en un proyecto de síntesis en Quartus ................ 37

Figura I.31. Síntesis estática en Quartus. ............................................................. 38

Figura I.32. FPGA después de síntesis directa, con programa en memoria ......... 38

Figura I.33. Raspberry Pi 3 modelo B .................................................................. 39

Figura II.1. Esquemático del circuito de prueba para el MPPC ............................. 41

Figura II.2. PCB para MPPC de alimentación positiva .......................................... 41

Figura II.3. PCB de MPPC de alimentación positiva. ............................................ 42

Figura II.4. PCB para MPPC de alimentación positiva de 70V .............................. 42

Figura II.5. Esquemático para MPPC de alimentación negativa, 1 es alimentación

negativa, 2 es tierra, y 3 es señal .......................................................................... 43

Figura II.6. PCB para MPPC de fuente negativa ................................................... 44

Figura II.7. PCB del MPPC con alimentación negativa ......................................... 44

Figura II.8. Esquemático para fuente de alto voltaje EMCO C15 .......................... 45

Figura II.9. PCB para fuente de alto voltaje con EMCO C15 ................................. 46

Figura II.10. Esquemático de circuito para el LT3571 ........................................... 47

Figura II.11. Esquemático de la fuente negativa. .................................................. 48

Figura II.12. PCB para fuente negativa de alto voltaje .......................................... 49

Figura II.13. Etapa de amplificación de la tarjeta de instrumentación ................... 50

Figura II.14. Comparador con histéresis. .............................................................. 51

xii

Figura II.15. Oscilador monoestable ...................................................................... 52

Figura II.16. Diseño de PCB para circuito de instrumentación .............................. 52

Figura II.17. LPKF S63. ......................................................................................... 53

Figura II.18. Crate CAEN siendo controlado por computadora. ............................ 55

Figura II.19. Prueba de funcionamiento de MPPC de alimentación positiva anterior.

.............................................................................................................................. 57

Figura II.20. Respuesta de MPPC nuevo de alimentación positiva ante señal de

LED. ...................................................................................................................... 57

Figura II.21. Respuesta de MPPC con fuente negativa Hamamatsu ante fuente

radioactiva de Sr-90 .............................................................................................. 58

Figura II.22. Fuente de alto voltaje negativa Hamamatsu(arriba) y fuente de alto

voltaje positiva EMCO (atrás). ............................................................................... 58

Figura II.23. Ejemplo de forma de onda de conteo oscuro para MPPC de

alimentación positiva usando la fuente CAEN para proveer un voltaje de

alimentación de 58.5V ........................................................................................... 59

Figura II.24. Forma de onda de la señal de carga para la señal mostrada en la Figura

II.23 ....................................................................................................................... 60

Figura II.25. Raspberry Pi 3 con pantalla touch, mouse y teclado. ........................ 61

Figura II.26. Importación de librerías y declaración de objetos ............................. 63

Figura II.27. Inicio de función, y declaración de variables. .................................... 63

Figura II.28. Lectura y asignación de datos, y actualización de animación. .......... 64

Figura II.29. Definición de lienzo, y declaración y asignación de variables. .......... 67

Figura II.30. Conversión de variables, configuración de líneas a trazar y caja de

leyendas ................................................................................................................ 68

Figura II.31. ROOT bajo Windows ejecutando un script. ....................................... 68

Figura II.32. Gráfica en la interfaz de ROOT. ........................................................ 69

Figura II.33. Crate con 2 tarjetas CIU y una CCIU conectado mediante un switcher

a la red LAN. ......................................................................................................... 70

Figura II.34. Tarjeta CIU ........................................................................................ 70

Figura II.35. Montaje experimental para pruebas de señal de disparo .................. 71

Figura II.36. Participación en toma de datos. ........................................................ 72

xiii

Figura II.37. Parte del tubo de haces. ................................................................... 72

Figura III.1. Ruido observado al usar la fuente EMCO, siendo la señal de la parte

superior la señal de voltaje, y la inferior la transformada de Fourier de la misma. 73

Figura III.2. Gráficas obtenidas usando script de graficado tridimensional en

Raspberry Pi .......................................................................................................... 74

Figura III.3. Diagrama de bloques del sistema. ..................................................... 75

xiv

INDICE DE TABLAS

Tabla I.1. Propiedades de algunos cristales centelladores, información obtenida de

[62] ........................................................................................................................ 17

Tabla I.2. Propiedades de algunos centelladores orgánicos. Información obtenida

de [63] ................................................................................................................... 20

Tabla I.3. Tabla de verdad de una compuerta OR. ............................................... 31

1

I. ANTECEDENTES

I.1 COLABORACIÓN MÉXICO – CERN

CERN, Organización Europea para la Investigación Nuclear, por sus siglas en

francés, es uno de los centros de investigación más respetados e importantes a

nivel mundial, siendo el lugar donde se creó la red informática mundial (World Wide

Web), donde se pudieron observar anti átomos por primera vez, y, más

recientemente, donde se descubrió el bosón de Higgs y los penta-quarks.

Además de esto, el CERN es mundialmente conocido por ser la institución que

planificó, y construyó el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en

ingles), siendo este un acelerador circular de partículas, con un diámetro de

aproximadamente 27 km, estando a una profundidad de aproximadamente 100 m.

bajo tierra. El LHC es conocido por ser la máquina más grande y compleja

construida por el hombre, siendo capaz de acelerar partículas a velocidades

cercanas a la velocidad de la luz, esto con el fin de tratar de resolver algunos de los

misterios de la física como el origen del universo, la antimateria, y la materia oscura.

El LHC cuenta con 7 detectores, contando cada uno con sub-detectores y

dedicándose al estudio de ciertos fenómenos en específico; siendo estos

detectores: CMS (en inglés Compact Muon Solenoid, “Solenoide Compacto de

Muones”), ATLAS(A Toroidal LHC Apparatus, “Aparato Toroidal del LHC”), ALICE

(A Large Ion Collider Experiment, “Un Gran Experimento de Colisionador de Iones”),

LHCb (LHC beauty, “La belleza del LHC”), LHCf (LHC forward, “ LHC frontal”),

TOTEM (TOTal cross section Elastic and diffractive Measurement, “Medición total

de sección cruzada elástica y difractiva”), y MoEDAL (Monopole and Exotics

detector At the LHC, “Detector de Monopolos y exóticos en el LHC”). Cada detector

dedicándose a las siguientes tareas:

CMS: Es un detector de propósito general diseñado para estudiar colisiones protón

– protón y hierro – hierro[1]. Junto con el detecto ATLAS, se ha usado para

investigaciones de materia oscura[2].

2

ATLAS: Es un detector de propósito general que toma ventaja del alto nivel de

energía en el LHC, tiene el toroide mas grande del mundo. Al igual que CMS, ha

sido usado para estudios de materia oscura[2]; además de ser estos mismos

detectores los involucrados en el descubrimiento del bosón de Higgs[3, 4]. Ambos

siguen usándose para estudiar el Higgs[5].

ALICE: Es un detector de iones pesados de propósito general que se centra en la

cromodinámica cuántica. Se usa para el estudio de la interacción fuerte en la

materia y del plasma de Quarks – Gluones. Se espera obtener respuestas sobre el

origen del universo usando este detector, ya que en el se reproducen condiciones

similares a las de los primeros instantes del universo en las colisiones de iones

pesados.[6]. En la Figura I.1: Sub-detectores de ALICE, excepto AD[11]podemos

observar un modelo de ALICE con la mayoría de sus detectores indicados.

LHCb: Esta dedicado a la detección de violaciones de la simetría CP y decaimientos

en los hadrones tipo B[7].

LHCf: Se centra en la medición de partículas neutras producto de colisiones[8].

TOTEM: Se centra en el estudio de la elasticidad y la difractividad[9].

MoEDAL: Se concentra en el estudio de rayos cósmicos[10]

Figura I.1: Sub-detectores de ALICE, excepto AD[11]

3

México cuenta con presencia en el CERN desde los años 80, teniendo

investigadores en CMS, ATLAS, ALICE, y en aceleradores. Dándose esta

participación a través de instituciones tanto mexicanas como extranjeras. El detector

donde México cuenta con mayor presencia es el detector ALICE, donde hay

participación mexicana en 3 sub-detectores. Los sub-detectores en los que

participan instituciones de México son:

V0: Construido e instalado por la colaboración mexicana en ALICE. Forma

parte del sistema de accionamiento de ALICE[12]. Podemos observar el lado

C (V0C) en la Figura I.2

ACORDE: “Un detector de rayos cósmicos” por sus siglas en inglés (A

Cosme Ray Detector), consiste de un grupo de centelladores ubicados arriba

de ALICE, se acciona al coincidir 2 de estos detectores centelladores.[13].

Podemos observar a detalle una parte de ACORDE en la Figura I.3

AD: ALICE Diffractive, detecta procesos de física difractiva, forma parte del

sistema de disparo, indicando cuando deben guardarse los datos de los

demás detectores del experimento ALICE. Este detector es de instalación

reciente. Se puede observar el lado C de este detector (ADC) en la Figura I.4

Las instituciones mexicanas que han firmado un acuerdo con el CERN son UNAM,

CINVESTAV, BUAP, UAS, Universidad Iberoamericana y la Universidad Autónoma

de San Luis Potosí. Siendo a través de estas instituciones por las cuales pueden

participar investigadores y alumnos de otras instituciones mexicanos que no han

firmado acuerdo con el CERN.

Los investigadores mexicanos que colaboran en el experimento ALICE son

liderados por el Dr. Gerardo Herrera Corral, y en específico los sinaloenses están a

cargo del Dr. Ildefonso León Monzón, de la Universidad Autónoma de Sinaloa. De

parte de esta universidad se trabaja especialmente en el detector AD, que consiste

de 2 arreglos de 8 foto-multiplicadores ubicados en el lado A y el lado C del

experimento ALICE. Por lo que se tienen 16 canales a través de los cuales se manda

información.

4

Figura I.2. Lado C del detector V0, imagen obtenida de [14].

Figura I.3.Una parte de ACORDE vista a detalle, imagen obtenida de [15]

Figura I.4: Lado C del detector AD, con los fotomultiplicadores expuestos.

El detector AD es uno de los detectores más rápidos dentro del experimento ALICE,

siendo capaz de detectar eventos antes que los demás detectores, por lo que se

usa como parte del sistema de disparo. Además de que planea usarse a futuro para

la detección del proceso de generación del bosón de Higgs.

5

I.2 FOTODETECTORES

La luz se define como la radiación electromagnética a la cual el ojo humano es

sensible, pudiendo este solo observar una parte de este espectro. Mediante

dispositivos electrónicos (fotodetectores) podemos percibir un mayor rango del

espectro electromagnético, desde rayos ultravioleta hasta infrarrojos. La radiación

óptica obedece las ecuaciones de Maxwell.[16].

Cuando la luz interactúa electrónicamente con un medio cambiando la energía de

sus electrones, o generando portadores. La energía de la luz puede ser cuantificada

de acuerdo a la teoría de Planck (ecuación I.1):

𝐸 = ℎ𝑓 =ℎ𝑐

𝜆 (I.1)

Donde 𝑓 es la frecuencia de la luz, 𝑐 es la velocidad de la luz, 𝜆 es el ancho de

banda, ℎ es la constante de Planck, y 𝐸 es energía de un fotón. [16]. Algunos

fotodetectores tienen alguna etapa de amplificación (fotomultiplicadores).

Si en el fotodetector incide luz a cierta frecuencia, este absorbe fotones, provocando

que los electrones pasen a la banda de continuidad, disminuyendo la resistencia de

este dispositivo[17]. Los fotoconducción se da de 2 formas: Intrínseca, cuando un

fotón con una energía superior a la banda de prohibición, manda a un electrón de la

banda de valencia a la de conducción, creando un par electrón – hueco; y

extrínseca, cuando se envía un electrón de la banda de valencia a la de

aceptación[16].

Se puede encontrar una diversidad de fotodetectores usados para diferentes

aplicaciones industriales, científicas, y cotidianas. Siendo ejemplo de ello los

detectores de humo, discos, estudio de fenómenos físicos, y en ciertos instrumentos

para diagnóstico médico. Algunos de los fotodetectores más importantes son

descritos a continuación.

6

I.2.1 FOTOTUBOS

Los fototubos, al ser fotodetectores, usan el efecto fotoeléctrico demostrado por

Heinrich Hertz en 1887[18], dado que para su funcionamiento los fotones impactan

en un fotocátodo, liberando electrones hacia un ánodo. Dependiendo del material

del fotocátodo es el ancho de banda de la luz al que es más sensible el fototubo.

Son tubos que se encuentran al vacío o rellenos de algún gas inerte. Han sido

ampliamente utilizados en muchas áreas, como análisis de sangre [19] y

reproducción de sonido [20]; pero, al no tener amplificación fueron reemplazados en

ciertas aplicaciones por los fotomultiplicadores.

Figura I.5. Fototubo R1328U-53[21]

Los fototubos al prácticamente no tener fluctuaciones en su salida a pesar de los

cambios de la temperatura del ambiente en el que se encuentre y tener un área de

detección grande se siguen utilizando para análisis químicos, análisis médicos, y en

mediciones laser[22]. En la Figura I.5Figura I.1 podemos observar un fototubo para

luz visible.

I.2.2 TUBOS FOTOMULTIPLICADORES

Los fotomultiplicadores (Photomultiplier tube, PMT) son transductores que

convierten luz en electricidad. Los PMT son fototubos altamente sensibles y de

respuesta rápida que amplifica la señal eléctrica mediante la emisión de electrones

auxiliares. Dado su sensibilidad es necesario que estén protegidos de la luz

7

parasita[23]. Estos dispositivos cuentan con una alta eficiencia cuántica

definiéndose eficiencia cuántica como el porcentaje de fotones que, al colisionar con

una superficie foto-reactiva, producen un par electrón – hueco[24].

Al igual que los fototubos convencionales, los fotomultiplicadores usan el efecto

fotoeléctrico, con la diferencia que producen una amplificación de señal por el efecto

de emisión secundaria (emisión de partículas secundarias debido a la incidencia de

una partícula con la suficiente energía) [25].

Figura I.6. Componentes de un detector de centelleo: De izquierda a derecha: Escudo

magnético, losa de centelleo y guía de luz, tubo fotomultiplicador (56 AVP) y base.[26]

El primer tubo fotomultiplicador fue desarrollado en 1934 [27], este primer tubo

fotomultiplicador solo tenía una etapa de amplificación, después se desarrollaron

tubos fotomultiplicadores con múltiples etapas [28, 29] y se seguiría mejorando esta

tecnología hasta nuestras fechas, dándose diferentes usos a lo largo de la historia,

como los mencionados a continuación:

En astronomía y espectroscopia. En los años 60 fueron usados para la

realización de espectrofotómetros astronómicos.[30]

8

Interferencia para radares. Durante la segunda guerra mundial, los

fotomultiplicadores fueron usados para generar ruido en los radares,

usándose con una entrada de luz no modulada y con altas ganancias.[31]

Detector de centelleo. Desde los 40 se empezaron a utilizar los PMT en

conjunto con los plásticos centelladores[32, 33], volviéndose esto en un

instrumento de medición popular.[34] Podemos observar los componentes

de un detector de centelleo en la Figura I.6.

Equipo de diagnóstico médico. Se ha usado para detectar, desde tumores

y anormalidades biológicas[35], hasta en la tomografía de emisión de

positrones[36], entre otros usos dentro de la instrumentación médica.

Investigación de física de partículas. Los fotomultiplicadores son

ampliamente utilizados en física de partículas como detectores de muones,

rayos cósmicos, y otras partículas en diversos centros de investigación

alrededor del mundo como CERN [37, 38], Fermilab [39], IceCube [40]. En la

Figura I.7 y la Figura I.8 se pueden observar fotomultiplicadores en los

detectores de los experimentos LHCb y ALICE, respectivamente, en el

CERN.

Figura I.7. Fotomultiplicadores en la caja superior del detector RICH 1 del experimento

LHCb[41]

9

Figura I.8. Tubos fotomultiplicadores del lado C del detector AD del experimento ALICE

Tienen la ventaja de presentar señales con una cantidad mínima de ruido y

amplificar la señal; sin embargo, tienen la desventaja de requerir fuentes de alto

voltaje sumamente estables, y no ser portátiles, por lo que han sido reemplazados

en diversas aplicaciones por los fotodiodos, fotorresistencias y fotomultiplicadores

de silicio.

I.2.3 FOTORRESISTENCIAS

Una fotorresistencia es un fotodetector que, debido al efecto fotoeléctrico, su

resistencia varia de manera inversamente proporcional a la intensidad de la luz. Las

fotorresistencias presentan dopantes cuya energía nominal es cercana a la banda

de continuidad, esto a fin de facilitar el paso de los fotones a la banda de

continuidad. La sensibilidad de estos detectores varia con el ancho de banda [17]

Al variar el comportamiento de estos dispositivos con la temperatura del ambiente,

se utilizan cuando no se requiere de mucha precisión ni un tiempo de respuesta alto,

como para el sistema de encendido y apagado de lámparas, y medición de luz en

cámaras, en ambos casos fungiendo con un sensor de luz.

10

I.2.4 FOTODIODOS

Figura I.9. Elementos de un fotodiodo(a), su símbolo eléctrico(b), los fotodiodos están

diseñados para trabajar en polarización inversa(c) [42]

Un fotodiodo, al tratarse de un fotodetector, es un dispositivo que convierte luz en

electricidad, en el caso del fotodiodo, también puede ser usado en modo fotovoltaico

al dejarlo sin alimentación eléctrica, usando el efecto fotovoltaico, funcionando como

una celda solar. Al funcionar en modo de polarización inversa (fotoconductor)

aumenta su corriente oscura (la corriente que conduce al no haber luz en el

ambiente) y su tiempo de respuesta. [42] En la Figura I.9 podemos observar sus

componentes, símbolo y modo de uso.

Figura I.10. Diodo PIN y sus circuitos equivalentes[43].

Los diodos PIN son aquellos que tienen una capa intrínseca sin dopante entre las

capaz de semiconductor tipo p y tipo n; estos dispositivos, tal y como es ilustrado

11

en la Figura I.10, operan de forma similar a un diodo en bajas frecuencias, y a una

resistencia en altas frecuencias; esto porque se almacena carga en la capa

intrínseca, y en altas frecuencias el fotodiodo no tiene el tiempo suficiente para

descargarse[44]. Estos fotodiodos tienen eficiencias cuánticas de entre 80% y 90%

en anchos de banda alrededor de 1500 nm. Al tener un buen tiempo de respuesta,

suelen usarse en aplicaciones científicas e industriales que requieren alta precisión,

teniendo la desventaja de no tener ganancia interna.

Figura I.11. Esquema de un SPAD (a) y medición de la probabilidad de detección de fotones

dependiendo del ancho de banda de la luz y el voltaje de alimentación[45]

También existen los fotodiodos de avalancha, que trabajan con voltajes cercanos al

de ruptura a fin de permitir que los portadores se multipliquen, generando una

ganancia interna. Algunos fotodiodos pueden operar por encima del voltaje de

rompimiento para darles la capacidad de detectar fotones aislados, a estos se les

llama fotodiodos de avalancha de fotón aislado (Single-Photon Avalanche Diode,

SPAD) [46].

Los SPAD, al tener mayor precisión, tener un tamaño reducido, su simplicidad,

facilidad de operación, y menor voltaje de alimentación; se han vuelto una

alternativa para los tubos fotomultiplicadores en aplicaciones donde la luz a medir

se centra en un punto pequeño.[47] Teniendo la desventaja de que individualmente

se estaría detectando un solo fotón a la vez.

12

I.2.5 FOTOMULTIPLICADORES DE SILICIO

Los fotomultiplicadores de Silicio (Silicon Photomultiplier, SiPM) son arreglos de

fotodiodos de avalancha de fotón aislado (micro pixeles de silicio) que cuentan con

una ganancia de 106, similar a la de los tubos fotomultiplicadores. Esta tecnología

fue inventada en el 2001 en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú.[48]

Algunas características de estos dispositivos es que pueden funcionar a voltajes tan

bajos como 24 V, su ganancia es afectada débilmente por la temperatura, bajos

niveles de ruido (principalmente debido a la corriente oscura), niveles de ganancia

similares a los de los tubos fotomultiplicadores, su tamaño reducido, linealidad entre

la ganancia y el voltaje de alimentación, y tener una eficiencia cuántica similar a la

de los tubos fotomultiplicadores para cierto rango de anchos de banda del espectro

electromagnético [49], tal y como se puede observar en la Figura I.12:

Figura I.12. Comparación de eficiencia de detección de fotones entre los tubos

fotomultiplicadores, fotodiodos de avalancha, y fotomultiplicadores de Silicio[49].

Braquiterapia: Al tener dispositivos más compactos, estos resultan menos

invasivos a la persona, sobre todo cuando se tiene que realizar en una zona

sensible, como es el caso de la braquiterapia (tratamiento para el cáncer de

cérvix, próstata, mama y piel [50]), la cual requiere del uso de dosímetros

muy compactos; teniendo la desventaja de que la linealidad de la energía

para niveles menores a 50 kilo-electro-volts(keV) todavía debe ser estudiada

usando fotones de rayos X monocromáticos [51].

13

Seguridad nacional: A fin de desarrollar detectores de radiación más

compactos para uso militar se ha probado con los fotodetectores de Silicio,

más se requiere mejorar la resolución de la energía y mejorar la estabilidad

del espectro[52].

Técnicas de imagen médica y espectroscopia: Los fotodetectores han

sido parte importante de las técnicas médicas para obtener imágenes del

cuerpo humano desde hace tiempo, siendo esta parte dominada hasta ahora

por los tubos fotomultiplicadores, pero, recientemente, dadas las mejoras en

los SiPM y su precio que tiende a bajar, esta tecnología se está volviendo

una alternativa importante para el desarrollo de detectores para tomografía

por emisión de positrones[53, 54], cámaras gamma[55], terapia de hadrones,

así como otras aplicaciones[56]. Para las aplicaciones mencionadas

anteriormente se reporta el uso de arreglos de 4 x 4 SiPM [52, 53, 55],

también reportándose que por la relación costo – eficiencia, otro tipo de

fotodetectores sigue dominando el mercado, pero se espera que,

eventualmente las continuas mejoras en los SiPM le den la ventaja a

dispositivos basados en esta tecnología[53].

Detección de centelleo: Al igual que los tubos fotomultiplicadores, los

fotomultiplicadores de silicio (SiPM), se usan para detección de centello en

materiales centelladores, llegando a ser esta una técnica común para trabajar

estas tecnologías[26, 53, 57], teniendo el material centellador como

acoplamiento óptico, mejorando su área de detección.

Experimentos de física de altas energías: Al ser posible desarrollar

detectores de centello con alta resolución de tiempo, entonces estos

detectores son aplicables en los experimentos de física de altas energías,

como es el caso del experimento MEG II. La desventaja que tienen los

fotomultiplicadores de silicio en estas aplicaciones es su tamaño pequeño,

más esto puede ser compensado conectando en serie estos detectores.[57]

14

I.2.6 CONTADORES DE FOTONES MULTI-PIXEL

Los contadores de fotones multi-pixel (Multi-Pixel Photon Counter, MPPC) son una

forma de fotomultiplicadores de Silicio, estos típicamente requieren una

alimentación menor a 100 V, están formados por un arreglo de fotodiodos de

avalancha muy pequeños, siendo estos los pixeles. La salida de carga de un pixel

es independiente del número de fotoelectrones producidos dentro del mismo, y está

dada por la ecuación I.2.

𝑄 = 𝐶(𝑉 − 𝑉𝑏𝑑) (I.2)

Siendo 𝑄 la carga, 𝐶 la capacitancia, 𝑉 es el voltaje aplicado, y 𝑉𝑏𝑑 es el voltaje de

rompimiento.[58]

I.2.7 COMPARACIÓN

Cada uno de los fotodetectores mencionados anteriormente tiene sus propias

ventajas y desventajas, siendo además más útiles para diferentes aplicaciones. De

estos fotodetectores los tubos fotomultiplicadores (PMT) y los fotodetectores de

silicio (SiPM) tienen aplicaciones muy similares.

Siendo tecnología más reciente los fotomultiplicadores de Silicio[48] que los tubos

fotomultiplicadores [27], los segundos tienen un mayor dominio del mercado actual,

más se espera que con mejoras en los SiPM sean sustituidos en diferentes

aplicaciones por esta nueva tecnología.

Para aplicaciones que requieren de dispositivos compactos los fotomultiplicadores

de Silicio tienen la ventaja, mientras que, en aplicaciones que requieren una mayor

área de detección, y por ende un detector de mayor tamaño, los PMT son de mayor

utilidad.

Dado que se busca desarrollar un sistema compacto para detección de radiación

con fines de detectar fuentes de radiación extraviadas que se pueda acoplar a un

dron, entonces se decidió por utilizar un arreglo de contadores de fotones multi-pixel

dada su capacidad para realizar este tipo de conteo, su tamaño, facilidad de uso, y

la cantidad de energía que requiere.

15

I.3 ELEMENTOS CENTELLADORES

Figura I.13. Algunos centelladores y fibras ópticas.

Los elementos centelladores son materiales que tienen la propiedad de convertir

fotones de alta energía en luz visible. Estos materiales son comúnmente utilizados

como acoplamiento óptico para fotodiodos, tubos fotomultiplicadores,

fotomultiplicadores de silicio, entre otros dispositivos [59]. Podemos observar

algunos materiales centelladores en la Figura I.13. Algunos centelladores y fibras

ópticas.

Al incidir radiación ionizante en un material transparente, generalmente se presenta

centello en este material, pero la mayoría de estos solo emita una cantidad pequeña

de luz. Solo ciertos materiales realizan este proceso de forma eficiente, siendo estos

llamados materiales centelladores. El proceso de centelleo comprende los

siguientes pasos:

1. Se produce un electrón energético al incidir un fotón en el centellador.

2. Al atravesar el centellador, el electrón producido va perdiendo energía,

cediendo está al excitar a otros electrones.

3. Los electrones decaen, transformando la energía sobrante en luz visible.

El primer material sólido que fue utilizado como detector de partículas fue un

centellador. Uno de ellos fue utilizado en el 1910 en el arreglo experimental de

dispersión de partículas alfa de Rutherford, las partículas golpeaban una pantalla

16

sulfito de zinc y se producía esta luz, que con ayuda de un microscopio o en

ocasiones sin ayuda de él, se observaba el paso de las partículas.[60]

Por un tiempo se abandonó parcialmente el uso de estos materiales, ya que para

usarse requerían de usar el sistema empleado por Rutherford, el cual era muy

tedioso y complicado de utilizar, más con la invención de los PMT y su combinación

con los centelladores estos materiales volvieron a ganar interés[33], se pueden

observar los componentes de un detector centellador en la Figura I.6.

Estos materiales tienen un uso muy amplio, ya que al acoplarse con los

fotodetectores se generan detectores de centelleo, mismos que son usados para

medir radiación contaminante, en tomografía de emisión de positrones, en

experimentos de física de partículas, aplicaciones en medicina nuclear, entre otras.

Siendo los detectores de centello unos de los instrumentos más usados en la física

de altas energías. El centellador ideal debe cumplir con las siguientes

características:

Tener una respuesta rápida y convertir de manera eficiente la energía

cinética de una partícula cargada en luz detectable.

La función entre el número de fotones emitidos y la energía depositada debe

ser lineal.

No debe reabsorber los fotones emitidos.

El centello debe decaer rápidamente.

Número atómico efectivo elevado, esto incrementa el coeficiente de

absorción.

Fácil de fabricar.

Buena calidad óptica.

Para facilitar el acople entre el material centellado y el sensor de luz, el

primero debe de tener un índice de refracción cercano al del vidrio (~1.5).

Los centelladores reales no cumplen al mismo tiempo con todas las características,

depende del material del centellador se obtienen distintas características. Los

centelladores se dividen en 2 clases principales: Orgánicos e inorgánicos.[61]

17

I.3.1 CENTELLADORES INORGÁNICOS

Los centelladores inórganicos son en su mayoría cristales (algunos gases, como el

hidrogeno y el oxigeno presentan centelleo, pero no se les usa dada su poca

eficiencia) y en general convierten la energía a luz de manera más eficiente, y

presentan mejor linealidad que los detectores orgánicos, con la desventaja de que

son lentos comparados con estos. Las propiedades de algunos de los centelladores

inorgánicos más comunes se encentran en la Tabla I.1:

Tabla I.1. Propiedades de algunos cristales centelladores, información obtenida de [62]

Composición

del

centellador

Densidad

(𝒈/𝒄𝒎𝟑)

Índice de

refracción

Ancho de

banda de

máxima

emisión

(𝒏𝒎)

Constante

de

decaimiento

(𝒏𝒔)

𝑁𝑎𝐼(𝑇𝑙) 3.67 1.9 410 250

𝐶𝑠𝐼 4.51 1.8 310 10

𝐶𝑠𝐼(𝑇𝑙) 4.51 1.8 565 1000

𝐶𝑎𝐹2(𝐸𝑢) 3.19 1.4 435 900

𝐵𝑎𝐹2 4.88 1.5 190/220

310

0.6

630

𝐵𝐺𝑂 7.13 2.2 480 300

𝐶𝑑𝑊𝑂4 7.9 2.3 540 5000

𝑃𝑏𝑊𝑂4 8.28 2.1 440 20

𝐶𝑒𝐹3 6.16 1.7 300

340

5

20

𝐺𝑆𝑂 6.71 1.9 430 60

𝐿𝑆𝑂 7 1.8 420 40

𝑌𝐴𝑃 5.5 1.9 370 30

18

Cabe mencionar que los centelladores orgánicos y los inorgánicos tienen

mecanismos de centelleo diferentes. En los centelladores orgánicos el centelleo es

debido a su estructura electrónica de bandas, dado que se trata de redes cristalinas.

Al absorber energía un electrón y pasar de la banda de valencia a la de conducción

en un material centellador inorgánico se genera un hueco en la banda de valencia,

mismo que es llenado al volver ese electrón a su lugar, cosa que ocurre cuando este

pierde la energía absorbida al emitir un fotón. Dado que este proceso es ineficiente

en los cristales puros, se les añaden dopantes a modo de activadores con el fin de

darle estados energéticos en la banda prohibida para que los electrones puedan

liberar la energía absorbida produciendo centello de forma más eficiente. En la

Figura I.14 podemos observar las bandas energéticas de un centellador inorgánico.

Figura I.14. Bandas energéticas de un centellador inorgánico.

19

I.3.2 CENTELLADORES ORGÁNICOS

Figura I.15. Niveles de energía de una molécula orgánica con estructura 𝜋 electrón,

recuperado de [63]

El proceso de centelleo en los materiales orgánicos tiene sus bases en las

transiciones entre niveles de energéticos de los electrones en la capa de valencia,

dándose estas transiciones a nivel molecular independientemente de su estado

físico. Una buena parte de los centelladores orgánicos está basado en moléculas

orgánicas con ciertas propiedades simétricas que le dan lugar a lo que se conoce

como estructura 𝜋 – electrón. En la Figura I.15 se pueden observar los niveles de

energía de una molécula orgánica con la estructura 𝜋 – electrón.[63]

Este tipo de centelladores generalmente está conformado de un material centellador

disuelto en un solvente base. Los centelladores orgánicos los podemos encontrar

en las siguientes formas: Soluciones líquidas, plásticos y cristales puros; teniendo

cada una de estas formas sus propias ventajas y desventajas.

A los centelladores orgánicos se les suele dopar con componentes de corrimiento

de ancho de banda, estos con el fin de que la luz emitida se de en un mayor ancho

20

de banda, facilitando así la absorción de está por el fotodetector al que se esté

acoplando y evitando el fenómeno de reabsorción.

En general los centelladores orgánicos son más fáciles de fabricar y brindan más

libertad para la generación de geometrías del centellador, dada esta característica

que tienen un tiempo de respuesta rápido, se les prefiere sobre los centelladores

inorgánicos cuando se requiere de alta velocidad o de un tipo de geometría

específico. En la Tabla I.2 podemos ver algunas propiedades y aplicaciones de

ciertos centelladores orgánicos.

Tabla I.2. Propiedades de algunos centelladores orgánicos. Información obtenida de [63]

Material

Densida

d (𝒈/

𝒄𝒎𝟑)

Índice de

refracción

Ancho

de banda

de

máxima

emisión

(𝒏𝒎)

Constante

de

decaimiento

(𝒏𝒔)

Aplicaciones

Cristales

puros

Antraceno 1.25 1.62 447 30

Estilbeno 1.16 1.626 410 4.5

Plásticos

BC – 400 1.032 1.581 423 2.4 Propósito

general

BC – 404 1.032 1.58 408 1.8 Conteo rápido

BC – 408 1.032 1.58 425 2.1

Contadores de

tiempo de

vuelo, gran

área.

BC – 430 1.032 1.58 580 16.8 Fotodiodos de

Silicio y PMT

21

con mejora

para rojos

BC – 452 1.080 1.58 424 2.1

Dosimetría de

rayos X (<100

KeV)

BC – 470 1.037 1.58 423 2.4 Dosimetría

BC – 498 1.032 1.58 423 2.4 Detección 𝛽 y

𝛾

Líquidos

BC – 517H 0.86 425 2

𝛾, rayos

cósmicos, y

partículas

cargadas

BC – 525 0.88 425 3.8

Espectrometría

de neutrones e

investigación

de neutrinos

BC – 537 0.954 425 2.8

Discriminación

de forma de

pulso

BC – 553 0.951 425 3.8 Rayos 𝛾 y X

22

I.4 ELECTRÓNICA ANALÓGICA Y DE POTENCIA

La electrónica analógica es la encargada de estudiar las señales eléctricas que

varían con respecto al tiempo y son continuas. Pudiendo ser los parámetros a

estudiar voltaje, intensidad, carga, potencia, etcétera. Esta rama de la electrónica

abarca dispositivos como circuitos integradores, conmutadores, derivadores, filtros

(tanto activos como pasivos), y cualquier circuito que produzca una señal analógica.

Figura I.16. Señal analógica observada en un osciloscopio.

Una señal analógica contiene su información en su forma de onda, amplitud y

frecuencia. Este tipo de señales es la que regularmente se obtiene al medir algún

fenómeno como es la temperatura, presión, luz, etcétera. En la Figura I.16 se puede

observar un ejemplo de señal analógica. Estas señales actualmente son poco

usadas en los sistemas computacionales y de control, optándose por digitalizar las

señales para facilitar su interpretación por alguna computadora o algún circuito

lógico.

Un dispositivo ampliamente utilizado para la medición de estas señales es el

osciloscopio, dado que nos permite visualizar la forma de onda, y nos da información

de su amplitud y frecuencia, además de tener herramientas para analizar esta señal

23

de manera más detallada, como es el nivel de umbral, y contando algunos con

opciones de guardado de datos.

Pudiendo incluso algunos de estos dispositivos de instrumentación implementar

filtros pasa-bajas para eliminar componentes de ruido de alta frecuencias. Estos

filtros se pueden diseñar usando componentes electrónicos como son capacitores

(filtros pasivos) y amplificadores operacionales (filtros activos).

I.4.1 FILTROS

Los filtros son circuitos electrónicos que discriminan componentes de señales por

su frecuencia. Pudiendo ser clasificados de acuerdo a su respuesta en frecuencia:

Filtro pasa – bajas: Estos filtros dejan pasar frecuencias más bajas a una

frecuencia de corte dada, atenuando los componentes de señal con una

frecuencia superior a la de corte. Es el tipo de filtro más comúnmente

utilizado ya que, generalmente, el ruido que se desea eliminar se encuentra

en las frecuencias altas. Es usado como filtro previo a la conversión análogo

– digital, en sistemas de audio, y tratamiento de imágenes, entre otras

aplicaciones.

Filtro pasa – altas: Atenúan componentes de frecuencia menores a las de

la frecuencia de corte dada por el diseño del circuito. Encuentra aplicación

en circuitos de alta frecuencia.

Filtro pasa – bandas: Son aquellos filtros que dejar pasar solo un rango de

frecuencias. Se aplican en circuitos en los que ya sabemos en qué rango de

frecuencias entra la respuesta de estos, así que se elimina el resto de las

frecuencias. Un uso común de estos filtros es en ecualizadores de audio.

Filtro elimina – bandas: Estos filtros atenúan los componentes de

frecuencia dentro de un rango de frecuencias. Encuentran aplicación

especialmente en radio y en audio.

Filtro multibanda: Deja pasar señales dentro de diferentes rangos de

frecuencia.

24

Además de poder ser clasificados por su comportamiento, los filtros pueden ser

clasificados según los componentes que lo conforman:

Filtro activo: Suelen tener un nivel de ganancia y calidad de señal superior,

además de aumentar la predictibilidad del circuito. Reciben su nombre debido

a que contienen elementos activos (amplificadores operacionales).

Filtros pasivos: Estos filtros constan de componentes pasivos (resistencias,

capacitores y bobinas), son usados con señales de alta frecuencia (mayores

a 1 mega Hertz).[64]

Figura I.17. Filtro pasa - bajas de segundo orden. Pasivo y activo respectivamente. Figura

recuperada de [64]

Existen diversos métodos de diseño para filtros, siendo los 3 más usados:

Filtro de Bessel: Permiten la respuesta de fase más lineal, tal y como

podemos observar en la Figura I.19. Se suelen usar en sistemas de audio.

Filtro de Butterworth: Presentan una respuesta plana hasta la frecuencia

de corte. Por lo que este tipo de filtros es regularmente usado como filtro

antialiasing [64] (eliminar las componentes con una frecuencia mayor al doble

que la frecuencia de muestro empleada, evitando así el efecto alias).

Filtro de Chebyshev: Este tipo de filtro presenta una caída en respuesta,

más este exhibe una respuesta menos plana; esto puede ser visto en la

Figura I.18.

25

Figura I.18. Comparación de la respuesta de fase. Imagen recuperada de [64].

Figura I.19. Comparación de la ganancia de los filtros. Figura obtenida de [64]

En la Figura I.19 se da la impedancia del circuito en Ω ya que la respuesta en

frecuencia de un filtro depende de su impedancia, basándose en ello los filtros

pasivos.

26

I.4.2 AMPLIFICADORES

Además de usarse en el diseño de filtros, los amplificadores operacionales se

emplean en otros usos, siendo uno de estos como amplificadores de señal, esto con

el fin de poder ver variaciones más pequeñas en una señal analógica, para observar

señales de menor amplitud, o bien, como etapa previa a la digitalización de la señal.

Para esta aplicación se usa un lazo cerrado con 2 resistencias, cuya proporción

defina la ganancia que tendrá la señal de salida del amplificador operacional. Se

pueden configurar como amplificador inversor (Figura I.20) y como no inversor

(Figura I.21). Si se desea obtener más ganancia se pueden usar en un arreglo de

cascada.

Figura I.20. Amplificador con ganancia invertida, figura recuperada de [65]

Figura I.21. Amplificador operacional con ganancia no invertida

27

Siendo las ecuaciones de las ganancias para cada modo de operación las

siguientes:

𝐴𝑣 =𝑉0𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛= −

𝑅2

𝑅1 (I.3)

𝐴𝑣 =𝑉0

𝑉𝑖𝑛= 1 +

𝑅1

𝑅2 (I.4)

I.4.3 AMPLIFICADOR DIFERENCIADOR

Otra configuración ampliamente utilizada para los amplificadores operacionales es

como diferenciadores. Para usarlos de este modo se aplica señal en ambas

entradas del mismo, quedando con el mismo arreglo electrónico, dando e esta forma

na salida positiva o negativa de acuerdo a cuál señal sea la de mayor intensidad y

con una ganancia dependiendo de la proporción entre las resistencias, cumpliendo

con las ecuaciones I.3 e I.4. La ecuación I.5 es la señal de salida de un amplificador

operacional en este modo de operación:

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝐴𝑣(𝑉− − 𝑉+) (I.5)

Figura I.22. Amplificador operacional en modo diferenciador de salida única. Imagen

obtenida de [16]

28

I.4.4 CONVERTIDOR ANALOGO – DIGITAL

Los filtros, amplificadores, y amplificadores diferenciadores, al usarse para procesar

una señal analógica, muchas veces se les usa como un procesamiento previo al

convertidor análogo digital, siendo este, como su nombre lo indica, el componente

encargado de digitalizar la señal.

Figura I.23. Digitalización y codificación de una señal analógica

Para realizar esta conversión se toman muestras de la señal analógica a una

frecuencia de muestreo constante a fin de digitalizar la señal, antes de digitalizar

esta señal, se debe de conocer su frecuencia, para así establecer la frecuencia de

muestreo necesaria para que esta conserve su forma de onda. De acuerdo con el

teorema de Nyquist, la señal debe ser muestreada al menos al doble de frecuencia

que su componente con mayor frecuencia, esto a fines de conservar la forma de

onda. A esta frecuencia se le llama frecuencia de Nyquist, la ecuación para

obtenerla puede ser observada en la ecuación I.6

𝑓𝑁 = 2𝑓𝑚𝑎𝑥 (I.6)

29

Si la frecuencia de muestreo es menor a la frecuencia de Nyquist entonces se

produce un fenómeno llamado aliasing, que es cuando las señales de mayor

frecuencia se solapan con las de menor frecuencia. Para evitar problemas como

este es que se usan filtros pasa–bajas a modo de anti – aliasing a fin de eliminar los

componentes de alta frecuencia antes de digitalizar la señal.

Una vez se ha realizado este procesamiento previo y ha sido muestreada la señal,

entonces se procede a retener la señal a fin de cuantificarla, la señal es retenida

solo el tiempo suficiente para llevar a cabo este proceso. Una vez cuantificada la

señal, entonces se procede a codificar esta señal mediante un arreglo interno del

ADC. De modo que los ADC tienen un arreglo interno, de modo que, al tener una

señal de referencia, y de acuerdo a la señal de entrada, se asigna un valor analógico

requerido para a activación de un bit de salida diferente, misma que se actualiza

según los ciclos de reloj que se le hayan asignado. Este proceso se puede visualizar

en la Figura I.24, y la evolución de la señal al ser digitalizada puede ser observada

en la Figura I.23.

Figura I.24. Diagrama de bloques de un ADC de aproximación sucesiva. Figura obtenida

de [16]

30

I.4.5 FUENTES DE ALTO VOLTAJE

Un elemento fundamental en el desarrollo de un sistema electrónico es la selección

o diseño de la fuente de alimentación. En este sentido pueden encontrarse en la

literatura diversas variantes tales como reguladores de voltaje, fuentes conmutadas,

entre otras. La importancia de la fuente de alimentación para cualquier sistema

radica, en que es la encargada de suministrar la energía necesaria para su correcto

funcionamiento. Además, en el caso de las fuentes de corriente directa con salida

estabilizada, su capacidad de mantener el voltaje constante en la salida, es una

cuestión de vital importancia y en la cual no se escatiman recursos.[66]

Estas fuentes la mayoría del tiempo amplifican un voltaje de entrada, bajo el costo

de reducir la corriente máxima de la fuente. Como se vio en el subtema I.2, la

mayoría de los detectores requieren de un alto voltaje de alimentación, haciendo

necesario el empleo de este tipo de fuentes.

31

I.5 ELECTRÓNICA DIGITAL

La electrónica digital es aquella que se encarga del estudio de señales cuyo valor

es un 0 lógico, o un 1 lógico. En una señal digital la información se encuentra en el

estado de la señal (0 o 1), la frecuencia, y la cantidad de pulsos; dependiendo del

parámetro que se esté buscando medir, por ejemplo, en la señal de un interruptor

la información estaría únicamente en el estado; mientras que en un encoder

rotacional la frecuencia nos dice la velocidad, el conteo de pulsos nos da la posición

y el orden de los pulsos la dirección; y en un proceso de comunicación serial la

cuentas de los pulsos con sus respectivos estados nos da la información.

Esta rama de la electrónica está cobrando cada vez más fuerza ya que se está

optando cada vez más por el procesamiento digital de señales. Además de ser

necesario codificar la señal en binario para poder almacenar la información en una

computadora, por ejemplo. Al tener la señal digital codificada se la puede procesar

en tiempo real mediante software, además de poder enviar esta señal para facilitar

su monitoreo.

Tabla I.3. Tabla de verdad de una compuerta OR.

Entradas Salidas

A B Y

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

Generalmente se sabe qué respuesta de salida esperamos obtener por cada

combinación de entradas, esto puede ser expresado en una tabla que contenga

todas las combinaciones posibles de los estados de las entradas con los estados

de las salidas correspondientes a cada combinación, a esta tabla se le llama tabla

de verdad, la Tabla I.3 es un ejemplo de tabla de verdad para una compuerta lógica

básica. Otra forma de forma de expresar la relación entradas/salidas en un sistema

32

digital es mediante una ecuación booleana, misma que, después puede reducirse

mediante su análisis y aplicando las leyes de Morgan.

Dado que en la electrónica digital se manejan solo 2 estados, dándose estos

muchas veces en funciones lógicas, se usan para su análisis herramientas como el

álgebra de Boole y los mapas de Karnaugh a fin de reducir la expresión lógica

necesaria para obtener el resultado deseado. No siempre las salidas deseadas

están dadas por un conjunto de entradas, muchas veces la salida de un sistema

digital, depende del conteo de pulsos de reloj, ya sea las salidas tomando valores

diferentes de acuerdo al conteo, o que este cambie las condicionales del sistema.

Siguiendo con el ejemplo de la compuerta OR, en la ecuación I.7 se expresa la

ecuación para una compuerta OR.

𝐴 + 𝐵 = 𝑌 (I.7)

Un circuito de electrónica digital puede ser representado usando un diagrama de

bloques, siendo cada función lógica representada por un bloque diferente, en este

tipo de representación se le da nombre a las entradas y salidas del circuito, mismas

que son enviadas a distintos bloques, cuyas salidas pasan a otros bloques, hasta

llegar a las salidas del sistema. La Figura I.25 es la representación en un diagrama

e bloques de una compuerta OR.

Figura I.25. Representación en diagrama de bloques de una compuerta OR

Si en un sistema se cambian las condicionales para lograr las salidas, ya sea por

un pulso de reloj o por ciertas variables de control, entonces se puede decir que el

sistema tiene una lógica secuencial, por lo que este puede ser representado usando

una máquina de estados finitos, teniendo cada máquina de estados su propia tabla

33

de verdad. En la máquina de estados finitos se expresan los estados, las

transiciones, las entradas y las salidas

Por la forma en la que se definen las salidas, las máquinas de estado pueden tomar

2 estructuras:

Máquina Mealy.

Máquina Moore.

En la máquina de Mealy, las salidas son función de las entradas y de los estados

presentes, por lo tanto, se indican a un lado de las entradas, separándolas con una

diagonal. En la máquina Moore, las salidas son función exclusiva de los estados

presenten, y se indican dentro del mismo estado, debajo de la etiqueta. [67] A la

representación gráfica de una máquina de estados se le llama grafo.

Figura I.26. Grafo de una máquina Mealy. Figura recuperada de [67]

Figura I.27. Grafo de una máquina Moore. Figura recuperada de [67]

34

Las expresiones lógicas básicas, y ciertas funciones lógicas pueden ser expresadas

sin ningún problema mediante el uso de compuertas lógicas, más si se busca

expresar una función más compleja manteniendo un circuito compacto entonces se

emplea una microcomputadora, un microcontrolador, o un FPGA (Field

Programable Gate Array, “Arreglo de compuertas de campo programables”),

teniendo cada una de estas opciones sus ventajas propias.

I.5.1 FPGA

Los FPGA son dispositivos programables que contienen nano–transistores, mismo

que cambian su configuración al programar el dispositivo, de forma que se forman

los bloques lógicos necesarios para obtener las salidas deseadas, haciendo que se

lleven a cabo todas las instrucciones prácticamente al mismo tiempo, por lo que

podemos decir que al programar un FPGA estamos haciendo programación en

paralelo.

Figura I.28. Tarjeta de desarrollo DE0-CV.

Estos dispositivos se programan mediante lenguajes de descripción de hardware,

como son Verilog y VHDL. En algunos centros de investigación reconocidos, como

el CERN, y ciertas empresas importantes, se emplea VHDL para programar estos

dispositivos.

Al ser programados en un lenguaje de descripción de hardware, para programar un

FPGA uno debe comprender el funcionamiento del sistema que desea implementar

35

en el mismo, ya que se programa mediante la descripción del mismo, dándole un

cierto grado de complejidad a esta tarea.

El hecho de que se modifique el hardware según el sistema implementado en el

FPGA que se programó en un lenguaje de descripción de hardware, le da una gran

ventaja en su tiempo de respuesta en comparación con los microcontroladores y las

microcomputadoras, dado que estos últimos 2 tipos de dispositivos ejecutan el

código que se les programó de forma secuencial.

Su alta velocidad, combinada con ser dispositivos reprogramables es parte de lo

que hace a los FPGA populares en el área de instrumentación de sistemas que

requieren una frecuencia de muestreo alta. Ya que brindan un cierto balance precio

– características, al ser más barato usar un FPGA que puede ser usado para

diferentes funciones, que diseñar un circuito integrado de propósito específico

(ASIC), que pudiera ser más rápido y robusto, pero más costoso de implementar

Para programar FPGA se puede utilizar una gran cantidad de software, siendo

algunos de estos distribuidos por el fabricante del chip, y algunos de uso general.

Uno de los programas más utilizados para programar estos dispositivos es Active-

HDL, mismo que brinda soporte a FPGA de distintos fabricantes, brindado la

facilidad para exportar el diseño a distintas plataformas.

36

Figura I.29. Captura de pantalla de un archivo fuente en Active-HDL

Para realizar el proceso de programación en Active-HDL se siguen los siguientes

pasos: Se selecciona una localización para el proyecto, se le da un nombre, se

especifica el lenguaje de programación, se crean los archivos fuente, se compilan,

y se simulan. Al proyecto y al archivo de fuente principal se les debe de dar el mismo

nombre para indicar la jerarquía.

Active-HDL, además nos brinda herramientas para compilar y simular el código

VHDL que se busca implementar en el FPGA. Una vez hecho el código, y siendo

simulado, entonces se procede a realizar el proceso de síntesis, que es el proceso

necesario para grabar el código, dado que para esto se debe elegir el FPGA en el

cual se implementará el sistema, muchas veces dependiendo del fabricante el

software necesario para realizar este proceso, por ejemplo, si se quiere grabar un

FPGA de Xilinx se utiliza ISE o VIVADO dependiendo del modelo, y para uno de

Altera se requiere Quartus.

37

Figura I.30. Selección de pines en un proyecto de síntesis en Quartus

Durante el proceso de síntesis se selecciona el modelo del dispositivo a programar,

se analiza el código, se compila, se eligen los pines que contendrán las entradas y

salidas del sistema, y se graba el programa en el dispositivo. La síntesis varía de

acuerdo al fabricante del FPGA en cuanto al tipo de archivos, y ciertos pasos a

seguir, pero en general el proceso es similar. Se recomienda que tanto el proyecto

de síntesis como el archivo de programación tengan el mismo nombre que el

proyecto de programación. Se puede ver un ejemplo de asignación de pines en la

Figura I.30

Cabe mencionar que también se puede implementar lógica secuencial en un FPGA

al darles una señal de reloj a partir de la cual puedan trabajar y programando un

máquina de estados finitos, ya sea mediante la estructura Mealy o Moore, se

prefiere usar la Moore, ya que la máquina Mealy puede presentar problemas de

sincronización.

38

Figura I.31. Síntesis estática en Quartus.

El proceso de síntesis cambia un poco dependiendo si se quiere hacer síntesis

directa o síntesis estática, siendo la primera la programación del FPGA de modo

que el mismo no retenga el programa después de dejar de recibir energía eléctrica,

y el segundo es cuando retiene la programación. Podemos ver la parte final del

proceso de síntesis estática (grabar el archivo de programación en el FPGA) en la

Figura I.31.

Figura I.32. FPGA después de síntesis directa, con programa en memoria

39

I.6 MICROCOMPUTADORAS

Tal y como su nombre lo indica, se trata de computadoras pequeñas, portátiles y de

fácil transportación, cuentan con un microprocesador como unidad central de

procesamiento y requieren de la conexión de periféricos, como son monitor, teclado

y ratón, a fin de ser utilizadas.

Al tratarse de computadoras, estos dispositivos requieren tener un sistema

operativo, mismo que a veces lo provee el fabricante de la microcomputadora, y a

veces se le da al usuario la libertad de elegir que sistema operativo prefiere para su

microcomputadora.

Entre las microcomputadoras hay algunas que son de placa única, como son la

microcomputadora Raspberry Pi, la Beagleboard, y la Pandaboard. Estos

dispositivos tienen todo lo que requiere una computadora funcional en una sola

tarjeta, incluyendo microprocesador, memoria ROM, memoria RAM, audio, tarjeta

de video, puertos USB, entradas y salidas digitales, conexión Ethernet, y Wifi entre

otras características.

Estos dispositivos encuentran aplicación en áreas como son la enseñanza de la

ciencia, desarrollo de sistemas embebidos, aplicaciones de visión artificial, control

de robots, monitoreo de sistemas, como computadora personal, entre otros usos

que se les dan.

Figura I.33. Raspberry Pi 3 modelo B

40

II. METODOLOGÍA

Para este proyecto se llevaron a cabo diferentes actividades, como diseño

electrónico usando el software EAGLE para elaborar distintas tarjetas electrónicas,

programación de microcomputadoras, y trabajo de caracterización. En la

Organización Europea para la Investigación Nuclear se realizaron otras actividades

mismas que también se incluyen en este apartado.

II.1 DISEÑO DE TARJETAS PCB

Se diseñó una serie de tarjetas de circuito impreso (por sus siglas en inglés, PCB)

usando el software Eagle Cadsoft, teniendo que consultar una serie de tutoriales

sobre diseño de circuitos en este software, dado que se tuvo que recurrir no

solamente al diseño de esquemáticos, y al diseño de PCB, sino que, dado que se

usaron componentes de montaje superficial, y algunos de ellos, como el MPPC, no

estaban en ninguna librería de Eagle, entonces también se tuvo que buscar

documentación sobre cómo crear una librería y de manejo de componentes de

montaje superficial. Los símbolos y empaquetados del MPPC, el convertidor DC/DC

LT3571 y la fuente EMCO C15 requirieron ser diseñados e incluidos en librerías de

Eagle.

II.1.1 DISEÑO DE CIRCUITO PARA MPPC DE ALIMENTACIÓN

POSITIVA

A fines de probar el MPPC usado para este proyecto se diseñaron diferentes pcb.

Los dispositivos MPPC son caracterizados por el fabricante de forma individual,

indicando entre otros datos los voltajes de operación. Usando MPPC de la empresa

Hamamatsu modelo S13360 – 3050PE. Estos se ponen en modo de polarización

inversa, tal y como se mencionó en el subtema I.2.5, siendo esto también indicado

por el fabricante en su circuito recomendado.

El esquemático utilizado para el diseño de esta PCB es el recomendado por el

fabricante, a fines de usar este circuito para probar el funcionamiento del MPPC,

hacer la caracterización, observar sus niveles de ruido y ver su respuesta ante

diferentes pruebas. Mostrándose el esquemático en EAGLE a continuación:

41

Figura II.1. Esquemático del circuito de prueba para el MPPC

Para este PCB se diseñó en Eagle la pieza del MPPC, se eligió representarlo

usando un símbolo de un diodo ya que, como se mencionó en el subtema I.2.6, está

formado por un conjunto de fotodiodos de avalancha. Se usaron resistencias y

capacitores de montaje superficial a fin de reducir el tamaño del circuito. En el

diseño de la pieza para la librería de EAGLE se amplió el tamaño del MPPC para

facilitar la labor de soldar esta placa dado que el tamaño del MPPC es de 3.85 x

4.35 mm, con un área fotosensible de 3 x 3 mm, misma que no debe ser tocada.

Figura II.2. PCB para MPPC de alimentación positiva

42

El MPPC que se colocó en esta placa, según las especificaciones del fabricante, de

rompimiento de 54.92 V, con 3 V de tolerancia. Esto significa que opera con voltajes

desde 54.92 hasta 57.92 sin riesgos, a mayor voltaje mayor sensibilidad tiene el

dispositivo. En la Figura II.1 y la Figura II.2 respectivamente se puede observar el

esquemático y el diseño de la PCB respectivamente

Figura II.3. PCB de MPPC de alimentación positiva.

Antes de diseñar esta PCB ya se contaba con otra PCB con un MPPC de un modelo

anterior que requería un voltaje mayor para operar (70 V), y del cual se sospecha

que se encuentra desgastado, además de producir un mayor nivel de ruido que el

modelo de MPPC por el cual se optó. Esta otra PCB puede ser vista en la

Figura II.4. PCB para MPPC de alimentación positiva de 70V

43

II.1.1 DISEÑO DE CIRCUITO PARA MPPC DE ALIMENTACIÓN

NEGATIVA

De esta misma forma se diseñó un pcb diseñado para utilizar una fuente negativa

con ese mismo circuito. Surge la necesidad de hacer esta pcb dado que se pretende

observar la reacción del sistema usando una fuente negativa, si bien, si quisiésemos

usar este circuito con una fuente negativa bien se hubiese podido conectar la tierra

de la fuente en 𝑉𝑐𝑐 del circuito, y colocar el voltaje negativo en posición de la tierra,

para generar una diferencia de voltaje positiva, esto no era viable debido a que esta

PCB va a conectada a otras, como la etapa de amplificación de la señal, la

digitalización, etcétera, y todas deben tener el mismo voltaje como tierra. La solución

a este problema fue invertir la posición del MPPC con respecto al diseño anterior.

Figura II.5. Esquemático para MPPC de alimentación negativa, 1 es alimentación negativa,

2 es tierra, y 3 es señal

En la Figura II.5 se puede observar el esquemático usado para la pcb del MPPC de

alimentación negativa, como podemos observar es muy similar al del MPPC de

alimentación positiva, siendo las diferencias que el MPPC está invertido, y que el

orden de las salidas en la clema es diferente.

44

Figura II.6. PCB para MPPC de fuente negativa

El MPPC que se acopló a esta tarjeta opera en un rango de entre 55.32 V y 58.32

Volts según los datos proporcionados por el fabricante. Se espera que esta solución

sea viable para ser implementada. Esto será puesto a prueba durante la

caracterización de los MPPC. En la Figura II.6 podemos observar el diseño de la

PCB de para el MPPC con fuente negativa, mientras que en la Figura II.7 se observa

la PCB.

Figura II.7. PCB del MPPC con alimentación negativa

II.1.2 DISEÑO DE CIRCUITO PARA FUENTE DE ALTO VOLTAJE

POSITIVA EMCO C15

A fin de energizar el MPPC de alimentación positiva, se debe diseñar e implementar

una fuente que sea capaz de proveer mínimamente el rango de voltaje utilizado, con

una corriente pequeña, dado que estos dispositivos consumen una corriente del

45

orden de los nano–amperes. Con este fin se diseñaron 2 fuentes, mismas que se

utilizarán para probar el circuito y así determinar que fuente es mejor para esto.

Una de estas 2 PCB está hecha con la fuente de alto voltaje EMCO C15, misma

que entrega un voltaje de salida regulable entre 0 y 1500 V, la salida está dada por

un voltaje de programación de entre 0 y 5 V. Dadas estas características es

necesario tomar ciertas precauciones al manejar esta fuente, ya que, dados los altos

voltajes, podría llegar a generar arcos eléctricos, motivo por la cual, se cuidó el dejar

un espacio de al menos un centímetro entre las líneas del alto voltaje. Se puede

observar el esquemático usado para esta fuente en la Figura II.8 y la PCB en la

Figura II.9.

Figura II.8. Esquemático para fuente de alto voltaje EMCO C15

Para el diseño de esta PCB se usó el diagrama recomendado por el fabricante,

añadiendo una salida que, mediante un divisor de voltaje, entrega un voltaje 1000

veces menor al de la salida de la fuente, esto para hacer más seguro y sencillo el

monitoreo de la misma, ya que al medir altos voltajes se corre el riesgo de descargas

eléctricas o dañar algún componente, incluyendo el multímetro.

46

Figura II.9. PCB para fuente de alto voltaje con EMCO C15

La relación entre el voltaje de salida de esta fuente y su voltaje de programación en

teoría está dada por la siguiente ecuación:

𝑉𝑂𝑈𝑇 = 𝐺𝑉 ∗ 𝑉𝐼𝑁 = 300 ∗ 𝑉𝐼𝑁 (II.1)

Siendo 𝑉𝑂𝑈𝑇 el voltaje de salida, 𝐺𝑉 el factor de ganancia de voltaje, y 𝑉𝐼𝑁 el voltaje

de entrada. Dado que el voltaje de programación máximo que permite es de 5V, y

la salida máxima es de 1500 V se tiene que:

𝐺𝑉 =𝑉𝑂𝑈𝑇

𝑉𝐼𝑁=

1500𝑉

5𝑉= 300 (II.2)

II.1.3 DISEÑO DE CIRCUITO PARA DE FUENTE POSITIVA CON LT3571

El componente LT3571 es un convertidor DC/DC que, tal y como se menciona en

su hoja de datos, es utilizado para alimentar fotodiodos de avalancha, por lo que se

decidió también diseñar fuentes usándolo. Al igual que el MPPC y la fuente EMCO,

se tuvo que diseñar este componente en Eagle. En la Figura II.10 se puede observar

el esquemático utilizado para

47

Figura II.10. Esquemático de circuito para el LT3571

En la hoja de datos de este componente, el fabricante provee distintos circuitos de

aplicación, de los cuales se eligió uno de acuerdo a las necesidades del sistema,

optándose por un circuito de aplicación para fuente de voltaje de 0 a 69V, se tomó

esta decisión dado que cubre el voltaje de operación de los MPPC de fuente positiva

y además cuenta con una salida separada de 74 V.

Para el diseño de esta PCB se tuvo que recurrir al uso de vías, haciendo de esta

PCB una de 2 capas, dado que tiene pistas tanto en la parte superior como en la

inferior, siendo el resto del cobre usado como tierra para ayudar a disipar calor sin

dañar los componentes.

II.1.4 DISEÑO DE CIRCUITO PARA FUENTE NEGATIVA HAMAMATSU

Se compró una fuente negativa de alto voltaje C4900 – 01 de Hamamatsu para

poder ver el funcionamiento de un MPPC en usando la configuración mostrada en

48

el subtema II.1.1. Esta fuente suministra el voltaje necesario para alimentar al MPPC

de alimentación negativa. El esquemático utilizado se muestra en la Figura II.11.

Figura II.11. Esquemático de la fuente negativa.

Al igual que para la fuente de alto voltaje EMCO, se procuró dejar un espacio

significativo entre las pistas para evitar la formación de arcos eléctricos en la PCB,

se deben tomar precauciones al manipular esta fuente dado que su salida es un

voltaje variable entre 0 y -1250 V. El diseño de la PCB puede ser observado en la

Figura II.12

49

Figura II.12. PCB para fuente negativa de alto voltaje

50

II.1.5 DISEÑO DE CIRCUITO DE INSTRUMENTACIÓN

Durante el desarrollo de este proyecto, se ha colaborado con alumnos de la Facultad

de Ciencias Físico – Matemáticas de la Universidad Autónoma de Sinaloa, quienes

también están involucrados dentro del mismo y ayudaron, entre otras cosas, con el

diseño de un circuito para la etapa de instrumentación, mismo que se presenta a

continuación.

El circuito de instrumentación desarrollado cuenta con 4 canales, cada uno con su

señal de entrada. Cada uno de estos canales cuenta con una etapa de amplificación

de señal, esto usando 2 amplificadores operacionales en modo de amplificador no

inversor, el primero amplificando la señal de salida al doble de su amplitud, y el

segundo ampliando la salida del primero en un factor de 5. En la Figura II.13 se

puede observar la etapa de amplificación de un canal de la tarjeta.

En este esquemático se incluyen todas las entradas y salidas de los amplificadores

operacionales, incluyendo además otros componentes como son capacitores, para

evitar la generación de ruido dentro de la tarjeta, dado que en este diseño deben

incluirse todos los componentes que se incluirán en la PCB.

Figura II.13. Etapa de amplificación de la tarjeta de instrumentación

51

Después de la etapa de amplificación se tiene un comparador con histéresis con un

amplificador operacional, mismo que al detectar un pulso lo convierte en un pulso

analógico lo compara para verificar si está dentro de un rango de voltaje indicado, y

de ser así lo transforma en un pulso TTL para que pueda ser leído por la etapa

digital del sistema. Si se tiene un pulso analógico negativo, entonces esta señal se

encuentra en la salida con polaridad invertida del amplificador operacional. El

esquemático de esta etapa de un canal se puede observar en la Figura II.14

Figura II.14. Comparador con histéresis.

Después del comparador con histéresis se tiene un oscilador monoestable, mismo

que es usado para dilatar la señal, ya que los pulsos dados por el MPPC tienen un

ancho del orden de los nanosegundos y se busca facilitar la detección de estos

pulsos por los dispositivos con lógica digital. Esta etapa se puede observar en la

Figura II.15.

52

Figura II.15. Oscilador monoestable

Cada uno de los 4 canales de esta tarjeta cuenta con estas 3 etapas. Siendo

básicamente el mismo circuito 4 veces dentro de esta tarjeta. El diseño de la PCB

para este circuito puede observarse en la Figura II.16

Figura II.16. Diseño de PCB para circuito de instrumentación

53

II.1.6 MANUFACTURADO DE LAS PCB

Las tarjetas pcb mencionadas anteriormente fueron manufacturadas en una

máquina ProtoMat de LPKF S63, para hacer este proceso primero se generan en

Eagle los archivos correspondientes a partir del diseño de la tarjeta que se deseé

imprimir, una vez hecho eso se le da la configuración necesaria a la máquina para

que pueda maquinar de forma correcta, por ejemplo, se le debe de indicar que

herramienta hay en que ranura, y se deben tener las ranuras indicadas para poder

hacer el trabajo, mismas que son indicadas por el mismo software de esta máquina.

Figura II.17. LPKF S63.

54

II.2 PRUEBAS DE LOS MPPC

Se tiene planeado desarrollar un detector de radiación para fines de seguridad civil,

mismo que debe ser lo suficientemente compacto para poder montarlo en un dron

para la búsqueda de fuentes de radiación; con este fin se están realizando pruebas

sobre los MPPC, ya que este detector constituirá de una matriz de 4 x 4 MPPC, al

igual que los sistemas reportados en [52, 53, 55], del mismo modelo, cada uno de

los cuales debe ser caracterizado individualmente para optimizar el resultado y

facilitar la interpretación de los datos que obtenga el sistema.

En ese aspecto este sistema será similar al detector AD, ya que este también consta

de 16 fotomultiplicadores, siendo las diferencias que estos están distribuidos en 2

secciones con 8 fotomultiplicadores cada uno, además de que, en el caso del

detector AD, se trata de tubos fotomultiplicadores.

Para el desarrollo de este sistema, primero se debe de caracterizar bien los MPPC

sobre los cuales se va a trabajar, para lo cual se desarrollarán tarjetas de prueba

para probar estos de forma individual, haciendo además estudios de ruido generado

por el conteo oscuro, mismo que se produce debido a la corriente oscura.

La corriente oscura es aquella que producen los fotodetectores al estar en

oscuridad, ya que su principio de funcionamiento se base en la absorción de energía

de los electrones de la capa de valencia y su paso a la banda de conducción,

pudiendo no solo absorber energía de la luz, sino también otras formas de energía,

como energía calorífica, lo cual hace que el sistema produzca pequeños pulsos,

llamados conteo oscuro.

Para evitar que este fenómeno, al igual que los ruidos eléctricos, afecten al sistema,

se deben llevar a cabo estudios de conteo oscuro y de ruido en cada uno de los

MPPC usando cada una de las fuentes de alimentación diseñadas, esto para definir

cuál produce la mejor señal, definiendo de esta manera la fuente de alimentación a

utilizar. Además de llevar a cabo pruebas con estas fuentes, también se harán estas

pruebas usando una fuente de alto voltaje de CAEN, similar a las utilizadas en el

CERN, esto a modo de referencia.

55

La fuente de alto voltaje CAEN está dentro de un crate desarrollado por la misma

empresa, es capaz de producir voltajes entre 0 y 4kV, siendo este controlado

mediante un software desarrollado por la misma empresa llamado GECO (GEneral

COntrol software, Software de control general.

Consistiendo el crate de una caja en la cual se conectan tarjetas electrónicas, siendo

algunas de ellas, como la fuente de voltaje, controladas por software, mientras que

otras no requieren de esto, teniendo el crate 9 ranuras para insertar tarjetas

electrónicas CAEN.

En la Figura II.18 podemos observar el crate de CAEN conteniendo una fuente de

alto voltaje (tarjeta de la parte inferior), un sistema de amplificación de señal (nivel

inmediatamente superior a la fuente), la tarjeta de control v1718 a la cual se

encuentra conectada la computadora utilizada, y otras 2 tarjetas.

Figura II.18. Crate CAEN siendo controlado por computadora.

Para el desarrollo de todas las pruebas descritas a continuación se utilizó una caja

oscura para contener los MPPC de forma que no recibiesen luz no deseada,

además de que, de llegar a exponerse a la luz externa, estos podrían dañarse por

exceso de corriente.

56

II.2.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

De forma previa a las pruebas de corriente oscura es necesario probar el

funcionamiento de las PCB diseñadas para que, en caso de haber errores, estos

puedan ser corregidos rápidamente, y evitar desperdiciar tiempo tratando de

observar un fenómeno que no se presentará debido a deficiencias en las tarjetas

PCB.

Para estas pruebas lo que se debe de hacer es usar un generador de ondas para

enviar un pulso con una frecuencia de 20 kHz, un ciclo de trabajo de 0.04%, ancho

de 20ns, un nivel de voltaje mínimo de 0 y máximo de 1.7V a un LED azul, de modo

que el LED emita una cantidad de luz lo suficientemente baja como para no dañar

el MPCC, pero lo suficientemente elevada como para ser detectable por el ojo

humano.

Se utiliza un LED azul porque el MPPC es más sensible al ancho de banda

correspondiente a las tonalidades de azul, violetas y ultravioletas debido al material

del cual está hecha su área fotosensible: Silicio, dado que se trata de probar un

fotodetector de silicio.

Una vez configurada la salida del generador de ondas, y estando conectado el LED

al canal que está emitiendo la señal descrita, se apaga la salida del canal del

generador de ondas a la cual está conectado el LED, esto para poder colocar el

LED en la caja oscura, de forma que el LED quedé a una distancia mínima del MPPC

y justo frente a este para poder asegurar la detección.

Primero se hicieron estas pruebas para el MPPC de alimentación positiva antigua

usando la fuente EMCO para tomar mediciones, usándose un voltaje de

programación para esta fuente de 207 mV, obteniendo un voltaje de salida de 72.3

V. Una vez acoplado el LED al sistema dentro de la caja negra con el MPPC,

entonces se procedió a enviar la señal al LED y alimentar el MPPC, observando la

respuesta del MPPC en un osciloscopio, pudiéndose observar esto en la Figura II.19

57

Figura II.19. Prueba de funcionamiento de MPPC de alimentación positiva anterior.

Después de esto se hizo esta prueba con el MPPC de alimentación positiva nuevo,

usando un voltaje de programación en la fuente EMCO de 183 mV, teniendo un

voltaje de salida de 54.9, además de cambiar la frecuencia de los pulsos del LED a

1 kHz, manteniendo todos los demás parametros, excepto el ciclo de trabajo, que

se redujó a fin de mantener el ancho del pulso. Pudiendose observar la respuesta

del MPPC ante la señal del LED en la Figura II.20, obteniendo un pulso de alrededor

de 100mV y sumando los tiempos de subida y decaimiento alrededor de 300 ns.

Para esta prueba se usó un osciloscopio HDO4104-MS de Lecroy.

Figura II.20. Respuesta de MPPC nuevo de alimentación positiva ante señal de LED.

58

Después de esto se procedió a hacer pruebas con una fuente radioactiva de Sr-90

usando el MPPC de alimentación negativa y la fuente de voltaje negativa de

Hamamatsu. Obteniendo pulsos de amplitudes de entre 7 y 10mV con un ancho de

alrededor de 400ns, mismos que se sospecha que fueron provocados por el

fenómeno del conteo oscuro.

Figura II.21. Respuesta de MPPC con fuente negativa Hamamatsu ante fuente radioactiva

de Sr-90

Figura II.22. Fuente de alto voltaje negativa Hamamatsu(arriba) y fuente de alto voltaje

positiva EMCO (atrás).

II.2.2 PRUEBAS DE CORRIENTE OSCURA

Una vez probando el funcionamiento de las fuentes EMCO y Hamamatsu, y de los

MPPC, entonces se procedió a hacer estudios de corriente oscura. Dado que la

59

amplitud y ancho de los pulsos obtenidos por corriente oscura es variable, entonces

se optó por usar el osciloscopio Lecroy para tomar estas mediciones, y ajustando el

nivel del discriminador poder observarlas, y dándole la opción de guardar la forma

de onda cada vez que se accioné la señal de disparo, generando un archivo csv en

cada ocasión, esto para obtener 2000 formas de onda, cada una con 500 muestras,

a fin de analizar el fenómeno.

Esto con el fin de usar estadística en este estudio, repitiendo este procedimiento

para cada MPPC usando la fuente CAEN y la EMCO, también usando diferentes

niveles de voltajes para cada fuente, y en todos los casos se debe hacer esto

observando primero solo los componentes de frecuencia menores a 20 MHz, y luego

observando todos los componentes de frecuencia. Esto con el objetivo de obtener

las frecuencias de corte óptimas para diseñar un filtro para eliminar los ruidos de la

señal.

Se sigue trabajando en esta recopilación de datos con estas fuentes, y

posteriormente se hará con la fuente Hamamatsu para el MPPC de alimentación

negativa.

Figura II.23. Ejemplo de forma de onda de conteo oscuro para MPPC de alimentación

positiva usando la fuente CAEN para proveer un voltaje de alimentación de 58.5V

60

Una vez realizados estos procedimientos se deben graficar estos datos,

mostrándose un ejemplo de ello en la Figura II.23, como se muestra en la después

se procede a obtener la carga mediante la siguiente serie de ecuaciones:

𝐼 =𝑉

𝑅 (II.3)

𝑄 = ∫ 𝐼 𝑑𝑡𝑡1

𝑡0 (II.4)

Siendo la ecuación II.3 la ley de ohm, y la ecuación II.4 es la identidad de la carga.

Esto tomando en como resistencia la resistencia de acoplamiento usada en el

osciloscopio, misma que es de 50Ω, usando como niveles de voltaje las muestras

del archivo a partir del cual se obtuvo la forma de onda, obteniendo así el valor de

la intensidad para cada número de muestra, y por ende la forma de onda de la

corriente.

Figura II.24. Forma de onda de la señal de carga para la señal mostrada en la Figura II.23

Con el fin de realizar esto se hizo un script en Matlab capaz de llevar a cabo este

procedimiento, y además de esto, obtener la carga promedio para cada caso, a fin

de aplicar técnicas de estadística. Para obtener la derivada de la corriente a partir

de un arreglo de 500 datos se usó la integral acumulativa trapezoidal dentro del

script mencionado.

Después de esto, se realizarán estas mismas pruebas también con el LED y con las

fuentes radioactivas con las que se cuentan, esto con el fin de hacer una

caracterización completa de estos dispositivos.

61

II.3 DESARROLLO DE SOFTWARE EMBEBIDO EN LA

MICROCOMPUTADORA

Se decidió que es necesario tener un sistema con el cual se pueda monitorear el

sistema, una vez este haya sido terminado, para facilitar la etapa de pruebas y el

prototipado. Para esto se eligió utilizar una microcomputadora Raspberry Pi 3

modelo B, dado que es portátil, tiene módulo de wifi y bluetooth integrado, y que las

microcomputadoras Raspberry Pi se están volviendo cada vez más populares para

proyectos personales y fines educativos.

Se usó el sistema operativo Debian en la Raspberry Pi, usándose esta con una

pantalla touch, un teclado y un mouse propio, esto para mayor comodidad, además

de usarse de vez en cuando con escritorio remoto.

Figura II.25. Raspberry Pi 3 con pantalla touch, mouse y teclado.

Se pretende que la información dada por la etapa de instrumentación llegué a la

Raspberry Pi a través de un FPGA usando un protocolo de comunicación serial, y

dado que el sistema se compondrá de 16 MPPC, entonces debe de realizar una

gráfica 3D.

Se considera que el FPGA mandará datos de 2 bytes cada uno, por lo que el sistema

de decodificación a utilizar en este script es el utf – 16, y será un arreglo de 16 de

estos datos los que usará para generar la gráfica lo más rápido posible.

62

Este script se desarrolló usando la librería Matplotlib para Python 2, siendo esta una

de las librerías de Python usadas para investigación y análisis de datos. Para mayor

comodidad a la hora de programar, se realizó el script en una PC usando el

ambiente de programación PyCharm, mismo que te brinda muchas facilidades,

como asistente para descarga de librerías y paquetes, autocompletar el código,

entre otras cosas, habiendo también probado el funcionamiento del script en la PC

antes de probarlo en la Raspberry Pi.

Teniendo la única problemática de tener que pasar los scripts a la Raspberry,

solucionando esto montando en la Raspberry Pi google drive mediante GDriveFS,

siguiendo las instrucciones dadas en [68].

El script desarrollado contiene las siguientes partes:

Importación de librerías. Como es normal en cualquier lenguaje de

programación, lo primero que se hace es definir las librerías que vamos a

utilizar y sus componentes. En este caso usamos diversos componentes de

Matplotlib, incluyendo su herramienta para hacer gráficas tridimensionales,

numpy, que es una herramienta para el manejo de datos numéricos, y

pyserial, que es para poder abrir puertos seriales en Python declarándolos

como objetos.

Declaración de objetos. Al estar usando programación orientada a objetos,

entonces lo que hacemos es definir 3 objetos que vamos a utilizar:

o Los ejes, que son la gráfica tridimensional en sí.

o La figura, que es la ventana que contendrá la gráfica.

o El objeto serial, que es el puerto al cual está conectado el dispositivo

con el que se pretende comunicar a la microcomputadora. Es

importante aclarar que para poder utilizar este código en la Raspberry

Pi se le debe cambiar el nombre al puerto.

En la Figura II.26 se pueden observar las 2 partes del código descritas

anteriormente.

63

Figura II.26. Importación de librerías y declaración de objetos

Declaración de función. Se define una función la cual será utilizada

posteriormente por la animación, repitiéndose el código de la misma cada

cierto lapso de tiempo. Esta función contiene lo que debe hacer el programa

para obtener los datos para graficar y como usarlos.

Definir posición de la gráfica. Se le dan coordenadas de inicio a cada una

de las 16 gráficas de barra que están dentro de los ejes tridimensionales,

esto en 3 arreglos, cada uno con los datos de la posición en una dimensión

diferente.

Indicar la amplitud de las barras. Después de esto se especifica la amplitud

de las barras en las 3 dimensiones, para fines prácticos se mantendrán en

unos las amplitudes en los ejes X y Y, y dejaremos indefinido el valor en el

eje Z, ya que se busca que las barras tengan una orientación vertical.

Se pueden observar los 3 puntos anteriores en la Figura II.27.

Figura II.27. Inicio de función, y declaración de variables.

64

Lectura y asignación de datos. Después de esto se revisa si hay datos a

leer, si los hay se leen y se le asignan a las amplitudes del eje Z. Si algún

error durante este proceso entonces se cierra el script. Esto para evitar que

se quedé trabado y como forma de manejo de errores. Además, se limpian

las entradas de los puertos y se muestran los valores que deben tomar las

amplitudes de las barras en el eje Z, para después actualizar las mismas.

Después de esto concluye la función.

Declaración de animación. Se declara un objeto tipo animación, mismo que

contiene la figura, y se actualizará cada 500 ms usando la función declarada

anteriormente. Y se muestra la figura.

Figura II.28. Lectura y asignación de datos, y actualización de animación.

65

II.4 DISEÑO EN VHDL PARA FPGA

Se recibió una capacitación de diseño en VHDL a fin de tener bases para el uso de

esta tecnología, misma que también será implementada como parte de este

proyecto, siendo esta una de las razones de esta capacitación, durante la cual se

tomó como base el libro Electrónica Digital y Lógica Programable [67].

En este aspecto del proyecto también hubo colaboración de alumnos de la Facultad

de Ciencias Físico–Matemáticas de la UAS quienes desarrollaron un proyecto en

VHDL que consta de 5 archivos fuente, que, en conjunto, transforman 8 entradas

digitales (8 bits) para que se transmita por medio de comunicación serial el número

de veces determinado por el usuario, esto como parte de las pruebas a realizar para

el script de la Raspberry Pi.

Este proyecto de diseño en VHDL consta de un contador para controlar la máquina

de estados principal, la conversión y transmisión de datos, un multiplexor para

seleccionar un número de veces que se transmite el byte de entrada, y la señal para

enviar los datos, entre otras cosas.

66

II.5 ACTIVIDADES DESARROLLADAS EN LA

ORGANIZACIÓN EUROPEA PARA LA INVESTIGACIÓN

NUCLEAR

Además de las actividades anteriormente descritas en este capítulo que están

relacionadas a este proyecto, se estuvo un mes en el CERN, donde se realizaron

diversas actividades relacionadas al análisis de datos, revisión de circuitos

electrónicos, y en pruebas con fotodetectores, dado que se estuvo trabajando con

el grupo responsable del detector AD del experimento ALICE, por lo que las tareas

realizadas se hicieron en equipo, mismo que, como se mencionó en el subtema II.2,

consta de 16 tubos fotomultiplicadores en 2 arreglos de 8 PMT cada uno.

II.5.1 ANALISIS DE DATOS

Se tomó un curso de ROOT, siendo esta una herramienta de análisis de datos

desarrollada por CERN especialmente para usar recursos de forma eficiente a fin

de poder lidiar con las demandas del análisis de datos científico a nivel del estado

del arte. [69]

ROOT está hecho en C++, más también funciona en Python, habiéndose utilizado

durante este periodo de tiempo en C++. Esta herramienta es de fuente abierta, por

lo que cualquiera puede descargarla de forma gratuita desde el sitio web

correspondiente, donde también se pueden encontrar guías de instalación,

tutoriales, guías de usuario, y documentación sobre esta herramienta.

Se colaboró con el análisis de resultados de pruebas previas a la realización de

pruebas de envejecimiento de PMT, para lo cual se hicieron 2 scripts en C++ usando

esta herramienta para graficar estos resultados. Usándose la versión 5.34.36 de

esta herramienta ya que es la versión más reciente hasta la fecha que puede ser

instalada en un sistema operativo Windows.

Se graficaron en ROOT gráficas en función del tiempo, que, debido a sus

características, en el eje X debían de incluir, fecha, hora, minuto y segundo en el

que fue tomada la medición, ya que se trata de datos de decaimiento de un tubo

fotomultiplicador contra uno estable.

67

Figura II.29. Definición de lienzo, y declaración y asignación de variables.

Declarando en este código primero declarando el lienzo sobre el cual se trazará la

gráfica, luego las variables de tiempo a utilizarse, después se declaran los datos y

luego se les dan los valores correspondientes. Pudiendo ser esto apreciado en la

Figura II.29.

Más adelante se convierten los datos de tiempo para poder ser usados en el eje X

de la gráfica. Después de esto se procede a darle configuración a una de las líneas

a ser trazadas en el lienzo, indicando que se le va a añadir una más, una vez hecho

esto se expresa que se usará la misma configuración que para la línea anterior,

modificando únicamente el color de la línea. Después de esto se dan las

instrucciones para el cuadro con las leyendas correspondientes a la gráfica.

Pudiendo ser esta parte del código observada en la Figura II.30

68

Figura II.30. Conversión de variables, configuración de líneas a trazar y caja de leyendas

El archivo ejecutable de ROOT corre sea desde la terminal de las distribuciones

Linux, como desde la consola de comandos de Windows, en su dado caso, como

es el actual. Para poder correr esta herramienta se debe de ir a la carpeta donde se

instaló, y ejecutar el archivo root.exe. Una vez haciendo esto se usa el subcomando

.x para indicar que se quiere correr un script, indicándose después el nombre del

mismo. Puede observarse esto en la Figura II.31.

Figura II.31. ROOT bajo Windows ejecutando un script.

69

Mostrándose también el resultado, que es una gráfica con 2 líneas desplegada

sobre la interfaz de ROOT, misma que tiene diferentes opciones que permiten

modificarla en tiempo real, facilitando su análisis y tareas como el ajuste de curvas

entre otras cosas. Siendo el código presentado aquí algo representativo de lo hecho

en este aspecto. En la Figura II.32 se pueden ver los resultados de este código.

Figura II.32. Gráfica en la interfaz de ROOT.

II.5.2 ANALISIS DE TARJETAS ELECTRÓNICAS CIU

También se ayudó en la revisión de tarjetas CIU (Control Interface Unit, Unidad de

Interfaz de Control), mismas que se utilizan para la etapa de instrumentación del

detector AD y la transmisión de estos datos. Dichas tarjetas cuentan con una etapa

de integración que se intercala entre 2 amplificadores operacionales en modo

integrador, esto para reducir a la mitad el tiempo transcurrido en esta etapa, dado

que se requiere de alta velocidad de procesamiento debido a la naturaleza de su

uso, porque AD es uno de los detectores más rápidos del experimento ALICE.

Después de la etapa de integración encontrándose los canales de medición de

tiempo, y los comparadores, mismos que se usan para generar las señales de

disparo para cada canal del detector. Luego de esta etapa viene la conversión de

análogo a digital, y el multiplexado de las señales, luego de esto pasando por más

etapas para el procesamiento e interpretación de la señal. Teniendo además estas

tarjetas un almacenamiento temporal para los datos obtenidos, y 3 FPGA. Estas

tarjetas son controladas desde una tarjeta principal llamada CCIU (Central Control

70

Interface Unit, Unidad Central de Interfaz de Control), pudiendo ser esto observado

en la Figura II.33.

Figura II.33. Crate con 2 tarjetas CIU y una CCIU conectado mediante un switcher a la red

LAN.

Para esto se llevó a cabo inspección visual de las tarjetas dañadas con el fin de

detectar componentes no funcionales, notando ciertos problemas en la mayoría de

las tarjetas, para después pasar a otras pruebas, y cuando pensábamos que una

tarjeta podría ser funcional entonces se procedía a probarla con el controlador,

primero haciendo ajuste de niveles de ruido (pedestal) para luego pasar a enviar

pulsos al sistema de prueba con LED que se encontraba en las pruebas dentro del

taller, ya que estas no deben ser realizadas con el sistema montado en la caverna,

ya que este debe de estar funcionando todo el tiempo que se estén tomando datos,

y se va a cambiar algo de esa instalación debe ser por algo ya comprobado.

Figura II.34. Tarjeta CIU

71

Durante este proceso se observó que, en muchos casos componentes como los

comparadores estaban dañados, surgiendo además otros detalles durante la

revisión de estas tarjetas, dado que además algunos de sus componentes ya no se

consiguen fácilmente debido a su antigüedad. Esto entre otras observaciones que

se realizaron durante esta tarea. En la Figura II.34 se puede ver una tarjeta CIU.

II.5.3 MONTAJE DE SISTEMAS PARA REALIZACIÓN DE

EXPERIMENTOS CON TUBOS FOTOMULTIPLICADORES

Se montó un sistema para estudiar la eficiencia cuántica de un PMT usando otros 2

tubos fotomultiplicadores como señal de disparo, para esto se usaron plásticos

centelladores con un área de coincidencia muy reducida, montándose este sistema

dentro de una caja oscura para que la luz externa no interfiera con el experimento

ni dañe a los PMT accionados dentro de ella. Se puede observar el montaje en la

Figura II.35.

Figura II.35. Montaje experimental para pruebas de señal de disparo

II.5.4 COLABORACIÓN EN MEDICIONES Y TOMAS DE DATOS

Además de las actividades mencionadas anteriormente, se colaboró en la toma de

datos de señales de diferentes experimentos con un sistema de pruebas (como se

puede observar en la Figura II.36), mismo que se utilizó para las pruebas de

envejecimiento, tomas de datos de observación de rayos cósmicos, estudios del

fenómeno de reflexión de señal, tomar mediciones del montaje dentro de la caverna

72

(Figura II.37), entre otras actividades de esta índole en las cuales se colaboró con

el equipo.

Figura II.36. Participación en toma de datos.

Figura II.37. Parte del tubo de haces.

73

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

III.1 DISEÑO DE CIRCUITOS

La mayoría de los circuitos diseñados para este proyecto ya fueron manufacturados

y se encuentran en un estado funcional. La fuente de voltaje con el LT3571 aún no

ha sido manufacturada, se llevará a cabo este proceso para hacer pruebas con ese

diseño de fuente.

III.2 PRUEBAS DE LOS MPPC

Se llevaron a cabo las pruebas pertinentes a las mediciones de corriente oscura

para el MPPC de voltaje positivo, tanto con la fuente EMCO como la de CAEN,

encontrando una señal de ruido de 12.6 KHz al usarse con la fuente EMCO, la cual

se muestra en la Figura III.1. Estas señales de ruido, al ser menores que las señales

de las detecciones, no son un problema mayor a la hora de realizar un conteo de

detecciones, más representan un obstáculo a la hora de medir carga.

Figura III.1. Ruido observado al usar la fuente EMCO, siendo la señal de la parte superior

la señal de voltaje, y la inferior la transformada de Fourier de la misma.

74

Se busca determinar el origen de esta señal de ruido a fin de ver si se puede eliminar

mediante un arreglo dentro del circuito, y de no ser posible esto, se limpiará

mediante un filtro.

Se requiere hacer pruebas a mayor detalle con el MPPC de alimentación negativa

dado que se han presentado ciertas dificultades usando este diseño. Además de

tener que terminar el proceso de toma de datos tanto con el LED de prueba como

con las fuentes radioactivas para poder completar la caracterización del MPPC de

alimentación positiva.

El script desarrollado en Matlab dio los resultados esperados, más, al tener que

procesar una gran cantidad de datos se demora bastante en realizar este proceso,

dado que debe realizar alrededor de 4000 gráficas, por lo que se busca migrar este

código a ROOT, para tener una mayor velocidad, dada la eficiencia con que esta

herramienta maneja los recursos en este tipo de procesos.

III.3 MICROCOMPUTADORA Y FPGA

El script ha pasado las pruebas preliminares, ya que fue capaz de recibir datos

seriales de un microcontrolador y graficarlos, obteniendo este resultado tanto en PC

como en la microcomputadora Raspberry Pi modelo B. Pudiéndose observar las

gráficas obtenidas en la Figura III.2.

Figura III.2. Gráficas obtenidas usando script de graficado tridimensional en Raspberry Pi

75

Así mismo es necesario realizar pruebas con la microcomputadora para tratar de

graficar en tiempo real la salida dada por la implementación en el FPGA. Se seguirá

trabajando en esta tarea.

III.4 SISTEMA

Figura III.3. Diagrama de bloques del sistema.

El sistema se encuentra todavía en sus primeras etapas de desarrollo, dado que

antes de armar el detector propuesto, se deben de llevar a cabo las pruebas

pertinentes a la caracterización del sistema electrónico, razón por la que se espera

que el proyecto sea concluido durante el año 2017.

Se seguirá trabajando sobre este proyecto desde los enfoques de la electrónica

digital, electrónica analógica, sistemas embebidos y diseño mecánico, mismas

necesarias para lograr el análisis y caracterización del sistema, el desarrollo de

filtros previos a la etapa de instrumentación, el procesamiento digital de la señal, el

monitoreo del sistema, y lograr el acoplamiento mecánico de las distintas partes del

mismo en un dron.

Una vez terminada la etapa de caracterización se procederá a realizar el detector,

además de continuar trabajando con el monitoreo del mismo, buscando hacerlo de

forma remota, dado que después se acoplará a un dron.

76

IV. BIBLIOGRAFÍA

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83

V. CONCLUSIONES

Esta estadía representa un periodo de gran aprendizaje tanto personal como

académico al haber tenido la oportunidad de trabajar en temas sobre los cuales no

había trabajado antes, en específico en el área de detectores de radiación, e incluso

más dado que se tuvo la oportunidad de ir a un centro de investigación tan

importante como es la Organización Europea para la Investigación Nuclear, dado

que se trabajó con expertos en diferentes áreas.

Además de representar esto también otra área de crecimiento durante este lapso,

ya que se tuvo la experiencia de saber cómo es vivir y trabajar en un país de habla

no hispana, donde la práctica de los idiomas es fundamental en el día a día.

Se adquirió una gran experiencia sobre lo que trabajar en el área de

instrumentación, ya que recibió mucha capacitación en este aspecto al aprender lo

básico del uso de la tecnología FPGA, misma capacitación que brinda una base

para seguir investigando sobre esto y aprender por cuenta propia.

También se aprendió la metodología de trabajo que se usa al realizar labores de

investigación y desarrollo de proyectos dada la naturaleza de las actividades

realizadas durante esta estadía tanto en la Universidad Autónoma de Sinaloa como

en el CERN.

El tema de la radiación es importante dado que se usa para diversos procesos para

realizar diagnóstico médico, la generación de energía, ciertos tratamientos, entre

otras cosas. Más al manejar este tipo de tecnologías se deben tomar precauciones,

ya la radioactividad mata las células, lo cual puede causar daños severos en las

personas que se exponen a ella, haciendo necesario el uso de dosímetros, la

contención de la radioactividad mediante diferentes técnicas, entre otras.

Siendo los riesgos provocados por la radiación muchas veces no tomados con la

seriedad necesaria en este país, lo cual genera la necesidad de desarrollar

proyectos de detectores de radiación para seguridad civil, a fines de detectar

material radioactivo sin poner en riesgo la vida humana.

84

Dado la naturaleza del proyecto con el cual se trabajó en la Facultad de Ciencias

Físico–Matemáticas de la UAS, es necesario tomar en cuenta todos los detalles

para asegurar el funcionamiento del ruido, haciendo necesario realizar

minuciosamente la caracterización del sistema en desarrollo, mismo sobre el cual

queda trabajo por hacer, tanto en la parte del detector como en su futuro

acoplamiento con un dron.

85

VI. ANEXOS

VI.1 ANEXO A: SCRIPT EN PYTHON PARA GRAFICAR LOS

DATOS DE UN PUERTO SERIAL EN 3D

# Se importan las librerias y sus componentes a utilizar

from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

import matplotlib.pyplot as plt

import numpy as np

import matplotlib.animation as animation

import serial

#Se declaran los objetos

fig = plt.figure()

ax1 = fig.add_subplot(111, projection='3d')

Data = serial.Serial('COM3', 9600)

#Definimos la funcion

def animate(i):

#Ubicamos las barras de nuestra grafica tridimensional

xpos = [0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3]

ypos = [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3]

zpos = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

#Se deja en unos la amplitud de las barras en los ejes X

y Y

dx = np.ones(16)

dy = np.ones(16)

#Se declara el arreglo que define la amplitud en Z de las

barras

dz = []

#Se abre un ciclo for

for count in range(0, 16, 1):

#Se revisa si hay datos que leer o no

while (Data.inWaiting() == 0): # Revisar si hay

datos que leer

pass # Si no hay, no hacer nada

#Si hay datos que leer entonces se leen, se

decodifican en utf-16 y se asignan

try:

String = Data.read() # read the line of text

from the serial port

Array = String.decode('utf-16')

dz.append(int(Array))

#Si hay algun error, entonces mostramos un mensaje de

86

error y cerramos

except:

Data.close()

print("Error")

quit()

#Se limpian las entradas y las salidas del objeto

serial

Data.flushInput()

Data.flush()

Data.flushOutput()

#Se muestran los valores asignados a las barras

print dz

#Se limpian los valores anteriores y se asignan unos

nuevos

ax1.clear()

ax1.bar3d(xpos, ypos, zpos, dx, dy, dz, color='#00ceaa')

#Se define la animacion, esfecificando que esta funcion se

ejecutara cada 500 ms

ani = animation.FuncAnimation(fig, animate, interval=500)

plt.show()

VI.2 ANEXO B: SCRIPT EN MATLAB PARA ANÁLISIS DE

CORRIENTE OSCURA

close all clear all clc

g = 2039; % números de archivos a graficar Mean_Charge=zeros(1,g);

for o=0:1:g if o<10 Count=['0000',num2str(o)]; elseif and(o>9,o<100) Count=['000',num2str(o)]; elseif and(o>99,o<1000) Count=['00',num2str(o)]; elseif and(o>999,o<10000) Count=['0',num2str(o)]; else Count=num2str(o); end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Carga de datos

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

87

C1DarkCount58V5_850nA_3mV06_20MHz = csvread(['C1DarkCount58V5-

850nA_3mV06_20MHz',Count,'.csv'],6,0); %Sana time=C1DarkCount58V5_850nA_3mV06_20MHz(:,1); Voltage=C1DarkCount58V5_850nA_3mV06_20MHz(:,2); time_Min=min(time); time= time - time_Min; Resistence=50; Current=Voltage/Resistence; Charge=cumtrapz(time, Current); Mean_Charge(o+1)=mean(Charge);

figure('Visible','off'); plot(time, Voltage); saveas(gcf,['C1DarkCount58V5_850nA_3mV06_20MHz_Voltage', Count,'.jpeg']);

figure('Visible','off'); plot(time, Charge); saveas(gcf,['C1DarkCount58V5_850nA_3mV06_20MHz_Charge', Count,'.jpeg']);

disp(o);

end %csvwrite('MeanCharge_C1DarkCount58V5_850nA_3mV06_20MHz_Charge.csv', ['Carga promedio'

'·# de prueba']); csvwrite('MeanCharge_C1DarkCount58V5_850nA_3mV06_20MHz_Charge.csv', Mean_Charge');

VI.3 ANEXO C: SCRIPT EN ROOT PARA GRAFICAR LA

CARGA DE 2 PMT CON RESPECTO AL TIEMPO

{

TCanvas *c1 = new TCanvas("c1","c1",600,400);

TDatime d1(2016,11,06,23,28,27); //5138

TDatime d2(2016,11,06,23,58,18); //5140

TDatime d3(2016,11,07,00,28,08); //5142

TDatime d4(2016,11,07,00,58,00); //5144

TDatime d5(2016,11,07,01,27,49); //5146

TDatime d6(2016,11,07,01,57,41); //5148

88

TDatime d7(2016,11,07,02,27,32); //5150

TDatime d8(2016,11,07,02,57,23); //5152

TDatime d9(2016,11,07,03,27,13); //5154

TDatime d10(2016,11,07,03,57,06); //5156

int n=10;

float x[n],AD1_da[n],AD2_da[n];

AD1_da[0]=424.2;

AD1_da[1]=412.7;

AD1_da[2]=410.6;

AD1_da[3]=415.3;

AD1_da[4]=399.2;

AD1_da[5]=403.3;

AD1_da[6]=400.6;

AD1_da[7]=401.1;

AD1_da[8]=392.1;

AD1_da[9]=396.1;

AD2_da[0]=443.6;

AD2_da[1]=442.5;

AD2_da[2]=446.2;

AD2_da[3]=455.4;

89

AD2_da[4]=444.2;

AD2_da[5]=450.9;

AD2_da[6]=451.2;

AD2_da[7]=454.8;

AD2_da[8]=448.3;

AD2_da[9]=454.1;

x[0] = d1.Convert();

x[1] = d2.Convert();

x[2] = d3.Convert();

x[3] = d4.Convert();

x[4] = d5.Convert();

x[5] = d6.Convert();

x[6] = d7.Convert();

x[7] = d8.Convert();

x[8] = d9.Convert();

x[9] = d10.Convert();

TGraph gr1(n,x,AD1_da);

gr1.SetMarkerStyle(21);

gr1.GetXaxis()->SetTimeDisplay(1);

gr1.SetMarkerColor(kBlue);

gr1.GetXaxis()->SetNdivisions(-503);

90

gr1.GetXaxis()->SetTimeFormat("#splitline{%d\/%m\/%y\}{%H\:%M\:%S\}");

gr1->GetXaxis()->SetTimeOffset(0,"gmt");

gr1->GetYaxis()->SetRangeUser(0,500);

gr1->SetTitle("Charge vs Time ; Time ; ADC Counts");

gr1.Draw("ap");

TGraph gr2(n,x,AD2_da);

gr2.SetMarkerStyle(21);

gr2.SetMarkerColor(kRed);

gr2.Draw("Psame");

leg = new TLegend(0.1,0.5,0.3,0.6);

leg->AddEntry(&gr1,"AD1","p");

leg->AddEntry(&gr2,"AD2","p" );

leg->Draw();

}