11 - Detecção de partículas utilizando câmeras CCDs e CMOS
Resumo:
A busca por física além do Modelo Padrão é um dos desafios centrais na física de partículas. Uma abordagem promissora envolve o aprimoramento de detectores para observar energias extremamente baixas, essenciais na busca por matéria escura e na detecção de neutrinos de reatores nucleares. Isso exige tecnologias de ultra baixo limiar, como os Skipper-CCDs (Skipper-Charge-Coupled Devices), que detectam energia com resolução sub-eletrônica e limiar de 1,2 eV. Com pixels de 15 microns e níveis de corrente escura extremamente baixos, esses dispositivos são sensíveis tanto a interações com núcleos atômicos quanto com elétrons. Neste laboratório, propomos estudar teorica e experimentalmente o funcionamento desses sensores e sua resposta a diferentes partículas. Além disso, exploraremos as câmeras CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) comerciais, que operam com o mesmo princípio dos CCDs e têm se destacado como detectores de partículas. Essas câmeras de silício pixelado oferecem alta eficiência de detecção, baixo ruído de leitura, resolução espacial na faixa de micrômetros, e são de baixo custo, operando a temperatura ambiente. Essas características as tornam ideais para aplicações científicas e comerciais. Os estudantes aprenderão a utilizar esses sensores conectados a uma Raspberry Pi, desenvolvendo um método de caracterização que avalie o ruído de leitura, a corrente escura e a curva de transferência de fótons para a calibração do sensor. Este sensor será aplicado na detecção de partículas, especialmente múons, com o objetivo de construir um hodoscópio e capturar imagens em paralelo para buscar coincidências espaciais em eventos de múons.
Ementa
- Introdução aos Semicondutores e Detectores de Silício
- Princípios básicos dos semicondutores
- Funcionamento de CCDs e CMOS
- Diferenças e aplicações de CCDs e CMOS na detecção de partículas
- Caracterização dos sensores CCDs e CMOS
- Aquisição de dados com CCDs e CMOS
- Estudo da resposta dos CCDs e CMOS: diferenças e semelhanças
- Revisão teórica sobre calibração de sensores
- Calibração e Curva de Transferência de Fótons com sensores CMOS
- Desenho e montagem de um experimento para medir o ganho do sensor
- Detecção de Partículas no Silício
- Interação de partículas com a matéria
- Análise de sinais em detectores de silício
- Aquisição de dados experimentais e reconhecimento de traços
- Desenho e montagem de um telescópio de múons com câmeras CMOS
- Criação de um banco de dados para análise
- Uso de ferramentas para visualizar interações de partículas
- Análise preliminar dos eventos detectados
Pré-Requisitos:
Sem pré requisitosBibliografia:
- Radiation Detection and Measurement, 4th Edition, Glenn F. Knoll, Wiley (2010)
- Single-electron and single-photon sensitivity with a silicon Skipper CCD, J. Tiffenberg, et al, Phys. Rev. Lett. 119, 131802 (2017)
- Particle detection and classification using commercial off the shelf CMOS image sensors, M. Perez et al. NIM A. 827 (2016)
- Fundamental performance differences between CMOS and CCD imagers, J. Janesick et al. SPIE (2006)
- CMOS and CCD image sensors for space applications, P. Jerram et al., High Performance Silicon Imaging, Woodhead Publishing (2020)
- CMOS sensor as charged particles and ionizing radiation detector, E. Cruz-Zaragoza, et al, J. Phys.: Conf. Ser. 582 012047 (2015)
- Photon Transfer, J. Janesick. SPIE https://doi.org/10.1117/3.725073 (2007)
- Raspberry Pi website https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/getting-started.html