Diseño e implementación de Sistemas CCDs de bajo ruido para la detección de antineutrinos provenientes de un reactor nuclear

Abstract

Los dispositivos CCDs (por las siglas en inglés de Charge Coupled Devices) son aún hoy en día la tecnología líder para la toma de imágenes de baja distorsión y son ampliamente utilizados en aplicaciones de astronomía en el rango de la luz visible y en el infrarrojo cercano. En esta tesis se estudia y desarrolla su utilización para la detección de otras partículas diferentes a los fotones de luz, en particular para partículas con muy poca probabilidad de detección y muy poca deposición de energía logrando que esta nueva tecnología presente una ventaja respecto a detectores disponibles hoy en día. Los resultados de esta tesis son la base del desarrollo de una aplicación de un sistema de CCDs para la detección de neutrinos provenientes de un reactor nuclear. Se estudian las características principales de los CCDs que los hacen aptos para esta novedosa aplicación, y se encuentra que la mayor limitante de su rendimiento es el ruido de lectura agregado por su etapa de salida. Se desarrolla una técnica para reducir su incidencia, y mejorar así la capacidad de detección. A partir de estas características se analiza la capacidad de los CCD para detectar neutrinos provenientes de un reactor nuclear por medio de la interacción coherente entre el neutrino y los núcleos de los átomos de silicio. Para optimizar la detección de eventos de este tipo en las imágenes de salida, se deriva un modelo matemático que estudia el mecanismo de generación de carga en el CCD y se desarrolla una técnica de calibración que permite obtener información de la profundidad a la que se produce la ionización Estos resultados se plasmaron en el desarrollo de un prototipo instalado en la Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto, en Angra dos Reis, Brasil. Se muestran algunos resultados preliminares obtenidos con este prototipo, y se comentan las mejoras que se realizarán próximamente en este sistema.

Charge Coupled Devices are still nowadays the best available technology for low distortion digital imaging applications and are extensively used for ground and spacebased astronomy for visible light and near infrared. In this thesis, studies to extent its use to applications for the detection of particles different to light photons are presented, in particular for those particles having low probability of interaction and small deposition of energy for which this technology presents advantages over available detectors. These studies are the base for the development of a CCD system aiming the detection of low energy neutrinos coming out from a nuclear reactor. The most important aspects of scientific CCDs for particle detection are revisited, and its main detection limitation produced by the readout noise added by the output amplifier of the device is explained. A technique to reduce the effect of this noise and to improve the detection performance is developed. The main features of CCDs are then used to analyze the feasibility of detecting low energy neutrinos through their coherent scattering with nuclei. A mathematical model of the expected signal in the output images is obtained and a new technique for the calibration of the CCDs to obtained the depth of the interaction in the silicon is developed. This result is used to improve the detection performance of the system The first CCD system prototype for this application is presented together with some details of its installation at Central Nuclear Almirante Alvaro Alberto in Angra dos Reis, Brazil, and some preliminary results are discuSSED.