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Proyectos Módulo de Instrumentación

Instructores

  • Chistian Sarmiento (UIS, Colombia)
  • Dennis Cazar (USFQ, Ecuador)
  • Deywis Moreno (UAN, Colombia)
  • Manuel Vielma (e-pisteme, España)
  • Oscar Baltuano (UNMSM, Perú)
  • Werner Escamilla (Yachay, Ecuador)

A continuación se listan los proyectos finales de las filiales: Altas Energías y Sistemas Complejos. En cada uno de ellos se adjuntan recursos bilbiográficos del fenómeno físico a estudiar y una breve descripción del proyecto.

Altas Energías

Calculo de la relación entre el flujo de rayos cósmicos y el ángulo cenital

La detección de rayos cósmicos es posible, fundamentalmente, por la interacción de las partículas con la atmósfera. Esta actúa como el calorímetro en el que las partículas depositan su energía y se desarrolla la cascada de partículas secundarias. Sin embargo, si se tiene en cuenta la curvatura de la Tierra, el flujo de rayos cósmicos cambia respecto del ángulo cenital de observación. El objetivo de este proyecto es verificar este fenómeno haciendo uso de los equipos CAEN para la detección de muones.

Recursos:

  • Kit premium CAEN

Entregables del proyecto:

  • Informe técnico y jupyter notebook con el detalle del análisis realizado.

Bibliografía:

  1. Zenith angle dependence of Cosmic muons. https://icd.desy.de/sites/sites_conferences/site_icd/content/e12688/e13082/e80711/Cosmic@Web_engl.pdf

  2. Extensive air showers. P. Grieder. Springer, 2010.

Observaciones:

  • El proyecto se propone para realizarse en el laboratorio de la UIS (no remotamente).

Persona de contacto:

  • Christian Sarmiento (UIS, Colombia)

Medición de la vida media del muón

En este trabajo se propone realizar mediciones del flujo y la distribución angular de muones que llegan a la superficie terrestre utilizando un telescopio de muones compuesto por centelladores plásticos unidos a fotomultiplicadores de silicio (SiPM). Se trata de medir con precisión la vida media del muón y también se verificará que la energía depositada por el muón sigue con la curva propuesta por Landau para partículas cargadas.

Recursos:

  • Telescopio de muones del proyecto Escaramujo

Entregables del proyecto:

  • Jupyter notebooks que describen el proceso de calibración, toma de medidas, análisis y resultados

Bibliografía: * Fuksman, David Melon; J.2014, Caracterización de un sistema de detectores de centelleo y utilización del mismo en el estudio del flujo de rayos cósmicos secundarios. * Física Experimental IV, Instituto Balseiro Laboratorio de Detección de Partículas y Radiación, Centro Atómico Bariloche.

Persona de contacto:

  • Dennis Cazar, (USFQ, Ecuador)

Caracterización de centelladores para detección de radiación gamma

Realizar un análisis teórico y posterior validación experimental de la respuesta de 3 centelladores sólidos como detectores de radiación gamma en función a la energía usando los equipos CAEN y realización de estudio comparativo con la respuesta de detectores de NaI clásicos.

Recursos:

  • Espectrometro gamma equipado con 3 tipos de centelladores orgánicos (BGO, LYSO, CsI) y fuentes radioactivas de Cs-137, Co-60, Mn-54, Na-22, B-133; Espectrómetro beta y arreglo soporte para muestras en forma de láminas de diversos materiales, fuente radioactiva beta de Sr-90. Detectores GM, detector de NaI de 2x2", detector de NaI de 3x3, módulos de instrumentación nuclear y equipamiento de laboratorio completo.

Entregables del proyecto:

  • Un informe final en formato de artículo científico con la evaluación de los resultados obtenidos y documentación completa en el caso de prototipo a ser armado.

Bibliografía:

  • Comparative Studies of CsI(Tl), LYSO and BGO Scintillators, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.675-676.760
  • https://www.caen.it/wp-content/uploads/2017/10/SG6124.pdf

Persona de contacto:

  • Oscar Baltuano (UNMSM, Perú)

Aplicación de radiación beta para determinación en línea de espesor de láminas.

Determinar en forma experimental el coeficiente de atenuación de diversos materiales para radiación beta y su demostración como técnica de medición en línea del espesor de láminas delgadas mediante el montaje y caracterización de un prototipo a escala armado en laboratorio.

Recursos:

  • Espectrometro gamma equipado con 3 tipos de centelladores orgánicos (BGO, LYSO, CsI) y fuentes radioactivas de Cs-137, Co-60, Mn-54, Na-22, B-133; Espectrómetro beta y arreglo soporte para muestras en forma de láminas de diversos materiales, fuente radioactiva beta de Sr-90. Detectores GM, detector de NaI de 2x2", detector de NaI de 3x3, módulos de instrumentación nuclear y equipamiento de laboratorio completo.

Entregables del proyecto:

  • Un informe final en formato de artículo científico con la evaluación de los resultados obtenidos y documentación completa en el caso de prototipo a ser armado.

Bibliografía:

  • Comparative Studies of CsI(Tl), LYSO and BGO Scintillators, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.675-676.760
  • https://www.caen.it/wp-content/uploads/2017/10/SG6124.pdf

Persona de contacto:

  • Oscar Baltuano (UNMSM, Perú)

A simple and robust method to study after-pulses in Silicon Photomultipliers

Measurement of DCT and After-pulsing probability in MPPCs using statistical methods.

Recursos:

  • CAEN Photon Kit

Entregables del proyecto:

  • Calculation for DCR and After-pulsing probabilities of MPPCs, comparison with Data sheet information. It is expected the generation of a laboratory Guide to be use next semester.

Bibliografía:

  • CAEN Educational Note ED3235

Persona de contacto:

  • Deywis Moreno (UAN, Colombia)

Determinación de la posición de impacto de una partícula en una barra centelladora

La moungrafía es una técnica de imagen basada en la determinación de la posición de impacto de una partícula cargada en un detector. Es una técnica de tomografía no invasiva usada en arqueología y vulcanología. Para este proyecto se utilizarán barras de plástico centellador acopladas con fibra óptica a dos SiPMs que nos permitan determinar la posición de impacto en la barra. El objetivo de este proyecto es realizar un framework de simulación en Geant4 y Corsika y luego construir un prototipo para realizar mediciones que puedan perfeccionar el modelo. La construcción del prototipo puede ser realizada por el estudiante en presencial o construida en el laboratorio (las medidas se pueden realizar en remoto).

Recursos: - barras de plástico centellador - fibra óptica - SiPMs - Sistema de Adquisición de Datos

Entregables del proyecto: * Modelo en Geant4 de la barra + fibra + SiPM * Resultados de la simulación * Jupyter Notebook con el análisis de datos

Bibliografía:

  • The MIMA project. Design, construction and performances of a compact hodoscope for muon radiography applications in the context of archaeology and geophysical prospections. G. Baccani1,2, L. Bonechi1,2, D. Borselli3, R. Ciaranfi2, L. Cimmino3,4, V. Ciulli1,2, R. D'Alessandro1,2, C. Fratticioli1, B. Melon2, P. Noli3,4

Observaciones:

  • Si el estudiante puede trabajar opresencialmente en la USFQ podrá construir el prototipo, caso contrario el prototipo será construido por el asistente de laboratorio y el estudiante realizará las medidas usando el DAQ del laboratorio.

Persona de contacto:

  • Dennis Cazar, (USFQ, Ecuador)

Sistemas Complejos

Equilibrio caótico: el péndulo invertido

Si el caos es una de las caras de la moneda de los sistemas dinámicos (la más compleja e irregular), en este proyecto exploraremos lo que vendría a ser su reverso: sistemas en los que pequeñas perturbaciones dan lugar a la emergencia de puntos de equilibro estable. En un péndulo simple, por ejemplo, el azimut es un punto de equilibrio inestable. Sin embargo, bajo vibraciones verticales de su eje de oscilación, un péndulo simple puede mantenerse con la masa en el azimut sin que ésta se caiga, pasando así a ser un punto de equilibrio estable. Este fenómeno puede observarse incluso en un péndulo doble, lo que demuestra que bajo ciertas perturbaciones es posible acotar las trayectorias en el espacio de fases de un sistema que de otra manera es netamente caótico (divergente).

Para estudiar el fenómeno se deducirán y analizarán las ecuaciones de movimiento, se analizarán simulaciones del fenómenos, y se construirá una versión simple del mecanismo (usando un motor DC y piezas a fabricar con una impresora 3D).

Recursos:

  • Diseños 3D de mecanismo

Entregables del proyecto:

  • Informe con análisis de ecuaciones de movimiento y descripción del fenómeno. Prototipo funcional de un péndulo invertido.

Bibliografía:

  • David Morin, Introduction to classical mechanics: https://scholar.harvard.edu/files/david-morin/files/cmchap6.pdf Simulaciones
  • https://www.myphysicslab.com/pendulum/inverted-pendulum-en.html
  • https://www.myphysicslab.com/pendulum/inverted-double-pendulum-en.html

Observaciones:

  • Los diseños 3D serán puestos a disposición de los estudiantes para que fabriquen los mecanismos mediante el uso de una impresora 3D. Idealmente, el estudiante ha de tener acceso a una impresora 3D en su centro o en algún Fablab o espacio Maker local.

Personas de contacto:

Mapas fractales: el péndulo magnético

Asociado a las propiedades caóticas de los sistemas dinámicos hay un comportamiento altamente no trivial de sus trayectorias en el espacio de fases. Incluso ante la presencia de atractores, tales trayectorias dan lugar a "patrones" muy complejos.

En un péndulo simple que responde al campo magnético de imanes equidistantes ubicados en la base (el así llamado "péndulo magnético"), el comportamiento deja de ser simple para convertirse en un sistema caótico. Tras oscilar, el péndulo se estabiliza sobre uno de los imanes, pero pequeñas variaciones de las condiciones iniciales harán que se estabilice sobre otro cualquiera de los imanes, de manera aleatoria.

Un mapa de a cuál imán (esto es, a cuál atractor) lleva una condición inicial en particular da lugar a una estructura fractal. En este proyecto se estudiará este sistema y se construirá una versión simple de un péndulo magnético que permita visualizar el fenómeno.

Recursos:

  • En caso de tener acceso a una cortadora láser, el/la estudiante puede disponer del diseño del prototipo para su posterior ensamble.

Entregables del proyecto:

  • Reporte explicando las bases teóricas del fenómeno, prototipo de péndulo magnético

Bibliografía:

  • Institute of Mathematics and its applications:Chaos in the magnetic pendulum https://ima.org.uk/13908/chaos-in-the-magnetic-pendulum/

  • Simulaciones: https://beltoforion.de/en/magnetic_pendulum/

Personas de contacto:

Fenómenos colectivos: sincronización caótica

La sincronización del caos se refiere al fenómeno en el que dos o más sistemas caóticos ajustan alguna propiedad de su movimiento a un comportamiento común debido a un acoplamiento a forzamiento. Que sistemas dinámicos en general puedan comportarse al unísono no es ninguna sorpresa (piénsese en la resonancia), pero que esto suceda también en sistemas caóticos es particularmente interesante.

Este proyecto consiste en explorar los aspectos generales de la sincronización de sistemas dinámicos (caóticos y no caóticos), incluyendo su relevancia en fisiología, óptica no lineal y dinámica de fluidos. Se propone la construcción de un prototipo de sincronización de sistemas dinámicos con dos péndulos simples acoplados.

Recursos:

  • Diseño electrónico y circuitería.

Entregables del proyecto:

  • Este es un proyecto de corte más conceptual. El/la estudiantes deberá escribir un breve reporte descriptivo, resumiendo los principales aspectos del fenómeno. Se propone (de manera opcional) la construcción de un prototipo simple en que el que se visualice el fenómeno de sincronización.

Bibliografía:

  • Boccaletti et al (2002), The synchronization of chaotic systems: https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.385.2030&rep=rep1&type=pdf Ejemplo de prototipo simple: https://www.youtube.com/watch?v=TxTl00WkmAE​​​​​​​

Personas de contacto:

Opción libre

  • ¿Tienes algún experimento en mente bien sea en el área de FAE o SC? Lo podemos discutir!

Dinámica de trabajo

  • En grupos de 3 estudiantes (de diferentes universidades y ciudades, mejor aún si son de diferentes países)
  • Una vez que hayas decidido que proyecto quieres comunicanos el nombre de los integrantes de tu equipo y el proyecto escogido en el mattermost. Mattermost será nuestro canal de comunicación preferido.
  • Contacta a la persona de contacto de tu proyecto para empezar (mantén en el loop a los responsables del curso!)

Calendario 2022

  • Semana 1 (Abril 6): Elección de proyecto y revisión bibliográfica
  • Semana 2: Semana Santa
  • Semanas 3-5 (Abril 18 a Mayo 6): Diseño del experimento + toma y análisis de datos
  • Miércoles 4 de mayo: presentación corta e informal sobre status del proyecto (mid-term)
  • Semanas 6-7 (Mayo 9 a Mayo 20): Lectura de profundizacion + preparacion de la presentación y del reporte
  • Semana 8 (Mayo 23 y Mayo 25): Presentación + entrega del reporte