CONSTRUCCIÓN DE INSTRUMENTO PARA LA
CARACTERIZACIÓN DETECTORES DE
PARTÍCULAS
CONSTRUCTION OF AN INSTRUMENT FOR THE
CHARACTERIZATION OF PARTICLE DETECTORS
Gustavo Mendoza Leal
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de Sistemas- México
Alfredo Valentin Reyes Acosta
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de Sistemas- México
Ernesto Rios Willars
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de Sistemas- México
José Humberto Carrillo Ramos
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de Sistemas- México
Jessica Esperanza Mora del Bosque
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de Sistemas - México
pág. 9827
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v9i5.20297
Construcción de Instrumento para la Caracterización Detectores de
Partículas
Gustavo Mendoza Leal1
gustavomendozaleal@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0009-0006-5238-0297
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de
Sistemas
México
Alfredo Valentin Reyes Acosta
alfredoreyes@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0000-0003-2022-8048
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de
Sistemas
México
Ernesto Rios Willars
riose@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0000-0002-7157-8884
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de
Sistemas
México
José Humberto Carrillo Ramos
Jose.carrillo@uadec.edu.mx
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de
Sistemas
México
Jessica Esperanza Mora del Bosque
jemorad@uadec.edu.mx
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de
Sistemas
México
RESUMEN
La automatización es parte fundamental para las empresas a nivel mundial, ya que se automatizan las
actividades y procesos, lo que nos permite trabajar de manera continua, con diferentes procesos y en
ambientes de alto riesgo para aquellos que operan ciertos sistemas, además nos facilitan la obtención de
datos de forma continua, permitiéndonos el análisis, optimización y diagnóstico; por lo tanto, en esta
investigación se diseñó y construyo un prototipo automatizado caracterizador de detectores de
partículas, que nos permitan conocer el grado de “aceptancia “ de dichos detectores. En dicho proceso
se realizaron tres pruebas con las cuales se extrajeron datos para conocer si estos son los que representan
al sistema. Dicho sistema permite tener una gráfica de aceptancia, a pesar del error por las diferentes
variables del instrumento, los resultados nos permiten el análisis del instrumento y saber si la incidencia
fue correcta.
Palabras clave: detectores, partículas, incidencia, caracterizador
1 Autor principal
Correspondencia: gustavomendozaleal@uadec.edu.mx
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v9i5.20297
Construcción de Instrumento para la Caracterización Detectores de
Partículas
Gustavo Mendoza Leal1
gustavomendozaleal@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0009-0006-5238-0297
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de
Sistemas
México
Alfredo Valentin Reyes Acosta
alfredoreyes@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0000-0003-2022-8048
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de
Sistemas
México
Ernesto Rios Willars
riose@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0000-0002-7157-8884
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de
Sistemas
México
José Humberto Carrillo Ramos
Jose.carrillo@uadec.edu.mx
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de
Sistemas
México
Jessica Esperanza Mora del Bosque
jemorad@uadec.edu.mx
Universidad Autónoma de Coahuila, Facultad de
Sistemas
México
RESUMEN
La automatización es parte fundamental para las empresas a nivel mundial, ya que se automatizan las
actividades y procesos, lo que nos permite trabajar de manera continua, con diferentes procesos y en
ambientes de alto riesgo para aquellos que operan ciertos sistemas, además nos facilitan la obtención de
datos de forma continua, permitiéndonos el análisis, optimización y diagnóstico; por lo tanto, en esta
investigación se diseñó y construyo un prototipo automatizado caracterizador de detectores de
partículas, que nos permitan conocer el grado de “aceptancia “ de dichos detectores. En dicho proceso
se realizaron tres pruebas con las cuales se extrajeron datos para conocer si estos son los que representan
al sistema. Dicho sistema permite tener una gráfica de aceptancia, a pesar del error por las diferentes
variables del instrumento, los resultados nos permiten el análisis del instrumento y saber si la incidencia
fue correcta.
Palabras clave: detectores, partículas, incidencia, caracterizador
1 Autor principal
Correspondencia: gustavomendozaleal@uadec.edu.mx
pág. 9828
Construction of an Instrument for the Characterization of Particle
Detectors
ABSTRACT
Automation is a fundamental component for companies worldwide, as it enables the automation of
activities and processes, allowing continuous operation in various environments, including high-risk
settings for operators. Furthermore, it facilitates the rapid and continuous acquisition of data, which in
turn supports analysis, optimization, and diagnostics. In this work, an automated instrument was
designed and constructed for the characterization of particle detectors, with the purpose of determining
their acceptance degree and obtaining precise technical datasheets. During the development, three
experimental tests were carried out, from which data were extracted to verify whether the results
accurately represented the behavior of the system. The implemented system enables the generation of
an acceptance curve that, despite possible errors caused by different variables involed in the operation
of the instrument, allows a reliable analysis of the detector’s performance and validates the accuracy of
the incidence.
Keywords: detectors, particles, incidence, characterization
Artículo recibido 15 septiembre 2025
Aceptado para publicación: 15 octubre 2025
Construction of an Instrument for the Characterization of Particle
Detectors
ABSTRACT
Automation is a fundamental component for companies worldwide, as it enables the automation of
activities and processes, allowing continuous operation in various environments, including high-risk
settings for operators. Furthermore, it facilitates the rapid and continuous acquisition of data, which in
turn supports analysis, optimization, and diagnostics. In this work, an automated instrument was
designed and constructed for the characterization of particle detectors, with the purpose of determining
their acceptance degree and obtaining precise technical datasheets. During the development, three
experimental tests were carried out, from which data were extracted to verify whether the results
accurately represented the behavior of the system. The implemented system enables the generation of
an acceptance curve that, despite possible errors caused by different variables involed in the operation
of the instrument, allows a reliable analysis of the detector’s performance and validates the accuracy of
the incidence.
Keywords: detectors, particles, incidence, characterization
Artículo recibido 15 septiembre 2025
Aceptado para publicación: 15 octubre 2025
pág. 9829
INTRODUCCIÓN
Los detectores de partículas son dispositivos empleados para observar, registrar, analizar y/o identificar
el paso de partículas subatómicas (Grupen & Shwartz, 2023). Actualmente los detectores para los
aceleradores son grandes y de precios elevados. Algunos detectores pueden contar el número de
partículas, sin embargo, no determinan su energía o ionización.
Esta investigación apunta al diseño y construcción de un prototipo para la caracterización de detectores
de partículas de alta energía basados en silicón. La relevancia de esta investigación es la de obtener un
instrumento de tamaño reducido y de un costo accesible referente a los convencionales. El prototipo
propuesto efectúa un movimiento controlado desde la fuente de energía y un sistema de detección
electrónico, de tal manera que podamos producir una gráfica de aceptancia que muestre dicha relación.
Esta investigación tiene repercusiones en varios ámbitos, entre ellos la industria médica, automotriz,
física de partículas entre otros, ya que permite convertir interacciones invisibles de partículas
subatómicas en señales medibles de manera más eficiente y a un menor costo.
De tal manera, que este proyecto adquiere relevancia al poder evaluar algunos materiales bajo ciertas
condiciones, contribuyendo al avance tecnológico, la generación de conocimiento e investigación. Este
sistema crea innovación al ser un sistema más compacto, accesible y con la transversativilidad de ser
utilizado en varias ciencias e ingenierías.
Estado Del Arte
Los detectores de partículas representan una herramienta fundamental en la física experimental y en
diversas ramas de la ingeniería, dado que permiten la identificación de radiaciones como resultado de
interacciones electromagnéticas con materiales detectores (Grupen & Shwartz, 2023). Actualmente,
existen múltiples tipos de detectores, entre los que destacan los de vacío, los fotodetectores basados en
gas y con ventajas significativas, los detectores de estado sólido. Estos últimos se caracterizan por ser
más compactos, ligeros, resistentes y tolerantes a campos electromagnéticos, además de presentar un
menor costo. Su diseño permite una pixelación más fina, la integración sencilla en sistemas más grandes
y la operación a bajo potencial eléctrico, cumpliendo o incluso superando los criterios de desempeño de
otras tecnologías (Beringer et al., 2012).
La detección de partículas y radiaciones solo es posible a través de sus interacciones con la materia,
INTRODUCCIÓN
Los detectores de partículas son dispositivos empleados para observar, registrar, analizar y/o identificar
el paso de partículas subatómicas (Grupen & Shwartz, 2023). Actualmente los detectores para los
aceleradores son grandes y de precios elevados. Algunos detectores pueden contar el número de
partículas, sin embargo, no determinan su energía o ionización.
Esta investigación apunta al diseño y construcción de un prototipo para la caracterización de detectores
de partículas de alta energía basados en silicón. La relevancia de esta investigación es la de obtener un
instrumento de tamaño reducido y de un costo accesible referente a los convencionales. El prototipo
propuesto efectúa un movimiento controlado desde la fuente de energía y un sistema de detección
electrónico, de tal manera que podamos producir una gráfica de aceptancia que muestre dicha relación.
Esta investigación tiene repercusiones en varios ámbitos, entre ellos la industria médica, automotriz,
física de partículas entre otros, ya que permite convertir interacciones invisibles de partículas
subatómicas en señales medibles de manera más eficiente y a un menor costo.
De tal manera, que este proyecto adquiere relevancia al poder evaluar algunos materiales bajo ciertas
condiciones, contribuyendo al avance tecnológico, la generación de conocimiento e investigación. Este
sistema crea innovación al ser un sistema más compacto, accesible y con la transversativilidad de ser
utilizado en varias ciencias e ingenierías.
Estado Del Arte
Los detectores de partículas representan una herramienta fundamental en la física experimental y en
diversas ramas de la ingeniería, dado que permiten la identificación de radiaciones como resultado de
interacciones electromagnéticas con materiales detectores (Grupen & Shwartz, 2023). Actualmente,
existen múltiples tipos de detectores, entre los que destacan los de vacío, los fotodetectores basados en
gas y con ventajas significativas, los detectores de estado sólido. Estos últimos se caracterizan por ser
más compactos, ligeros, resistentes y tolerantes a campos electromagnéticos, además de presentar un
menor costo. Su diseño permite una pixelación más fina, la integración sencilla en sistemas más grandes
y la operación a bajo potencial eléctrico, cumpliendo o incluso superando los criterios de desempeño de
otras tecnologías (Beringer et al., 2012).
La detección de partículas y radiaciones solo es posible a través de sus interacciones con la materia,
pág. 9830
siendo diferentes los procesos de interacción para partículas cargadas y neutras, como los fotones.
Dichos fenómenos están gobernados por las interacciones fundamentales de la naturaleza: gravitacional,
nuclear débil, electromagnética y nuclear fuerte, que explican los procesos físicos del universo (Navas
et al., 2024; Wermes, 2009). En este sentido, la mecánica describe las interacciones como una energía
potencial dependiente de las coordenadas de las partículas que interactúan, lo que supone una
propagación instantánea de las fuerzas involucradas (Benacquista & Romano, 2018). Esta diversidad de
interacciones obliga a que los procesos de detección varíen según la naturaleza de la partícula y la
energía en juego, lo que ha derivado en una gran variedad de detectores (Grupen & Shwartz, 2023).
Entre los principales tipos de detectores se encuentran los centelladores, los cuales emiten luz visible al
retornar un electrón excitado a su estado fundamental. Esto dispositivos actúan con cristales que
transforman las radiaciones gamas en longitudes de ondas visibles, los cuales inciden en el
fotomultiplicador para ser convertidos en electrones y de este modo ser detectados por dispositivos
electrónicos (Martin & Morales, 2015). Por otra parte, los detectores de gases su base es por medio de
la ionización que se produce cuando las partículas lo atraviesan y los electrones que están libres generan
iones por la trayectoria. Este tipo de detectores ha sido utilizado en la detección de muones, partículas
elementales pertenecientes a la segunda generación de leptones(Assran & Sharma, 2011). Finalmente,
los detectores de estado sólido, basados en materiales semiconductores, producen ionización en forma
de señal y ofrecen configuraciones avanzadas como los detectores de silicio de doble cara, diseñados
para estudios de radioactividad nuclear (McGregor & Shultis, 2020).
Una característica clave de los detectores modernos es que todos incorporan sistemas eléctricos de
transducción, lo que permite transformar la información en impulsos eléctricos procesables mediante
circuitos electrónicos. Este avance representa una ventaja significativa, ya que permite el análisis de los
datos de manera rápida y precisa, convirtiendo a los detectores en un sistema inseparable de los
componentes electrónicos.
En el camino histórico de estos dispositivos, cabe destacar la radioactividad descubierta por Henri
Becquerel en el año de 1896, lo que permitió comprender que las sales de uranio emitían radiaciones
capaces de atravesar materiales opacos. Dicho fenómeno condujo al desarrollo de los primeros modelos
siendo diferentes los procesos de interacción para partículas cargadas y neutras, como los fotones.
Dichos fenómenos están gobernados por las interacciones fundamentales de la naturaleza: gravitacional,
nuclear débil, electromagnética y nuclear fuerte, que explican los procesos físicos del universo (Navas
et al., 2024; Wermes, 2009). En este sentido, la mecánica describe las interacciones como una energía
potencial dependiente de las coordenadas de las partículas que interactúan, lo que supone una
propagación instantánea de las fuerzas involucradas (Benacquista & Romano, 2018). Esta diversidad de
interacciones obliga a que los procesos de detección varíen según la naturaleza de la partícula y la
energía en juego, lo que ha derivado en una gran variedad de detectores (Grupen & Shwartz, 2023).
Entre los principales tipos de detectores se encuentran los centelladores, los cuales emiten luz visible al
retornar un electrón excitado a su estado fundamental. Esto dispositivos actúan con cristales que
transforman las radiaciones gamas en longitudes de ondas visibles, los cuales inciden en el
fotomultiplicador para ser convertidos en electrones y de este modo ser detectados por dispositivos
electrónicos (Martin & Morales, 2015). Por otra parte, los detectores de gases su base es por medio de
la ionización que se produce cuando las partículas lo atraviesan y los electrones que están libres generan
iones por la trayectoria. Este tipo de detectores ha sido utilizado en la detección de muones, partículas
elementales pertenecientes a la segunda generación de leptones(Assran & Sharma, 2011). Finalmente,
los detectores de estado sólido, basados en materiales semiconductores, producen ionización en forma
de señal y ofrecen configuraciones avanzadas como los detectores de silicio de doble cara, diseñados
para estudios de radioactividad nuclear (McGregor & Shultis, 2020).
Una característica clave de los detectores modernos es que todos incorporan sistemas eléctricos de
transducción, lo que permite transformar la información en impulsos eléctricos procesables mediante
circuitos electrónicos. Este avance representa una ventaja significativa, ya que permite el análisis de los
datos de manera rápida y precisa, convirtiendo a los detectores en un sistema inseparable de los
componentes electrónicos.
En el camino histórico de estos dispositivos, cabe destacar la radioactividad descubierta por Henri
Becquerel en el año de 1896, lo que permitió comprender que las sales de uranio emitían radiaciones
capaces de atravesar materiales opacos. Dicho fenómeno condujo al desarrollo de los primeros modelos
pág. 9831
atómicos y, posteriormente, cuando los rayos X fueron descubiertos por Wilhelm Conrad Roentgen.
Más adelante, Sir William Crookes introdujo el espintariscopio, un detector basado en la emisión de
destellos de luz provocados por partículas alfa en pantallas de sulfuro de zinc, dispositivo que aún se
emplea en experimentos de demostración (Grupen & Shwartz, 2023).
Los detectores de estado sólido, en particular, han jugado un papel central en la física moderna. Basados
en materiales como el silicio o el germanio, estos dispositivos alcanzan alta resolución en la medición
de energía y se adaptaron rápidamente en espectroscopía y en la detección de trayectorias en física de
altas energías. Su operación básica se basa en la generación de pares electrón-hueco al paso de la
radiación ionizante, los cuales se recolectan mediante campos eléctricos (Leo, 1994; Wermes, 2009).
Investigaciones recientes también ha incorporado innovaciones, como lo son las pinzas ópticas, capaces
de capturar y manipular partículas micrométricas y nanométricas mediante haces láser focalizados, con
aplicaciones en biología celular (Wang et al., 2021). Así mismo, se han desarrollado métodos de
caracterización en fotometría y reflectancia, como los estudios de flujo luminoso en lámparas, la
determinación de la expansividad espectral de fotodiodos InGaAs/InP, cuyo comportamiento depende
de la reflectancia y eficiencia cuántica. Estos estudios han demostrado que ciertos dispositivos incluyen
estructuras antirreflejantes que estabilizan la respuesta ante variaciones en el estado de polarización de
la radiación (Rogalski, 2019).
Otros detectores de partículas de altas energías son las que se encargan de detectar el espectro de energía
y el flujo de protones en tres direcciones ortogonales X, Y, y Z ,al obtener estas partículas cargas se
puede obtener su distribución espacial variable en el tiempo lo que proporciona información del
movimiento de partículas (Shen et al., 2023).
En los casos más extensos la detección de lluvias de partículas y la reconstrucción de rayos cósmicos
se han realizado con diferentes técnicas, en las cuales diferentes conjuntos de detectores convencionales
como los centelladores, las estaciones Cherenkov de agua o detectores de muones subterráneos miden
la distribución lateral de la lluvia en los suelos (Navas et al., 2024).
En general, la evolución de los detectores de partículas refleja un progreso constante desde los primeros
experimentos a finales del siglo XIX hasta los sofisticados sistemas de estado sólido y ópticos actuales.
Estos avances han permitido mejorar la precisión, eficiencia y seguridad en la detección de radiaciones,
atómicos y, posteriormente, cuando los rayos X fueron descubiertos por Wilhelm Conrad Roentgen.
Más adelante, Sir William Crookes introdujo el espintariscopio, un detector basado en la emisión de
destellos de luz provocados por partículas alfa en pantallas de sulfuro de zinc, dispositivo que aún se
emplea en experimentos de demostración (Grupen & Shwartz, 2023).
Los detectores de estado sólido, en particular, han jugado un papel central en la física moderna. Basados
en materiales como el silicio o el germanio, estos dispositivos alcanzan alta resolución en la medición
de energía y se adaptaron rápidamente en espectroscopía y en la detección de trayectorias en física de
altas energías. Su operación básica se basa en la generación de pares electrón-hueco al paso de la
radiación ionizante, los cuales se recolectan mediante campos eléctricos (Leo, 1994; Wermes, 2009).
Investigaciones recientes también ha incorporado innovaciones, como lo son las pinzas ópticas, capaces
de capturar y manipular partículas micrométricas y nanométricas mediante haces láser focalizados, con
aplicaciones en biología celular (Wang et al., 2021). Así mismo, se han desarrollado métodos de
caracterización en fotometría y reflectancia, como los estudios de flujo luminoso en lámparas, la
determinación de la expansividad espectral de fotodiodos InGaAs/InP, cuyo comportamiento depende
de la reflectancia y eficiencia cuántica. Estos estudios han demostrado que ciertos dispositivos incluyen
estructuras antirreflejantes que estabilizan la respuesta ante variaciones en el estado de polarización de
la radiación (Rogalski, 2019).
Otros detectores de partículas de altas energías son las que se encargan de detectar el espectro de energía
y el flujo de protones en tres direcciones ortogonales X, Y, y Z ,al obtener estas partículas cargas se
puede obtener su distribución espacial variable en el tiempo lo que proporciona información del
movimiento de partículas (Shen et al., 2023).
En los casos más extensos la detección de lluvias de partículas y la reconstrucción de rayos cósmicos
se han realizado con diferentes técnicas, en las cuales diferentes conjuntos de detectores convencionales
como los centelladores, las estaciones Cherenkov de agua o detectores de muones subterráneos miden
la distribución lateral de la lluvia en los suelos (Navas et al., 2024).
En general, la evolución de los detectores de partículas refleja un progreso constante desde los primeros
experimentos a finales del siglo XIX hasta los sofisticados sistemas de estado sólido y ópticos actuales.
Estos avances han permitido mejorar la precisión, eficiencia y seguridad en la detección de radiaciones,
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consolidando su importancia en áreas como la física de partículas, la medicina y la ingeniería.
METODOLOGÍA
Este trabajo se fundamentó en un proceso iterativo, orientado a la creación y análisis de un mecanismo
con aplicación a un detector de partículas. Se aplicaron algunas fases propuestas en cuanto a procesos
iterativos (Shigley et al., 2021), comenzando con el reconocimiento de la necesidad y teniendo un
sistema previo y la posibilidad de introducir mejoras. Posteriormente, se realizó la definición del
problema, que incluyó las cantidades de entradas y de salidas, las dimensiones, restricciones de
operación como costo, vida útil, intervalos de mantenimiento y confiabilidad.
Una vez planteado el problema, en el cual se formularon y evaluaron alternativas de diseño conceptual.
Dichas alternativas fueron sometidas a análisis y optimización mediante retroalimentación, descartando
aquellas que no satisfacían las condiciones iniciales. El proceso se completó con la evaluación del
prototipo, verificando el cumplimiento de las especificaciones, y con la presentación de los resultados
obtenidos. Todo el proceso se desarrolló de forma iterativa en cada paso del proyecto, lo que permitió
ajustar y optimizar el diseño en función de los resultados parciales obtenidos.
La caracterización del mecanismo se determinó cuantos deberían de ser los grados de libertad, definidos
por los parámetros de entrada independiente requeridos para lleva el sistema a una posición particular
(Norton, 2009). Por lo cual, se empleó una expresión general que relaciona eslabones, juntas y grados
de libertad. Se consideraron juntas rotacionales, prismáticas y cilíndricas, además de la clasificación de
cadenas cinemáticas abiertas y cerradas. Para el caso específico del mecanismo de cuatro barras, se
aplicó el criterio de Grashof para conocer si al menos un eslabón podría realizar una rotación completa,
identificando también las inversiones posibles.
El mecanismo de cuatro barras fue elegido base para el diseño por su simplicidad (Figura 1) y capacidad
de realizar varias funciones como la coordinación de movimientos angulares, la generación de
trayectorias y la translación. Los cálculos incluyeron el estudio algebraico vectorial factorial. En el
análisis algebraico se formularon expresiones que describieron las posiciones de los puntos
característicos en función de los parámetros geométricos y el ángulo de entrada, utilizando funciones
trigonométricas y relaciones del teorema de Pitágoras. Se considero además las dificultades asociadas a
consolidando su importancia en áreas como la física de partículas, la medicina y la ingeniería.
METODOLOGÍA
Este trabajo se fundamentó en un proceso iterativo, orientado a la creación y análisis de un mecanismo
con aplicación a un detector de partículas. Se aplicaron algunas fases propuestas en cuanto a procesos
iterativos (Shigley et al., 2021), comenzando con el reconocimiento de la necesidad y teniendo un
sistema previo y la posibilidad de introducir mejoras. Posteriormente, se realizó la definición del
problema, que incluyó las cantidades de entradas y de salidas, las dimensiones, restricciones de
operación como costo, vida útil, intervalos de mantenimiento y confiabilidad.
Una vez planteado el problema, en el cual se formularon y evaluaron alternativas de diseño conceptual.
Dichas alternativas fueron sometidas a análisis y optimización mediante retroalimentación, descartando
aquellas que no satisfacían las condiciones iniciales. El proceso se completó con la evaluación del
prototipo, verificando el cumplimiento de las especificaciones, y con la presentación de los resultados
obtenidos. Todo el proceso se desarrolló de forma iterativa en cada paso del proyecto, lo que permitió
ajustar y optimizar el diseño en función de los resultados parciales obtenidos.
La caracterización del mecanismo se determinó cuantos deberían de ser los grados de libertad, definidos
por los parámetros de entrada independiente requeridos para lleva el sistema a una posición particular
(Norton, 2009). Por lo cual, se empleó una expresión general que relaciona eslabones, juntas y grados
de libertad. Se consideraron juntas rotacionales, prismáticas y cilíndricas, además de la clasificación de
cadenas cinemáticas abiertas y cerradas. Para el caso específico del mecanismo de cuatro barras, se
aplicó el criterio de Grashof para conocer si al menos un eslabón podría realizar una rotación completa,
identificando también las inversiones posibles.
El mecanismo de cuatro barras fue elegido base para el diseño por su simplicidad (Figura 1) y capacidad
de realizar varias funciones como la coordinación de movimientos angulares, la generación de
trayectorias y la translación. Los cálculos incluyeron el estudio algebraico vectorial factorial. En el
análisis algebraico se formularon expresiones que describieron las posiciones de los puntos
característicos en función de los parámetros geométricos y el ángulo de entrada, utilizando funciones
trigonométricas y relaciones del teorema de Pitágoras. Se considero además las dificultades asociadas a
pág. 9833
las funciones trigonométricas inversas y los problemas de cuadrantes al implementar los cálculos en el
software computacional.
Figura 1. Mecanismo de 4 barras empleado
Complementariamente, y conociendo que el punto D del sistema será el que portará con la fuente de
energía y el punto B será la que tendrá la parte de adquisición de datos, se procedió al análisis vectorial
el cual se desarrolló mediante representaciones en los eslabones y la descomposición de ecuaciones
vectoriales. A través de este método se obtuvieron relaciones cerradas para los ángulos de salida y para
las configuraciones abiertas y cruzadas del mecanismo, Dichos resultados facilitaron posteriormente la
determinación de posiciones, velocidades y aceleraciones de espacios de interés.
La verificación del diseño se apoyó en simulaciones dinámicas y modelos computacionales. Se utilizo
un software de movimiento dinámico como SolidWorks para reproducir el comportamiento cinemático
y validar los resultados. Lo que permitió representar geométricamente el mecanismo, generar planos,
realizar análisis, producir prototipos y documentar el diseño. El uso de CAD también incluyo la
visualización interactiva del modelo y la simulación del comportamiento mecánico (Figura 2).
Figura 2. Diseño CAD del sistema propuesto
Para la etapa experimental, se integraron sistemas de adquisición de datos (DAQ), definidos como la
captura, digitalización y análisis de señales físicas. El sistema contemplo sensores y transductores,
las funciones trigonométricas inversas y los problemas de cuadrantes al implementar los cálculos en el
software computacional.
Figura 1. Mecanismo de 4 barras empleado
Complementariamente, y conociendo que el punto D del sistema será el que portará con la fuente de
energía y el punto B será la que tendrá la parte de adquisición de datos, se procedió al análisis vectorial
el cual se desarrolló mediante representaciones en los eslabones y la descomposición de ecuaciones
vectoriales. A través de este método se obtuvieron relaciones cerradas para los ángulos de salida y para
las configuraciones abiertas y cruzadas del mecanismo, Dichos resultados facilitaron posteriormente la
determinación de posiciones, velocidades y aceleraciones de espacios de interés.
La verificación del diseño se apoyó en simulaciones dinámicas y modelos computacionales. Se utilizo
un software de movimiento dinámico como SolidWorks para reproducir el comportamiento cinemático
y validar los resultados. Lo que permitió representar geométricamente el mecanismo, generar planos,
realizar análisis, producir prototipos y documentar el diseño. El uso de CAD también incluyo la
visualización interactiva del modelo y la simulación del comportamiento mecánico (Figura 2).
Figura 2. Diseño CAD del sistema propuesto
Para la etapa experimental, se integraron sistemas de adquisición de datos (DAQ), definidos como la
captura, digitalización y análisis de señales físicas. El sistema contemplo sensores y transductores,
pág. 9834
acondicionamiento de señal, hardware de adquisición, software y aplicaciones de procesamiento y
visualización. Se emplearon dispositivos tales como diodo IR, potenciómetros y fotodiodos, en función
de los parámetros a medir. Se presto especial atención a la frecuencia de muestreo con el fin de garantizar
la fidelidad de la señal adquirida.
En el sistema electrónico se consideraron los transistores bipolares de unión (BJT), empleados en
configuración de conmutación. Además, para simular el espectro de energía se utilizó un Diodo IR y
para la detección del haz se seleccionaron fotodiodos debido a su rapidez de respuesta frente a
variaciones luminosas.
Finalmente, los resultados obtenidos a través de la simulación dinámica, el análisis en el software CAD
y la implementación experimental con el DAQ. Dicho procedimiento permitió validar el diseño
propuesto y garantizar su adecuación para la aplicación en el detector de partículas.
El diseño del sistema para la caracterización de detectores de partículas se estructuro en diferentes fases
las cuales se fueron validando con diferentes metodologías validando cada una de las dichas fases hasta
llegar al el desarrollo de un prototipo real, el control electrónico y la integración de dispositivos
emisores y receptores de señal.
El número de eventos registrados en el detector se ve limitado por la aceptancia y su eficiencia
(Dhaliwal, 2006). Este mecanismo, el cual proporciona tres grados de libertad y permite cubrir un área
semiesférica de 600mm, que corresponde a la superficie de trabajo requerida. Con el software GeoGebra
se realizó un análisis geométrico para determinar las dimensiones precisas (ver Figura 3).
Una vez definido el diseño inicial, se inició con el análisis matemático mediante un estudio vectorial
mecánico de cuatro barras. La validación numérica de los parámetros, junto con las gráficas obtenidas,
confirmó que el mecanismo cumple con los requerimientos de cobertura del área de trabajo necesaria,
presentando solamente una ligera cobertura en el área de trabajo que se considera despreciable.
Posteriormente se realizó una simulación computacional en el software SolidWorks, la construcción del
modelo a escala 1:4 y, finalmente el prototipo de dimensiones (1.70 × 1.70 × 1.80 m). El control se
desarrolló mediante un dispositivo NI USB-600, cuyas especificaciones de 14 bits y 20kS/s de
adquisición de datos permitieron sincronizar el sistema mecánico con el procesamiento de señal, donde
el primero genero un haz simulando la radiación y el segundo permitió cuantificar la “aceptancia.”
acondicionamiento de señal, hardware de adquisición, software y aplicaciones de procesamiento y
visualización. Se emplearon dispositivos tales como diodo IR, potenciómetros y fotodiodos, en función
de los parámetros a medir. Se presto especial atención a la frecuencia de muestreo con el fin de garantizar
la fidelidad de la señal adquirida.
En el sistema electrónico se consideraron los transistores bipolares de unión (BJT), empleados en
configuración de conmutación. Además, para simular el espectro de energía se utilizó un Diodo IR y
para la detección del haz se seleccionaron fotodiodos debido a su rapidez de respuesta frente a
variaciones luminosas.
Finalmente, los resultados obtenidos a través de la simulación dinámica, el análisis en el software CAD
y la implementación experimental con el DAQ. Dicho procedimiento permitió validar el diseño
propuesto y garantizar su adecuación para la aplicación en el detector de partículas.
El diseño del sistema para la caracterización de detectores de partículas se estructuro en diferentes fases
las cuales se fueron validando con diferentes metodologías validando cada una de las dichas fases hasta
llegar al el desarrollo de un prototipo real, el control electrónico y la integración de dispositivos
emisores y receptores de señal.
El número de eventos registrados en el detector se ve limitado por la aceptancia y su eficiencia
(Dhaliwal, 2006). Este mecanismo, el cual proporciona tres grados de libertad y permite cubrir un área
semiesférica de 600mm, que corresponde a la superficie de trabajo requerida. Con el software GeoGebra
se realizó un análisis geométrico para determinar las dimensiones precisas (ver Figura 3).
Una vez definido el diseño inicial, se inició con el análisis matemático mediante un estudio vectorial
mecánico de cuatro barras. La validación numérica de los parámetros, junto con las gráficas obtenidas,
confirmó que el mecanismo cumple con los requerimientos de cobertura del área de trabajo necesaria,
presentando solamente una ligera cobertura en el área de trabajo que se considera despreciable.
Posteriormente se realizó una simulación computacional en el software SolidWorks, la construcción del
modelo a escala 1:4 y, finalmente el prototipo de dimensiones (1.70 × 1.70 × 1.80 m). El control se
desarrolló mediante un dispositivo NI USB-600, cuyas especificaciones de 14 bits y 20kS/s de
adquisición de datos permitieron sincronizar el sistema mecánico con el procesamiento de señal, donde
el primero genero un haz simulando la radiación y el segundo permitió cuantificar la “aceptancia.”
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Las pruebas experimentales se realizaron en Saltillo Coahuila, demostraron que el sistema logra
transmitir y recibir datos de una manera confiable hasta en 800mm de distancia, confirmando la
funcionabilidad del diseño y validando el prototipo como herramienta de caracterización de detectores
de partículas.
Figura 3. Análisis geométrico de los ejes en GeoGebra. Punto marcado como B es el lugar de la fuente
y punto A marcado como el dato a adquirir
La secuencia de los motores a pasos constituye el primer aspecto a implementar, en el cual se utilizara
un NEMA 17 para mover la base del sistema de manera circular facilitándonos así el área semiesférica
que como se presentó en el análisis (Figura 3); de igual manera un servomotor ayudara a la movilidad
de eslabonamiento en el ángulo E que se puede apreciar en el sistema simulado por GeoGebra y de esta
manera permitir los grados de libertad necesarios y cubrir el área deseada, en el caso del sistema de
adquisición de datos empleado cuenta con salidas de fuente limitada a 150 mA con una protección de
sobre corriente de 200 mA, por lo que la conexión directa no es posible. Por lo cual se integró el
controlador para motores L298N, capaz de proporcionar un incremento de voltaje de 4.5 hasta 40 V y
una corriente de hasta 2 A por canal. Se empleó fuentes externas de alimentación en conjunto con la PC
Las pruebas experimentales se realizaron en Saltillo Coahuila, demostraron que el sistema logra
transmitir y recibir datos de una manera confiable hasta en 800mm de distancia, confirmando la
funcionabilidad del diseño y validando el prototipo como herramienta de caracterización de detectores
de partículas.
Figura 3. Análisis geométrico de los ejes en GeoGebra. Punto marcado como B es el lugar de la fuente
y punto A marcado como el dato a adquirir
La secuencia de los motores a pasos constituye el primer aspecto a implementar, en el cual se utilizara
un NEMA 17 para mover la base del sistema de manera circular facilitándonos así el área semiesférica
que como se presentó en el análisis (Figura 3); de igual manera un servomotor ayudara a la movilidad
de eslabonamiento en el ángulo E que se puede apreciar en el sistema simulado por GeoGebra y de esta
manera permitir los grados de libertad necesarios y cubrir el área deseada, en el caso del sistema de
adquisición de datos empleado cuenta con salidas de fuente limitada a 150 mA con una protección de
sobre corriente de 200 mA, por lo que la conexión directa no es posible. Por lo cual se integró el
controlador para motores L298N, capaz de proporcionar un incremento de voltaje de 4.5 hasta 40 V y
una corriente de hasta 2 A por canal. Se empleó fuentes externas de alimentación en conjunto con la PC
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de adquisición. La validación de la secuencia de los motores se realizó mediante observación para
asegurar la correcta programación y conexión.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Una vez integrado el programa y el sistema mecánico, se procedió a las conexiones necesarias para la
automatización. Las salidas digitales generadas se enlazaron al controlador del motor que actuó como
interfaz de potencia para los motores, mientras que la fuente se conectó a la salida preestablecida del
pulso y el detector a la entrada definida del sistema de adquisición de datos para iniciar el sensado. Con
el sistema ensamblado, se realizaron pruebas iniciales en los ejes y en la adquisición de datos. La fuente
de voltaje garantiza la estabilidad del sistema y el arranque se efectuó desde una PC, mediante
comunicación alámbrica. El recorrido completo del instrumento tardó aproximadamente 20 minutos,
tiempo en el cual también se generaron los resultados, que muestra los valores de adquisición de
incidencia.
Las muestras fueron tomadas cada 10 grados, lo que facilitó identificar la zona de mayor concentración
de incidencia. Los resultados confirmaron área de interés, aunque algunos valores atípicos se atribuyeron
a haces luminosos en el entorno de las pruebas.
Posteriormente, los datos relevantes se agruparon para tener una visión general y poder realizar un
análisis más estructurado. A partir de esa información, se generó la gráfica de incidencia fuente receptor
representada por un gráfico circular (Figura 4), donde se identificaron puntos muertos ocasionados por
la rotación de los motores y por la precisión del sistema. Para mitigar estas limitaciones, se aplicó un
análisis de regresión lineal, con el fin de interpolar los puntos intermedios del escaneo y predecir la
aceptancia completa del detector (Figura 5). Los valores derivados de la regresión permiten obtener una
representación más completa de la gráfica evidenciando que el sistema proporciona una caracterización
estable y consistente, aunque con márgenes de error vinculados a la mecánica de los motores.
En conjunto, los hallazgos muestran que el sistema automatizado cumple con el objetivo de detectar en
el área de trabajo deseada mediante un método mecánico de cuatro barras asistido por control digital.
La validación práctica demostró la pertinencia del diseño y la efectividad de la automatización,
resaltando tanto la viabilidad del sistema como la necesidad de futuras mejoras en la precisión de los
actuadores. Los resultados obtenidos concuerdan con los principios teóricos de la metodología aplicada
de adquisición. La validación de la secuencia de los motores se realizó mediante observación para
asegurar la correcta programación y conexión.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Una vez integrado el programa y el sistema mecánico, se procedió a las conexiones necesarias para la
automatización. Las salidas digitales generadas se enlazaron al controlador del motor que actuó como
interfaz de potencia para los motores, mientras que la fuente se conectó a la salida preestablecida del
pulso y el detector a la entrada definida del sistema de adquisición de datos para iniciar el sensado. Con
el sistema ensamblado, se realizaron pruebas iniciales en los ejes y en la adquisición de datos. La fuente
de voltaje garantiza la estabilidad del sistema y el arranque se efectuó desde una PC, mediante
comunicación alámbrica. El recorrido completo del instrumento tardó aproximadamente 20 minutos,
tiempo en el cual también se generaron los resultados, que muestra los valores de adquisición de
incidencia.
Las muestras fueron tomadas cada 10 grados, lo que facilitó identificar la zona de mayor concentración
de incidencia. Los resultados confirmaron área de interés, aunque algunos valores atípicos se atribuyeron
a haces luminosos en el entorno de las pruebas.
Posteriormente, los datos relevantes se agruparon para tener una visión general y poder realizar un
análisis más estructurado. A partir de esa información, se generó la gráfica de incidencia fuente receptor
representada por un gráfico circular (Figura 4), donde se identificaron puntos muertos ocasionados por
la rotación de los motores y por la precisión del sistema. Para mitigar estas limitaciones, se aplicó un
análisis de regresión lineal, con el fin de interpolar los puntos intermedios del escaneo y predecir la
aceptancia completa del detector (Figura 5). Los valores derivados de la regresión permiten obtener una
representación más completa de la gráfica evidenciando que el sistema proporciona una caracterización
estable y consistente, aunque con márgenes de error vinculados a la mecánica de los motores.
En conjunto, los hallazgos muestran que el sistema automatizado cumple con el objetivo de detectar en
el área de trabajo deseada mediante un método mecánico de cuatro barras asistido por control digital.
La validación práctica demostró la pertinencia del diseño y la efectividad de la automatización,
resaltando tanto la viabilidad del sistema como la necesidad de futuras mejoras en la precisión de los
actuadores. Los resultados obtenidos concuerdan con los principios teóricos de la metodología aplicada
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y aportan un precedente experimental para el desarrollo de caracterizaciones similares en detectores de
estado sólido.
Figura 4. Grafica de caracterización. Vista superior de la maquina
Figura 5. Análisis de regresión lineal
CONCLUSIONES
El desarrollo del sistema automatizado para la caracterización de detectores de partículas de estado
sólido demostró que es posible implementar un mecanismo de cuatro barras asistido por control digital
para obtener gráficas de aceptancia confiables. La integración de dispositivos para la adquisición de los
datos y del control de motores permitió reducir la intervención humana en el proceso, asegurando mayor
precisión y seguridad durante la operación.
Los resultados obtenidos evidencian que la caracterización del detector es factible mediante un diseño
mecánico adaptable a la semiesfera de 600 mm establecida como área de trabajo. En el análisis
estadístico y de regresión lineal confirmaron la validez de los resultados al proporcionar una información
y aportan un precedente experimental para el desarrollo de caracterizaciones similares en detectores de
estado sólido.
Figura 4. Grafica de caracterización. Vista superior de la maquina
Figura 5. Análisis de regresión lineal
CONCLUSIONES
El desarrollo del sistema automatizado para la caracterización de detectores de partículas de estado
sólido demostró que es posible implementar un mecanismo de cuatro barras asistido por control digital
para obtener gráficas de aceptancia confiables. La integración de dispositivos para la adquisición de los
datos y del control de motores permitió reducir la intervención humana en el proceso, asegurando mayor
precisión y seguridad durante la operación.
Los resultados obtenidos evidencian que la caracterización del detector es factible mediante un diseño
mecánico adaptable a la semiesfera de 600 mm establecida como área de trabajo. En el análisis
estadístico y de regresión lineal confirmaron la validez de los resultados al proporcionar una información
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más precisa a pesar de las limitaciones del sistema mecánico por causa de la precisión de los motores.
Esto da como resultado una base sólida para la caracterización de detectores en condiciones controladas,
contribuyendo a la optimización de su uso en aplicaciones como ingeniería y física de partículas.
Esta investigación aporta una manera metodológica replicable que se puede extender a otros detectores,
afirmando su uso dentro de líneas de investigación de instrumentación científica y automatización. A
pesar de esto se detectaron limitaciones relacionadas a los actuadores y la incidencia de otros factores,
lo que abre la necesidad de analizar sistemas más precisos en términos de control y entornos más
aislados.
Finalmente, se plantea como trabajo futuro la mejora del sistema en cuanto la exactitud mecánica y la
expansión de su aplicación a diferentes tipos de detectores. Esto permitirá no solo incrementará la
pertinencia de los resultados, sino también extender las posibilidades de caracterización hacia escenarios
experimentales más complejos, en los que la validación de los detectores sea primordiales para el avance
científico y tecnológico.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Assran, Y., & Sharma, A. (2011). Transport Properties of operational gas mixtures used at LHC.
https://arxiv.org/abs/1110.6761
Benacquista, M. J., & Romano, J. D. (2018). Classical mechanics. Springer.
Beringer, J., Arguin, J.-F., Barnett, R. M., Copic, K., Dahl, O., Groom, D. E., Lin, C.-J., Lys, J.,
Murayama, H., Wohl, C. G., Yao, W.-M., Zyla, P. A., Amsler, C., Antonelli, M., Asner, D. M., Baer,
H., Band, H. R., Basaglia, T., Bauer, C. W., … Schaffner, P. (2012). Review of Particle Physics.
Physical Review D, 86(1), 010001. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.86.010001
Dhaliwal, D. K. (2006). Calculation of acceptance and efficiency for D0→ e+e- and rates of pions and
kaons faking electrons signals at CDF. Wayne State University, Detroit.
Grupen, C., & Shwartz, B. (2023). Particle Detectors. Cambridge University Press.
https://doi.org/10.1017/9781009401531
Leo, W. R. (1994). Ionization Detectors. In Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments
(pp. 127–156). Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-57920-2_6
más precisa a pesar de las limitaciones del sistema mecánico por causa de la precisión de los motores.
Esto da como resultado una base sólida para la caracterización de detectores en condiciones controladas,
contribuyendo a la optimización de su uso en aplicaciones como ingeniería y física de partículas.
Esta investigación aporta una manera metodológica replicable que se puede extender a otros detectores,
afirmando su uso dentro de líneas de investigación de instrumentación científica y automatización. A
pesar de esto se detectaron limitaciones relacionadas a los actuadores y la incidencia de otros factores,
lo que abre la necesidad de analizar sistemas más precisos en términos de control y entornos más
aislados.
Finalmente, se plantea como trabajo futuro la mejora del sistema en cuanto la exactitud mecánica y la
expansión de su aplicación a diferentes tipos de detectores. Esto permitirá no solo incrementará la
pertinencia de los resultados, sino también extender las posibilidades de caracterización hacia escenarios
experimentales más complejos, en los que la validación de los detectores sea primordiales para el avance
científico y tecnológico.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Madrid.
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Navas, S., Amsler, C., Gutsche, T., Hanhart, C., Hernández-Rey, J. J., Lourenço, C., Masoni, A.,
Mikhasenko, M., Mitchell, R. E., Patrignani, C., Schwanda, C., Spanier, S., Venanzoni, G., Yuan,
C. Z., Agashe, K., Aielli, G., Allanach, B. C., Alvarez-Muñiz, J., Antonelli, M., … Zheng, W.
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FY-3E Satellite. Aerospace, 10(2), 173. https://doi.org/10.3390/aerospace10020173
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Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 604(1–
2), 370–379. https://doi.org/10.1016/j.nima.2009.01.098
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