Transcript İlhan TAPAN - Parçacık Detektörleri II

PARÇACIK DETEKTÖRLERİ II:
Sintilasyon Detektörleri
İlhan TAPAN
Uludağ Üniversitesi
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
1
Sintilasyon Detektörleri- Giriş
Sintilasyon : Işıldama
Sintilasyon Deteksiyonu: Işıldama vasıtası ile
parçacık deteksiyonu
Temel Prensip: Işıldama yapan bir madde (Sintilatör)
içerisinden geçen radyasyonun enerjini uyarma vasıtası ile
kaybetmesi (dE/dx) ve uyarılmış atom tarafından yayınlanan
ışığın bir fotodetektör tarafından algılanması.
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
2
Sintilasyon Detektörleri- Sintilatörler
İyi bir sintilatör nasıl olmalı:
Uyarılmış enerji seviyesinden çok kısa bozunma süresi
içerisinde taban seviyesine düşmeli ve yüksek ışık yayınlama
verimine sahip olmalı,
Yayınladığı ışığın kendi içerisinde iletimine izin vermeli,
Yayınlanan ışığın dalgaboyu, fotodetektörler
detekte edilebilmeye uygun olmalı.
tarafından
Sintilatör çeşitleri:
Inorganik sintilatörler (kristal, gaz, sıvı)
Organik sintilatörler
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
3
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler
Sintilatör malzemeler: Sodium iodide (NaI), Cesium iodide (CsI)
Barium fluoride (BaF2) ….
Sintilasyon mekanizması: Süreç kristaldeki enerji bantları dikkate
alınarak anlaşılabilir.
Zaman Sabitleri:
Hızlı: ışıldama merkezleri
tarafından gerçekleştirilen
ışıldamalar [ns ... μs]
Yavaş: tuzaklar tarafından
gerçekleştirilen
ışıldamalar[ms ... s]
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
4
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler
Kristalden yayınlanan sintilasyon ışığının şiddeti;
zamanla exponansiyel olarak azalır ve iki bileşene
sahiptir;
N = Ae−t/τf + Be−t/τs
τf : hızlı bileşen için bozunma sabiti
τs : yavaş bileşen için bozunma sabiti
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
5
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler
Sintilasyon Spektrumu
Kristalin ve katkı malzemesinin cinsine bağlı olarak kristalden
yayınlanan ışığın spektrumu ve şiddeti değişmektedir.
NaI(Tl) λmax = 410 nm; 40000 photons/MeV; τ = 250 ns
CsI(Tl) λmax = 565 nm; 11000 photons/MeV; τ = 1000 ns
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
6
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler
Özellikleri
Kullanılan kristale uygun foton detektörü APD,PIN veya PMT seçilmeli
PbWO sağlam ancak ışık şiddeti düşük
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
7
Sintilasyon Detektörleri- Organik Sintilatörler
Bazı organik bileşikler moleküler uyarım sonucu sintilasyon ışığı
yayınlar.
Aromatik hidrokarbon bileşikleri:
Naftalin [C10H8]
Antresen [C14H10]
Stilben [C14H12]
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
8
Sintilasyon Detektörleri- Organik Sintilatörler
Sintilasyon ışığı π- bağlarında bulunan delokalize (komşu atomlar
ile paylaşılan, yerdeğiştirebilen) elektronların uyarılması sonucu
yayınlanır.
Karbon atomunda elektron dağılımı;
Taban durumunda1s22s22p2
Molekül durumunda 1s22s12p3
π- bağları p orbitallerinin üst üste
örtüşerek oluşturduğu kimyasal bağ
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
9
İnorganik sint.
Avantajları:
Organik sint.
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik/Organik Sintilatörler
Avantajları:
Yüksek ışık verimine sahiptirler
Yüksek yoğunluğa sahiptirler (örn. PbWO4)
Güzel enerji rezulasyonu sağlarlar
Dezavantajları: Üretimleri pahalıya malolur
Kristal büyütme işlemleri zor ve karmaşıktır
Yüksek sıcaklık bağımlılığına sahiptirler
İlhan Tapan
Çok hızlı ışık yayılarlar
Kolayca biçimlendirilebilirler
Sıcaklığa bağımlılığı yoktur
Oldukça ucuza maledilebilirler
Dezavantajları: Düşük ışık verimine sahiptirler
Çok fazla radyasyon hasarına uğrarlar
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
10
Plastik Sintilatörler
Organik sintilatörler, polisitren (ısı ile
yumuşayan şeffaf madde) ile
karıştırılarak sert plastik malzemeye
dönüştürülebilir.
– Kolayca biçimlendirilebilir
– Kristallerden daha ucuzdur.
Levha ve fiber olarak kullanılabilir
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
Sintilasyon Detektörleri
Işık iletim kalitesi:
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
12
Sintilasyon Detektörleri- Foton deteksiyonu- PMT
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
13
Sintilasyon Detektörleri- Foton deteksiyonu- PMT
Çalışma Prensibi
– Fotokatota gelen ışık fotoelektrik etki ile elektrona çevrilir,
foton başına fotokatottan elektron yayınlanma olasılığı
PMT nin foton deteksiyon verimidir (PDE)
PDE= Quantum efficiency, Q.E. = Np.e./ Nphotons , Q.E. ≈ %10-30
– Yayınlanan fotoelektronlar odaklanır ve ilk dynoda gönderilir.
– Dynodlardan ikincil elektronlar yayınlanır (genellikle 4)
– Elektronlar anot tarafından toplanır.
N
Toplam Kazanç:
M   gi
i 1
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
N=10 dynod
g=4 adet ikincil elektron
M = gN = 410 ~ 106
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
14
Sintilasyon Detektörleri- Çözünürlük
NaI(Tl)-PMT
- 511 keV gamma ışını NaI(Tl) kristaline gönderiliyor
(Kristalin ışık verimi=LY=40000 foton/MeV)
- 20000 foton kristal içerisinde oluşur
(Kristal içerisinde iletim ve yansıma kayıpları var)
-15000 foton PMT nin fotokatotuna ulaşır
(Q.E. = Nfotoelektron / Nfoton ≈ 20%)
- 3000 fotoelektron ilk dynoda ulaşır
(Kazanç ≈106)
- 3x109 adet elektron anota ulaşır (qe= 1.6x10-19 C)
- 4.8x10-10 C yük anota ulaşır (dt=100 ns; I=dQ/dt)
- 4.8 mA akım elde edilir
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
15
Sintilasyon Detektörleri- Çözünürlük
Gelen radyasyonun enerjisinin ölçümlerinde enerji çözünürlüğü,
sinyali oluşturan parçacıkların dalgalanmasına bağlı olarak
belirlenir.
Bağıl dalgalanma
n
1
 E n



E
n
n
n
PMT kullanıldığında, enerji çözünürlüğü, kazanç zincirindeki en
düşük parçacık adedi cinsinden yani birinci dynoda ulaşan
fotoelektronların dalgalanmasına bağlı olarak belirlenir.
Örneğimizde ilk dynoda
ulaşan fotoelektron sayısı
3000 olduğundan
İlhan Tapan
E
1

 2% r.m.s  5% FWHM
E
3000
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
16
Sintilasyon Detektörleri- Kullanım Alanları
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
17
Sintilasyon Detektörleri- YEF’ de Kullanımı
Sintilatörlerin keşif tarihleri
80-th
BGO
50-th
CsI(Tl)
1949
NaI(Tl)
SrI2:Eu
LiI3:Ce
LaBr3:Ce
LaCl3:Ce
RbGd2Br7:Ce
LuAlO3:Ce
Lu2SiO5:Ce
PbWO4
CeF3
(Y,Gd)2O3:Ce
BaF2( fast)
YAlO3:Ce
Bi4Ge3O12
BaF2 (slow)
1992
CsI:Na
PWO
CdS:In
ZnO:Ga
90-th
CaF2:Eu
BaF2
silicate glass:Ce
CeF3
LiI:Eu
CsI
CsF
60-th
CsI:Tl
Glasses, pre-crystal
CdWO4
NaI:Tl
ZnS:Ag
CaWO4
1900
1920
1940
1960
1980
2000
2020
Years
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
18
Sintilasyon Detektörleri- YEF’ de Kullanımı
Scintillation counters typically have a very good time resolution. They are also
continuously sensitive, and are therefore often used as triggers for other types of
detectors, which must have a high voltage pulse applied or a readout sequence initiated in
order to observe a particle.
A pair of scintillation counters placed some distance apart can be used to measure the
time of flight of the particles. If other information is known, such as the momentum of
the particles (e.g. from their curvature in a magnetic field), then the mass and hence
identity of the particle can be determined.
Layers of crossed scintillation counters are also used to form a hodoscope, where the
position of the particle can be determined from the coincidence between signals from
counters in the different layers.
Another application of scintillators is within calorimeters. Because of their short
radiation length, inorganic scintillators make sensitive electromagnetic calorimeters, and
are often used to detect medium energy gamma rays. Sheets of plastic scintillator
between metal plates are used in sampling calorimeters. Here, the number of particles at
a particular depth in a shower can be determined from the size of the pulse observed in
the scintillator.
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
19
Sintilasyon Detektörleri- Hodoskop
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
20
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
Kristal Kalorimetreler
detektör
Crystal
Ball
CLEO II
L3
BaBar
Belle
Where
SPEAR
CESR
LEP
When
1972
Late
1980's
Beam
e' e–
e' e–
e' e–
e' e–
e' e–
Crystal
NaI(TI)
CsI(Tl)
BGO
CsI(Tl)
CsI(Tl)
Number
7000
7800
11400
6800
8800
Length [X0]
16
16
21.5
16
16
L*
GEM GMS
EoI EoI
L3P
EoI
ALICE
CMS
SSC SSC LHC
LHC
LHC
LHC
LoI
SLAC
KEK
1999
2005
pp
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
pp
BaF2 BaF2 CeF3
pp
ion ion
pp
CeF3
PbWO4
PbWO4
36000
82000
22
25
26000 15000 45000 100000
24.5
asimetrik b-fabrikası
İlhan Tapan
pp
24.5
25
Öneri halinde
25
LHC
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
21
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
CALORIMETERS
SUPERCONDUCTING
COIL
ECAL
Scintillating
PbWO4 crystals
HCAL
Plastic scintillator/brass
sandwich
IRON YOKE
TRACKER
Silicon Microstrips
Pixels
Total weight : 12,500 t
Overall diameter : 15 m
Overall length : 21.6 m
Magnetic field : 4 Tesla
İlhan Tapan
MUON BARREL
Drift Tube
Resistive Plate
Chambers ( DT) Chambers (RPC )
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
MUON
ENDCAPS
Cathode Strip Chambers ( CSC)
Resistive Plate Chambers ( RPC )
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
22
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
An homogenous scintillating crystal detector
Made out of 75,000 crystals
Subdivided into a barrel and two endcap
Barrel section
contains 61,000 crystals
two APDs per crystal
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
23
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
24
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
25
Sintilasyon Detektörleri- Hızlandırıcılarda Kullanımı
Demet Konum Monitörü (BPM) - Sintilatör Ekran
Demetin önüne bir sintilatör ekran konularak, çıkan ışığın bir CCD
kamera ile görüntülenmesine dayanan tahribatlı bir yöntemdir.
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
26
Son
Teşekkürler
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
27
Waveshifter
•
•
İlhan Tapan
Photons from scintillators
are not always well
matched to photon
detectors.
– Peak output in UV-blue
– Peak detection
efficiency in green
light.
•
Fibers can be bent to direct light to
detectors.
Wavelength shifting fibers
have dyes that can absorb
UV and reemit green light.
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler
Sintilasyon Mekanizması
İnorganik kristallerde sintilasyon mekanizması, kristale giren yüksek enerjili
parçacıkların kristal atomlarını uyararak foton yayınlanması prensibine
dayanır ve süreç kristaldeki enerji bantları dikkate alınarak anlaşılabilir.
• Aktarılan enerji, iyonizasyon enerjisinden daha büyük ise, elektron valans
banttan iletkenlik bandına uyarılabilir ve sonuçta serbest bir elektron ve serbest
bir boşluk oluşur. Valans banttaki elektron tuzaklardaki bir boşluk ile tekrar
birleşme yaparak yok olur. Bu süreçte açığa çıkan enerji bir foton olarak
yayınlanabilir.
• Aktarılan enerji bağlanma enerjisinden daha küçük ise, iletkenlik bandının
altında bulunan ve eksiton (uyarım) bandı olarak adlandırılan bölgeye uyarılır. Bu
durumda elektron elektrostatik olarak hala valans bandındaki boşluğa bağlıdır ve
bu elektron boşluk çiftine eksiton adı verilir. Eksitonlar kristalde serbestçe hareket
edebilirler. Eksiton bir ışıldama merkezine çarptığında bağlanma enerjisini
aktarabilir. Kristal örgüsüne aktarılan bu enerji ya örgü titreşimleri olarak
(fononlar) ortaya çıkar yada ışık olarak yayınlanır.
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
29
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
30
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
SPEAR (Stanford Positron Electron Accelerating Ring) machine at SLAC, completed in
1972.
CESR (Cornell Electron Storage Ring), which has delivered over 6/fb of integrated
luminosity to date. The CLEO-II detector (proposed 1983, approved 1984, operational since
1989) consists of drift chambers for tracking charged particles and measuring dE / dx, time-offlight counters, a 7800-element CsI electromagnetic calorimeter, a 1.5-tesla superconducting
solenoid, iron for flux return and muon identification, and muon chambers. A major upgrade,
the CLEO-III detector, was proposed and approved in 1994, and the installation is planned for
1998.
L3 is one of the four omni-purpose detectors at the Large Electron Positron Collider LEP. an
electromagnetic calorimetermade of Bismuth Germanate (BGO).
SSC GEM: Superconducting Super Collider (ABD-texas-iptal) üzerinde planlanmış iki
detektörden birisi “Gamma Elektron Muon detector”
SSC L STAR :Superconducting Super Collider üzerinde planlanmış iki detektörden birisi
LHC L3P: LHC üzerine kurulması düşünülen a Lepton Photon Precision Physics deneyi
detektörü
LHC GMS (Geometry Monitoring System): ALICE detektörü için
BaF2 Crystal (Barium Fluoride), CeF3 (Cerium Fluoride)
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
31