Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 1 PARÇACIK DETEKTÖRLERİ II: Sintilasyon Detektörleri.

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 1 PARÇACIK DETEKTÖRLERİ II: Sintilasyon Detektörleri."— Sunum transkripti:

1 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 1 PARÇACIK DETEKTÖRLERİ II: Sintilasyon Detektörleri İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi

2 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 2 Sintilasyon : Işıldama Sintilasyon Deteksiyonu: Işıldama vasıtası ile parçacık deteksiyonu Sintilasyon Detektörleri- Giriş 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.

3 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 3 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 tarafından detekte edilebilmeye uygun olmalı. İyi bir sintilatör nasıl olmalı: Sintilasyon Detektörleri- Sintilatörler Sintilatör çeşitleri: Inorganik sintilatörler (kristal, gaz, sıvı) Organik sintilatörler

4 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 4 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]

5 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 5 N = Ae −t/τf + Be −t/τs τf : hızlı bileşen için bozunma sabiti τs : yavaş bileşen için bozunma sabiti Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler Kristalden yayınlanan sintilasyon ışığının şiddeti; zamanla exponansiyel olarak azalır ve iki bileşene sahiptir;

6 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 6 Kristalin ve katkı malzemesinin cinsine bağlı olarak kristalden yayınlanan ışığın spektrumu ve şiddeti değişmektedir. NaI(Tl) λmax = 410 nm; photons/MeV; τ = 250 ns CsI(Tl) λmax = 565 nm; photons/MeV; τ = 1000 ns Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler Sintilasyon Spektrumu

7 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 7 Kullanılan kristale uygun foton detektörü APD,PIN veya PMT seçilmeli PbWO sağlam ancak ışık şiddeti düşük Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler Özellikleri

8 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 8 Aromatik hidrokarbon bileşikleri: Naftalin [C10H8] Antresen [C14H10] Stilben [C14H12] Sintilasyon Detektörleri- Organik Sintilatörler Bazı organik bileşikler moleküler uyarım sonucu sintilasyon ışığı yayınlar.

9 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 9 Sintilasyon Detektörleri- Organik Sintilatörler Karbon atomunda elektron dağılımı; Taban durumunda1s 2 2s 2 2p 2 Molekül durumunda 1s 2 2s 1 2p 3 π- bağları p orbitallerinin üst üste örtüşerek oluşturduğu kimyasal bağ Sintilasyon ışığı π- bağlarında bulunan delokalize (komşu atomlar ile paylaşılan, yerdeğiştirebilen) elektronların uyarılması sonucu yayınlanır.

10 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 10 Sintilasyon Detektörleri- İnorganik/Organik Sintilatörler İnorganik sint. Avantajları: Yüksek ışık verimine sahiptirler Yüksek yoğunluğa sahiptirler (örn. PbWO4) Güzel enerji rezulasyonu sağlarlar Organik sint. Avantajları: Çok hızlı ışık yayılarlar Kolayca biçimlendirilebilirler Sıcaklığa bağımlılığı yoktur Oldukça ucuza maledilebilirler Dezavantajları: Üretimleri pahalıya malolur Kristal büyütme işlemleri zor ve karmaşıktır Yüksek sıcaklık bağımlılığına sahiptirler Dezavantajları: Düşük ışık verimine sahiptirler Çok fazla radyasyon hasarına uğrarlar

11 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 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

12 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 12 Sintilasyon Detektörleri Işık iletim kalitesi:

13 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 13 Sintilasyon Detektörleri- Foton deteksiyonu- PMT

14 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 14 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. = N p.e. / N photons, Q.E. ≈ %10-30 –Yayınlanan fotoelektronlar odaklanır ve ilk dynoda gönderilir. –Dynodlardan ikincil elektronlar yayınlanır (genellikle 4) –Elektronlar anot tarafından toplanır. Toplam Kazanç: Sintilasyon Detektörleri- Foton deteksiyonu- PMT N=10 dynod g=4 adet ikincil elektron M = g N = 4 10 ~ 10 6

15 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 15 Sintilasyon Detektörleri- Çözünürlük NaI(Tl)-PMT keV gamma ışını NaI(Tl) kristaline gönderiliyor (Kristalin ışık verimi=LY=40000 foton/MeV) foton kristal içerisinde oluşur (Kristal içerisinde iletim ve yansıma kayıpları var) foton PMT nin fotokatotuna ulaşır (Q.E. = N fotoelektron / N foton ≈ 20%) fotoelektron ilk dynoda ulaşır (Kazanç ≈10 6 ) - 3x10 9 adet elektron anota ulaşır (q e = 1.6x C) - 4.8x C yük anota ulaşır (dt=100 ns; I=dQ/dt) mA akım elde edilir

16 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 16 Sintilasyon Detektörleri- Çözünürlük Gelen radyasyonun enerjisinin ölçümlerinde enerji çözünürlüğü, sinyali oluşturan parçacıkların dalgalanmasına bağlı olarak belirlenir. Bağıl dalgalanma 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

17 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 17 Sintilasyon Detektörleri- Kullanım Alanları

18 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 18 Sintilasyon Detektörleri- YEF’ de Kullanımı CaWO4 ZnS:Ag NaI:Tl CdWO4 CsI:Tl CsF CsI LiI:Eu silicate glass:Ce CaF2:Eu ZnO:Ga CdS:In CsI:Na BaF2 (slow) Bi4Ge3O12 YAlO3:Ce BaF2( fast) (Y,Gd)2O3:Ce CeF3 PbWO4 Lu2SiO5:Ce LuAlO3:Ce RbGd2Br7:Ce LaCl3:Ce LaBr3:Ce Years 90-th BaF 2 CeF 3 LiI3:Ce SrI2:Eu 1992 PWO 60-th Glasses, pre-crystal 80-th BGO 1949 NaI(Tl) 50-th CsI(Tl) Sintilatörlerin keşif tarihleri

19 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 19 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. triggers 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.hodoscope 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.calorimeters radiation lengthelectromagnetic calorimetersshower Sintilasyon Detektörleri- YEF’ de Kullanımı

20 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 20 Sintilasyon Detektörleri- Hodoskop

21 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 21 asimetrik b-fabrikası Öneri halinde LHC Kristal Kalorimetreler Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı

22 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 22 MUON BARREL CALORIMETERS Silicon Microstrips Pixels ECAL Scintillating PbWO4 crystals Cathode Strip Chambers ( ) CSC Resistive Plate Chambers ( ) RPC Drift Tube Chambers ( ) DT Resistive Plate Chambers ( ) RPC SUPERCONDUCTING COIL IRON YOKE TRACKER MUON ENDCAPS Total weight : 12,500 t Overall diameter : 15 m Overall length : 21.6 m Magnetic field : 4 Tesla HCAL Plastic scintillator/brass sandwich Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı

23 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 23 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 Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı

24 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 24 Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı

25 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 25 Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı

26 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 26 Demet Konum Monitörü (BPM) - Sintilatör Ekran Demetin önüne bir sintilatör ekran konularak, çıkan ışığın bir CCD kamera ile görüntülenmesine dayanan tahribatlı bir yöntemdir. Sintilasyon Detektörleri- Hızlandırıcılarda Kullanımı

27 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 27 Son Teşekkürler

28 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye Waveshifter Photons from scintillators are not always well matched to photon detectors. –Peak output in UV-blue –Peak detection efficiency in green light. Wavelength shifting fibers have dyes that can absorb UV and reemit green light. Fibers can be bent to direct light to detectors.

29 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 29 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. Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler Sintilasyon Mekanizması

30 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 30

31 İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 31 SPEAR (Stanford Positron Electron Accelerating Ring) machine at SLAC, completed in 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-of- flight 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 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) Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı


"İlhan Tapan Parçacık Detektörleri II: Sintilasyon Detektörleri UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye 1 PARÇACIK DETEKTÖRLERİ II: Sintilasyon Detektörleri." indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları