PARÇACIK DETEKTÖRLERİ II: Sintilasyon Detektörleri

... konulu sunumlar: "PARÇACIK DETEKTÖRLERİ II: Sintilasyon Detektörleri"— Sunum transkripti:

1 PARÇACIK DETEKTÖRLERİ II: Sintilasyon Detektörleri
Title: Excess Noise Factor of Neutron Irradiated Silicon Avalanche Photodiodes İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi

2 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. Motivation: CMS & APDs

3 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 tarafından detekte edilebilmeye uygun olmalı. Motivation: CMS & APDs Sintilatör çeşitleri: Inorganik sintilatörler (kristal, gaz, sıvı) Organik sintilatörler

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] Motivation: CMS & APDs

5 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

6 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; photons/MeV; τ = 250 ns CsI(Tl) λmax = 565 nm; photons/MeV; τ = 1000 ns

7 Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler
Özellikleri Kullanılan kristale uygun foton detektörü APD,PIN veya PMT seçilmeli PbWO sağlam ancak ışık şiddeti düşük

8 Sintilasyon Detektörleri- Organik Sintilatörler
Bazı organik bileşikler moleküler uyarım sonucu sintilasyon ışığı yayınlar. Aromatik hidrokarbon bileşikleri: Naftalin [C10H8] Antresen [C14H10] Stilben [C14H12]

9 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

10 Sintilasyon Detektörleri- İnorganik/Organik Sintilatörler
İnorganik sint. 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 Organik sint. Avantajları: Çok hızlı ışık yayılarlar Kolayca biçimlendirilebilirler Sıcaklığa bağımlılığı yoktur Oldukça ucuza maledilebilirler Dezavantajları: Düşük ışık verimine sahiptirler Çok fazla radyasyon hasarına uğrarlar

11 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 Sintilasyon Detektörleri
Işık iletim kalitesi:

13 Sintilasyon Detektörleri- Foton deteksiyonu- PMT

14 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=10 dynod g=4 adet ikincil elektron M = gN = 410 ~ 106 Toplam Kazanç:

15 Sintilasyon Detektörleri- Çözünürlük
NaI(Tl)-PMT - 511 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. = Nfotoelektron / Nfoton ≈ 20%) 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 Motivation: CMS & APDs

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. Motivation: CMS & APDs Örneğimizde ilk dynoda ulaşan fotoelektron sayısı 3000 olduğundan

17 Sintilasyon Detektörleri- Kullanım Alanları
Motivation: CMS & APDs

18 Sintilasyon Detektörleri- YEF’ de Kullanımı
Sintilatörlerin keşif tarihleri 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 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 BaF2 LiI3:Ce SrI2:Eu 1992 PWO 60-th Glasses, pre-crystal 80-th BGO 1949 NaI(Tl) 50-th CsI(Tl) Motivation: CMS & APDs

19 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. Motivation: CMS & APDs

20 Sintilasyon Detektörleri- Hodoskop
Motivation: CMS & APDs

21 Kristal Kalorimetreler
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı Kristal Kalorimetreler asimetrik b-fabrikası Öneri halinde LHC

22 Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
CALORIMETERS SUPERCONDUCTING COIL ECAL HCAL Scintillating PbWO4 crystals 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 MUON ENDCAPS MUON BARREL Drift Tube Resistive Plate Cathode Strip Chambers ( ) CSC Chambers ( ) DT Chambers ( ) RPC Resistive Plate Chambers ( ) RPC

23 Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
An homogenous scintillating crystal detector Made out of 75,000 crystals Motivation: CMS & APDs Subdivided into a barrel and two endcap Barrel section contains 61,000 crystals two APDs per crystal

24 Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
Motivation: CMS & APDs

25 Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
Motivation: CMS & APDs

26 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. Motivation: CMS & APDs

27 Son Teşekkürler Motivation: CMS & APDs

28 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 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.

30 Motivation: CMS & APDs

31 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-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 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) Motivation: CMS & APDs