PARÇACIK DETEKTÖRLERİ

... konulu sunumlar: "PARÇACIK DETEKTÖRLERİ"— Sunum transkripti:

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

2 Giriş Deteksiyonda esas olan, detekte edilecek radyasyonun detektör ortamında yapacağı etkileşmeler vasıtasıyla içeride bırakacağı enerjinin ölçülmesidir. İki farklı fiziksel etkileşme süreci iyonizasyon ve uyarma sonucunda detektör ortamına enerji bırakılması ve ölçülmesi prensibine dayalı olarak tasarlanmış detektörler, gazlı-yarıiletken ve sintilasyon detektörleri incelenecektir. Motivation: CMS & APDs

3 Yüklü Parçacıkların Madde ile Etkileşmeleri
Madde içerisinde yol alan bir yüklü parçacık enerjisini iyonizasyon, uyarma veya bremsstrahlung vasıtasıyla kaybeder. Yüklü parçacıkların madde içerisinde aldığı dx yolu boyunca, iyonizasyon ve uyarma yaparak kaybettiği ortalama dE enerjisi Bethe ve Bloch formülü ile verilir. z gelen parçacığın yükü, Z ve A ortamın atom numarası ve atom ağırlığı, me ve re elektronun durgun kütlesi ve yarıçapı, N A Avagadro sayısı, Motivation: CMS & APDs I ortamın iyonizasyon ve uyarma potansiyeli, Lorentz faktörü (E/mec2),  parçacığın rölativistik hızı (V/c) ve  yoğunluk etkisi İfade ortamın durdurma gücü veya diferansiyel enerji kaybı olarak da adlandırılır.

4 Yüklü Parçacıkların Madde ile Etkileşmeleri
Ortamın durdurma gücü ne kadar büyükse, yüklü parçacığın aldığı birim yol başına iyonizasyon ve uyarma yaparak kaybettiği enerji de o kadar büyük olur. dE/dx = 2.12 × 10-3 MeV/cm Wi = 26 eV ~ 80 e-iyon çifti/cm 1 cm Argon İyonize edici radyasyon Motivation: CMS & APDs dE/dx = 7.29 MeV/cm Wi = 2.9 eV ~ 2.5 × 106 e-hole çifti/cm 1 cm Germanyum İyonize edici radyasyon

5 Yüklü Parçacıkların Madde ile Etkileşmeleri
Yüklü parçacıkların çarpışma başına ortama aktardığı enerjinin kendi enerjisine oranı oldukça düşük olduğundan, enerjisini tamamen ortama aktarabilmesi için birçok çarpışma yapması gerekmektedir. Ortama aktarılan enerji, bir ortalama etrafında dağılıma sahiptir. Enerji kaybı dağılımı, Landau dağılımı ile temsil edilir ve yaklaşık ifadesi, Motivation: CMS & APDs , en muhtemel enerji kaybından olan sapmadır, Bethe-Bloch formülündeki ortalama enerji kaybı, en muhtemel enerji kaybı, gerçek enerji kaybıdır.

6 Gazlı Detektörler-Sinyal oluşum mekanizması
Gazlı detektör içerisinde yol alan yüklü parçacığın izi boyunca iyonizasyon ile enerji kaybı sonucu oluşturacağı elektron-iyon çiftlerinin sayısı; = N0 E parçacığın toplam enerji kaybı Wi Bir elektron-iyon çifti üretmek için gerekli ortalama enerji (gazlar için ortalama 30 eV) Motivation: CMS & APDs Hacim içerisine bir elektrik alan uygulandığında, gaz içerisinde oluşmuş elektron-iyon çiftleri elektrik alan boyunca harekete zorlanırlar. Bu hareket esnasında elektronlar gaz atomları ile çarpışarak bir ortalama hıza -sürüklenme hızına (vdrift )- ulaşırlar.

7  vdrift = Ie = Ioe exp (-x)
Gazlı Detektörler-Sinyal oluşum mekanizması vdrift =  , yüklerin gaz molekülleri ile yaptığı iki çarpışma arasında geçen ortalama süre. Anota gitmesi gereken elektronlar gaz molekülleri tarafından yakalanabilirler. Başlangıçtaki yoğunluğu Ioe olan elektronların, x mesafesi sonunda sahip olacakları Ie yoğunluğu; Motivation: CMS & APDs , bağlanma (attachment) katsayısı (gazın özelliklerine ve elektronların enerjilerine bağlıdır). Ie = Ioe exp (-x)

8 N = N0 ex Gazlı Detektörler-Sinyal oluşum mekanizması
Gaz hacmi içerisinde Elektrik alan şiddeti yeterince yüksek ise, elektronların kazanacağı kinetik enerji değeri, çarpışma yaptığında gaz atomlarını iyonize edebilecek seviyelere ulaşabilir. Başlangıçtaki toplam elektronların sayısı N0 olmak üzere, bu elektronların düzgün bir elektrik alan şiddetine sahip bir gaz detektör hacmi içerisinde kontağa ulaşana kadar x mesafesi boyunca yapacağı çarpışmalar vasıtasıyla iyonizasyon yapmaları sonucu kontağa ulaşan elektron sayısı; N = N0 ex Motivation: CMS & APDs  Birinci Townsend katsayısı  / P = A exp(-BP/E) P basınç, E uygulanan elektrik alan, A ve B katsayıları gazın cinsine bağlı sabitler

9 Gazlı Detektörler-Sinyal oluşum mekanizması
Eğer detektör hacmi içerisindeki elektrik alan değişken ise, N = N0 exp x1 elektronun harekete başlama konumu, x2 kontağın (Anot) konumu. V anot teline uygulanan voltaj, r anot telinden olan uzaklık, a anot telinin yarıçapı ve b tüpün yarıçapıdır. Motivation: CMS & APDs Yük çoğalma faktörü ya da kazanç, M = N / N0 = ex = exp

10  /P = A exp(-BP/E-Esce )
Gazlı Detektörler-Sinyal oluşum mekanizması Kazancı etkileyen faktör: Yüklerin (Space Charge) Etkisi Yük çoğalması sonucu oluşan yükler, detektör içerisinde var olan elektrik alan şiddetini azaltır. İyonizasyon katsayısı elektrik alanın bir fonksiyonu olduğu için bu durum, kazancın ve çıkış sinyalinin değerinin düşmesine neden olur. Motivation: CMS & APDs Detektör hacmi içerisinde oluşan E elektrik alan değeri, yük etkisi nedeni ile Esce kadar azalacaktır. Bu durumda iyonizasyon katsayısı,  /P = A exp(-BP/E-Esce )

11 Gazlı Detektörler-Sinyal dalgalanması
Bir detektörden alınan sinyalin büyüklüğü kontağa ulaşan yük sayısına (birincil parçacık adedi ve detektörün iç kazancına) bağlıdır. Motivation: CMS & APDs

12 Gazlı Detektörler- Gaz Seçimi
Kullanılan temel gazlar Ar, Ne, He gibi kolay iyonize olabilen ve elektron alma eğilimi az olan (bu nedenle anoda giden elektronlara fazla bir etkisi olmaz) asal gazlar dır. Ek gazlar ise Etan, Metan, Karbondioksit gibi dindirici (quenching) gazlardır. Bu gazlar da düşük elektron alma eğilimine sahip olmakla birlikte, pozitif iyonlara elektron aktararak onları nötr hale getirir. Dindirici gazlar aynı zamanda yük çoğalması esnasında gerçekleşen çarpışmalarda uyarılmış gaz atomlardan yayınlanan fotonları da soğururlar. Detektörlerde yaygın olarak kullanılan P10 gazı, % 90 argon ile dindirici gaz olan % 10 metan karışımından oluşur Motivation: CMS & APDs

13 Gazlı Detektörler- Gaz Seçimi
Ek gazlar kullanıldığında ortaya çıkan problem; penning etkisi Motivation: CMS & APDs There may be many non-ionising interactions in avalanche formations. In such interactions some fraction of the energy is spent on the creation of short or long lived (metastable) excited states. Excited gas atoms or molecules can transfer their excess energy to ionise the other ones in the mixture by making collisions with them. Such an energy transfer is known as Penning effect and often occurs in the gas mixtures when the metastable excitation energy level of one gas component is energetically higher compared to the ionisation energy of the other gas component. These kinds of mixtures are also known as Penning gas mixtures which consist of a noble gas and an admixture at lower concentrations Ö Şahin et al,  JINST, 2010

14 Gazlı Detektörler-Yaşlanma (Aging)
Yaşlanmadaki kasıt, detektörün kontak elektrotlarının yüzeyinde oluşan birikmeler sonucu, kazançta kayıp ve dalgalanmalar, enerji çözünürlüğünde bozulma, kendiliğinden yük boşalması, kıvılcım atlaması, yüksek voltaj kararsızlığı, tellerde ise aşınma, şişme ve kopma gibi etkilerin oluşarak detektörün çalışma performansının düşmesidir. Çarpışma iyonizasyonunun gerçekleşmesi için elektron enerjisinin 10 eV’ dan büyük olması gerekirken, moleküllerin kovalent bağlarının kırılması ve serbest radikallerin oluşması için elektronun 3-4 eV enerjiye sahip olması yeterlidir. Serbest radikaller diğer moleküllere kovalent bağlarla bağlanarak daha ağır moleküller oluşturur (Serbest radikal polimerizasyonu). Yeterince yoğunlaşma olduğunda, bunlar elektrot yüzeyine difüzyon ile giderek yapışırlar. Motivation: CMS & APDs

15 Gazlı Detektörler-Yaşlanma (Aging)
THE ANODE WIRE DEPOSITS SAGA, kazanç kayıplarına yol açıyor Motivation: CMS & APDs

16 Gazlı Detektörler - Tarihçe
Gazlı Detektörler, Parçacık deteksiyonu ve takibi için kullanılan detektörler ailesinin önemli üyelerinden birisidir. 1928 yılında, Rutherford’un ilk tasarımını yaptığı detektör geliştirilerek Geiger- Müller adını almış ve günümüz modern gazlı detektörlerin atası olarak bilinmektedir. 1968 yılında G. Charpak tarafından detektör ortamına giren radyasyon veya yüklü parçacıkların iz takibini, 100 µm’lere varan yüksek bir hassasiyetle belirleyebilen “çok telli orantılı sayaç” (Multi–Wire Proportional Chamber, MWPC) geliştirilmiştir. Motivation: CMS & APDs

17 Gazlı Detektörler - Tarihçe
Bunu izleyen yıllarda; - Ring Imaging Cherenkov Chambers (RICH) (Seguinot, 1977) - Çok Basamaklı Çığ Odaları (Multi Step Avalanche Chambers, MSAC (Charpak, 1978) - Gaz Sürüklenme Odaları (Drift Chamber, DC) (Walenta, 1979) - Mikro–Şeritli gaz odası” (Micro–Strip Gas Chamber, MSGC) (Oed, 1988) geliştirilmiştir. Motivation: CMS & APDs MSGC ler MWPC lere kıyasla 103 kat daha yüksek sayma hızlarına sahip olmalarına rağmen özellikle yüksek enerji deneylerinde ihtiyaç duyulan sayma kapasitesi ve kararlılık gibi gereksinimleri karşılayamadıkları görülmüştür.

18 Gazlı Detektörler - Tarihçe
Bu nedenle, 1990’lı yılların ikinci yarısından itibaren, Mikro desenli-örgülü- gazlı detektör (Micro Pattern Gas Detectors, MPGD) yapısı olarak da adlandırılan yeni nesil detektörler ile ilgili çalışmalar, daha büyük bir önem kazanmıştır. Bunun sonucunda, sinyalin gaz hacmi içerisinde bir ön çoğalma vasıtasıyla daha güçlü alınmasını sağlayan Micro-Pattern Gas Detectors (MPGD) ler üretilmiştir. Motivation: CMS & APDs MPGD’lerde parçacıkların detektör içerisinden geçişi sırasında oluşan birincil etkileşmeler, bir ön çoğaltma birimi sayesinde sinyalin alındığı bölgeden ayrılır. Böylece ikincil etkileşmeler nedeniyle ortaya çıkan ve detektörün performansını düşüren etkiler azaltılmış olur.

19 Gazlı Detektörler - MPGDs (Micro-Pattern Gas Detectors)
MPGD’ler arasında öne çıkan detektörlerden ilki Micromegas (Micro–Mesh Gaseous Structure) olmuştur (Giomataris, 1996). Micromegas’lar temelde paralel levhalı detektörlere oldukça benzer. Birincil parçacıklar geniş bir iyonizasyon bölgesinde içerisinde oluşur, elektrik alan etkisindeki elektronlar küçük deliklere sahip ince katot mesh (örgü) ile anot arasındaki dar bölgede çoğalır. Motivation: CMS & APDs

20 Achieve gas gains ~ 10-20 per foil
Gazlı Detektörler - MPGDs (Micro-Pattern Gas Detectors) 1997 de G. Charpak ve F. Sauli GEM (Gas Electron Multiplier) detektörünü önermişlerdir V ~ V E ~ KV/cm GEM detektörünün örgü bölgesi, her iki tarafı metal ile kaplanmış yalıtkan polimer foil den meydana gelir. Elektronların çoğalması, elektronların deliklerin içerisinden geçmesi esnasında gerçekleşir. Motivation: CMS & APDs Achieve gas gains ~ per foil ~ or higher in triple GEM structures

21 Gazlı Detektörler - MPGDs (Micro-Pattern Gas Detectors)
Motivation: CMS & APDs

22 Gazlı Detektörler - MPGDs (Micro-Pattern Gas Detectors)
GOSSIP: Gas On Slimmed SIlicon Pixels In GOSSIP, Electron-ion pairs are created, along the track, in the thin gas-filled drift gap. The electrons drift towards a grid which is placed parallel to the (pixel) anode. A strong electric field is applied in the gap between grid and anode, causing electron avalanches and, consequently, gas electron multiplication. The avalanche charge induces a signal on the pixel input pad. Motivation: CMS & APDs

23 perfect alignment of grid holes and pixel pads
Gazlı Detektörler - MPGDs (Micro-Pattern Gas Detectors) InGrid: an Integrated Grid on Si (wafers or chips) Motivation: CMS & APDs perfect alignment of grid holes and pixel pads

24 Gazlı Detektörler - MPGDs (Micro-Pattern Gas Detectors)
Thick GEM (THGEM), Resistive THGEM Motivation: CMS & APDs

25 Gazlı Detektörler- Hızlandırıcılarda Kullanımı
Demet kayıp monitörü – Kaçak ölçümü Özellikle süperiletken magnetlerin kullanıldığı hızlandırıcı sistemlerinde, kayıpların yerini ve büyüklüğünü görebilmek için demet kayıp monitörü kullanılır. Burada kullanılan detektörler, demet borusunun çevresine yerleştirilir ve boru malzemesi tarafından soğurulmayan yüklü parçacıkları veya ışınları detekte etmek için kullanılırlar. İçerisine Ar gazı doldurulmuş ince bir boru tüm demet hattı boyunca paralel olarak yerleştirilir. Böylece demette meydana gelecek en ufak elektron kaybı gaz ile etkileşip, gazı iyonlaştırır. Böylece bir akım elde edilir. Motivation: CMS & APDs

26 Gazlı Detektörler- Hızlandırıcılarda Kullanımı
Demet kayıp monitörü – Kaçak ölçümü Motivation: CMS & APDs

27 Hızlandırıcılarda Kullanım- Demet akımı ölçümü
Faraday Kabı Demetin taşıdığı yük miktarına bağlı olarak demet akımını ölçer. Doğrudan demetin önüne konulduğu için demet yapısına zarar vererek ölçüm yapan bir sistemdir. Motivation: CMS & APDs Kap, Cu, Pb gibi iletken malzemeden oluşmaktadır. Malzemenin türü ve L kalınlığı demetin E enerjisine bağlı olarak seçilir. Malzemede birim uzunluk başına enerji kaybı dE/dx olmak üzere L= E/(dE/dx) olmalıdır. Yaklaşık 0.4 m kalınlığındaki bakır, 1 GeV enerjili elektronları durdurmak için yeterlidir.

28 Yarıiletken Detektörler
Yarıiletken detektörler nükleer ve yüksek enerji fiziği deneylerinde önemli bir geçmişe sahiptirler. İlk sinyal, 1951 yılında ters besleme voltajı uygulanmış germanyum diyod üzerine alfa parçacıklarının düşürülmesi ile gözlenmiştir. Yüksek enerji fiziği deneylerinde kullanılan ilk silikon detektör dE/dx ölçümleri için tasarlanmıştır. Bir yarıiletken detektör yapmak için, katkılanmış p ve n tipi yarıiletkenlerden p-n eklemi oluşturmak gerekir. Motivation: CMS & APDs

29 Yarıiletken Detektörler - Yük Taşıyıcılarının Oluşumu
Eklem içerisine giren ve enerjisi yarıiletkenin bant aralığı enerjisinden daha yüksek olan foton, değerlik bandındaki elektronu geride bir hol bırakacak şekilde iletkenlik bandına uyarabilir. Foton soğurma katsayısının dalga boyuna bağlı değişimi (Si içerisinde) Motivation: CMS & APDs p-n eklemi içerisine giren fotonların soğurulmalarının konuma bağlı değişimi, x eklem içerisinde alınan yol, fotonun soğurulma katsayısıdır.

30 Yarıiletken Detektörler - E alan altında yükler
Yarıiletken içerisinde bulunan yük taşıyıcıları, gelişi-güzel termik hareket yaparlar fakat net olarak yer değiştirme yapamazlar. Elektrik alan ( 2x102 V/cm) yarıiletkene uygulandığında, her bir yük taşıyıcı elektrik alan doğrultusunda bir hız bileşeni kazanır. Bu ilave hız sürüklenme hızı olarak adlandırılır. Motivation: CMS & APDs Eğer E alan değeri yeterince yüksek ise (>1x105 V/cm), yük taşıyıcıların kinetik enerjileri çarpışma iyonizasyonu eşik enerjisinden (impact ionization threshold) daha büyük değerlere ulaşabilir.

31 Yarıiletken Detektörler - E alan altında yükler
Elektron ve hol için çarpışma iyonizasyonu tesir kesitleri (impact ionization cross section), bir tek elektron yada holün elektrik alan doğrultusunda yol alırken birim uzunluk başına ürettiği e-h çifti sayısı olarak tanımlanır. İyonizasyon tesir kesitleri elektrik alan şiddetine ve sıcaklığa bağlı olup şu şekilde verilirler; Motivation: CMS & APDs T Kelvin derecesinde sıcaklık, E V/cm biriminde elektrik alandır. İç kazanç (M), kontağa ulaşan yük taşıyıcılarının, fotonlar veya yüklü parçacıklar tarafından üretilen birincil yük taşıyıcılarına oranı olarak tanımlanabilir.

32 Yarıiletken Detektörler - Çığ Kazancı ve Kırınımı (Bozunumu)
Çığ bozunumu olduğunda oluşan sonsuz sayıdaki e-h çifti, kazancın sonsuz olmasına sebep olacaktır Elektron ve hol için iyonizasyon tesir kesitlerinin eşit olduğu durumda çığ kırınımı ifadesi; Yarıiletken Detektörler-Radyasyon Hasarı Özellikle yüksek enerji ve nükleer fizik deneylerinde kullanılan yarıiletken detektörler, içerisinde bulunduğu ortamdaki yüksek radyasyondan etkilenirler. Radyasyon yarıiletken malzemenin yapısında bozulmaya neden olarak detektörün çalışma performansını etkiler. Radyasyon hasarı ile yarıiletken malzemede oluşan mikrosobik etkiler, detektörde makroskobik etkiler oluşturur. Motivation: CMS & APDs

33 Yarıiletken Detektörler-Mikroskobik Etkiler
Hadronlar ve yüksek enerjili leptonlar yarıiletken içerisine girdiğinde örgüdeki bir atomu yerinden ederek onun örgü içerisinde başka bir yere gitmesini sağlar. Böylece örgü atomları arasına girmiş bir atom ve geride ondan kalmış bir boşluk oluşur. Bu çifte Frenkel çifti ve radyasyon tarafından oluşturulan bu tür kusura nokta kusuru denir. Silikon içerisinde nokta kusuru oluşturmak için gereken enerji: nötronlar için 185 eV, elektronlar için 255 keV’ dir Motivation: CMS & APDs

34 Yarıiletken Detektörler-Mikroskobik Etkiler
Gelen radyasyonun enerjisi arttığında, örgüdeki daha çok atom daha fazla enerjiye sahip olarak yerinden ayrılacak ve bu enerjik atomlar da yeni Frenkel çiftleri oluşturabileceklerdir. Bu şekilde oluşan kusura da küme kusuru denir Silikon içerisinde küme kusuru oluşturmak için gereken enerji: nötronlar için 35 keV, elektronlar için 8 MeV’ dir Motivation: CMS & APDs

35 Yarıiletken Detektörler-Mikroskobik Etkiler
Farklı tip ve enerjilerdeki radyasyonun, yarıiletken malzemede yaptığı değişim iyonize etmeyici enerji kaybı (Non-Ionizing Energy Loss, NIEL) kavramı olarak adlandırılır. Parçacık tipi Nokta kusuru Küme kusuru Nötron x xxxxx Hadron (p, π-, π+, vb.) xxxx xx  Motivation: CMS & APDs

36 Yarıiletken Detektörler-Makroskobik Etkiler
Radyasyon hasarı detektörün yapıldığı yarıiletken malzemenin etkin katkı konsantrasyonunu (Neff) değiştirir. Böylece başlangıçta n-tipi olan bir malzeme artan akı ile tip değiştirerek p-tipi olur. Nötron akısında bağlı olarak katkı konsantrasyonundaki değişim; cD verici yok olma sabiti (donor removal coefficient) ve b alıcı giriş oranıdır (acceptor introduction rate). Motivation: CMS & APDs

37 Yarıiletken Detektörler-Makroskobik Etkiler
Radyasyon yarıiletken malzemenin enerji band aralığı içerisinde yeni elektriksel aktif seviyeler oluşturur, bu seviyelerde e-h oluşumu detektörde bir kaçak akıma neden olur. Detektörde, birim hacimde kaçak akımdaki değişim (T,t) sıcaklığa ve zamana bağlı hasar parametresidir Yüklerin ortalama ömürlerindeki değişim e,h yük taşıyıcıların yakalanma olasılığıdır Motivation: CMS & APDs Sabit bir çalışma voltajı altında detektörün yük toplama verimi (charge collection efficiency, CCE) yük taşıyıcıların ortalama ömründeki azalmaya bağlı olarak azalacaktır.

38 Yarıiletken Detektörler-Örnek-Çığ Fotodiyot
Bir çığ fotodiyot (APD), orantılı gaz detektörün benzeri olan ve temel olarak, p ve n tipi yarıiletkenlerin birleştirilmesiyle oluşmuş ters besleme voltajı ile çalışan yarıiletken bir detektördür. CMS ECAL da kullanılan Hamamatsu reach-through APD yapısı da böyle bir yapıya sahiptir. Motivation: CMS & APDs CMS ECAL’ da yaklaşık adet çığ fotodiyot (APD), PbWO4 kristali içerisinde oluşan fotonları doğrudan detekte edebilmek için kristalin uç kısmına yerleştirilmiştir .

39 Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot
Motivation: CMS & APDs

40 Sintilasyon Detektörleri- Giriş
Sintilasyon : Işıldama- pırıltı 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

41 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

42 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

43 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

44 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

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

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

47 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

48 İnorganik sint. Organik sint.
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik/Organik Sintilatörler İnorganik sint. Avantajları: Yüksek ışık verimine sahiptirler Yüksek yoğunluğa sahiptirler (örn. PbWO4) Güzel enerji rezulasyonu sağlarlar Dezavantajları: Üretimleri pahalıya mal olur Kristal büyütme işlemleri zor ve karmaşıktır Yüksek sıcaklık bağımlılığına sahiptirler Organik sint. Avantajları: Çok hızlı ışık yayınlarlar Kolayca biçimlendirilebilirler Sıcaklığa bağımlılığı yoktur Oldukça ucuza mal edilebilirler Dezavantajları: Düşük ışık verimine sahiptirler Çok fazla radyasyon hasarına uğrarlar

49 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

50 Sintilasyon Detektörleri
Işık iletim kalitesi:

51 Sintilasyon Detektörleri- Foton deteksiyonu- PMT

52 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:

53 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

54 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

55 Sintilasyon Detektörleri- Kullanım Alanları
Motivation: CMS & APDs

56 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

57 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

58 Sintilasyon Detektörleri- Hodoskop
Motivation: CMS & APDs

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

60 Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
Motivation: CMS & APDs

61 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

62 THM PF Detektör Tasarım Çalışması
Uygulama THM PF Detektör Tasarım Çalışması Motivation: CMS & APDs

63 TAC-PF detector

64 1- Tracker (İz Detektörü) Sistemi
İz detektörleri, yüklü parçacıkları aldığı yol üzerinde takip ederek onların tanımlanmasını sağlar. (PID) Manyetik alandan yararlanılarak, parçacığın yükünün cinsi ve momentumu ölçülebilir. Ayrıca parçacığın konumu ve gidiş doğrultusu belirlenebilir. (ToF ölçümünün ardından parçacığın kütlesi de belirlenir.) Gazlı iz detektörleri MWDC –BES III Triple-GEM tracking detectors - COMPASS Motivation: CMS & APDs spatial resolution ∼100 µm

65 Tracker (İz Detektörü) Sistemi
Silikon iz detektörleri Motivation: CMS & APDs 1981 NA11 1982 NA14 1990 MARKII→ 29 GeV cms (e- e+ coll) 1990 DELPHI→ 189 GeV cms (e- e+ coll) 1991 ALEPH→ GeV (e- e+ coll) 1991 OPAL→ 91 – 209 GeV (e- e+ coll) 1992 CDF 1993 L3 1998 CLEO III→10 GeVcms (e- e+ coll) 1999 BaBar→ (e- e+ coll) 2001 CDF 2009 ATLAS 2009 CMS

66 Five individual modules with 4 cm distances between them.
TAC-PF tracker Five individual modules with 4 cm distances between them. Each module has two parallel silicon strip detector planes. (carbon+ silicon + 2 cm gap + carbon + silicon) First module Second module

67 TAC-PF tracker

68 Simulation works – Particle tracks- Energy deposition

69 Simulation works - Energy deposition
200 micron Si Deposited energy resolution vs momentum at different ηs Deposited energy resolution vs η at different electron energies 200 micron Si

70 Simulation works – Particle tracks- Spot size
Layer 1 Layer 2 Layer 5 Layer 3 Layer 4

71 2-ToF ToF detektörü nedir? ToF detektörü, içerisinden geçen parçacıkların uçuş sürelerinin farklarını ölçerek parçacıkların kimlik tespitine yardımcı olur. Aynı momentuma sahip farklı kütleli parçacıkların iki sintilatör arasındaki uçuş zamanlarının ölçülmesiyle kütle tespiti yapılabilir. ToF modülleri için zaman çözünürlüğü sintilatör ve fotoçoğaltıcının parametrelerine bağlıdır.

72 3- EM Kalorimetre “a” term indicates shower fluctuations for 5x5 crystal matrices and photoelectron statistics. “a” term and a part of the “b” term originate from the shower-leakage fluctuation.

73 4- Muon Deteksiyon Sisitemi
Muon Sistemi- tabakalar içerisine yerleştirilmiş varil kısmında dokuz, kapak kısmında ise sekiz Resistive Plate Chamber (RPC) kullanılarak oluşturulmuştur. RPC için Motivation: CMS & APDs

74 Son Motivation: CMS & APDs