GEM detektorok és szimulációjuk a CERN LHC TOTEM kísérletben. Lucsányi Dávid, Wigner FK RMI

Átírás

1 GEM detektorok és szimulációjuk a CERN LHC TOTEM kísérletben Lucsányi Dávid, Wigner FK RMI

2 > Az LHC TOTEM kísérlet - TOTEM mérések és eredmények - A T2 teleszkóp - GEM detektorok - Új, szilíciumalapú GEM - GEM szimulációk 2

3 LHC TOTEM 3

4 LHC TOTEM TOTal cross section, Elastic scattering and diffraction dissociation Measurement Roman Pot T1 telescope T2 telescope 4

5 - Az LHC TOTEM kísérlet > TOTEM mérések és eredmények - A T2 teleszkóp - GEM detektorok - Új, szilíciumalapú GEM - GEM szimulációk 5

6 TOTEM mérések és eredmények Pszeudo-rapiditás: η = ln tan θ 2 θ: p és nyaláb által bezárt szög Teleszkópok: 3,1 η 6,5 Tracking, impulzusmérés TOTEM+CMS: Legnagyobb akceptanciájú detektorrendszer, ami hadronütk.-nél épült! Ideális rugalmas és rugalmatlan, azon belül is diffraktív p-p szórások vizsgálatára! 6

7 TOTEM mérések és eredmények Hatáskeresztmetszetek, köztük a σ tot mérése a különböző események számából : σ tot = 98,3 ± 0,2 stat ± 2,8syst mb s = 7TeV (Best of 2011collection EPL) 7

8 TOTEM mérések és eredmények Alacsonyenergiás kvantum-színdinamika a diffraktív folyamatokból Kinematikai kép (Φ transzverz szög, η pszeudo-rapiditás) Pomeron: eredetileg a Regge-elmélet által bevezetett hipotetikus részecske, amivel a protonok közötti impulzuscserét írják le a szórás során. TOTEM feladata: események osztályozása 8

9 TOTEM mérések és eredmények A T2 és Roman Pot rendszer által detektált egyszeres diffrakciós események alacsony és magas Δp p esetén 9

10 - Az LHC TOTEM kísérlet - TOTEM mérések és eredmények > A T2 teleszkóp - GEM detektorok - Új, szilíciumalapú GEM - GEM szimulációk 10

11 T2 teleszkóp Pozíció: IP5-től ±13,56 méterre Rapiditástart.: 5,3 η 6,5 Feladata: N inel mérése db GEM detektor alkotja 11

12 T2 teleszkóp 12

13 - Az LHC TOTEM kísérlet - TOTEM mérések és eredmények - A T2 teleszkóp > GEM detektorok - Új, szilíciumalapú GEM - GEM szimulációk 13

14 GEM (Gas Electron Multiplier) detektorok Micropattern Gaseous Detector (MPGD) Fabio Sauli 1996 Erősítés: x RD51 Collaboration 14

15 GEM detektorok Gyártástechnológiák, típusok 1. CERN-ben kifejlesztett, eredeti GEM fólia wet etching (kémiai marás) ~50 μm vastag kapton ~ μm átmérőjű lyukak egymástól ~ μm távolságra 2. Vastag GEM (THGEM) fúrás ~400 μm vastag nyák lemez ~400 μm átmérőjű lyukak egymástól ~800 μm távolságra Karima (rim) 3. Többrétegű GEM többfokozatú erősítés (8000x) kisebb valószínűség kisülésre 2D readout board TOTEM T2 GEM 4. Egyéb 15

16 GEM detektorok Proporcionális kamrák Prop. kamra vs. GEM: (térbeli felbontás, holtidő, kisülés, feltöltődések, erősítés) 16

17 GEM detektorok Bethe-Bloch formula de dx = 4πNe4 mc 2 β 2 Z2 ln 2mc2 β 2 γ 2 I β 2 Energiaveszteség egységnyi úthosszon m elektron nyugalmi tömege Z detektálandó részecske töltése N gáz elektronsűrűsége I átlagos gerjesztési energia Z 10 ev β = v c γ 2 = 1 1 β 2 Univerzális: azonos töltés esetén minden részecskénél csak β értékétől függ. Minimum Ionizing Particle: minimális energiaveszteséget szenvedő részecskék, ehhez kell, hogy E MIP MIP kin > 2E 0 teljesüljön a részecskére MIP Argonban: 100 e/cm W N Ion = L de dx 17

18 GEM detektorok Ionizáció - Elsődleges ionizáció: detektálni kívánt részecske (p) okozza - Másodlagos ionizáció: elsődleges ionizációból származó részecske (e) okozza Az ütközés nem csak ionizációt, hanem gerjesztést is okoz. Argon esetében: E ion = 15,76 ev Townsend-lavina Első közelítésben exponenciálisan nő az elektronok száma a két elektróda között a nagy térerősség hatására 18

19 GEM detektorok Gázkeverék A gerjesztett Ar UV fotonokat bocsát ki kioltó (quenching) gáz, a fotoeffektus elkerülésére, ez lehet pl. CO 2 Ar/CO 2 (70:30) gázkeverék A gázkeverék típusától és arányától erősen függ a gáz erősítése Penning-effektus: (plusz járulék az erősítésben, ezért nem használhatók a townsend együtthatók) Ar CO E gerj > E 2 ion r p - Penning átadási hatásfok 19

20 GEM detektorok Elektromos tér 20

21 GEM detektorok Elektromos tér 21

22 GEM detektorok Feltöltődés Az erősítést a lyukakban felhalmozódó ionok és elektronok dinamikusan módosítják az idő függvényében: az elektromos tér mindig beáll egy új egyensúlyi állapotba, amikor már nem lép be erővonal a dielektrikumba. Ez az instabil gázerősítés problémát okoz nemcsak a GEM, hanem minden MPGD esetében. A töltés elvesztése több napig tartó folyamat. 22

23 GEM detektorok Előnyök Robosztus Jó térbeli felbontóképesség és mintázat felismerés Sok részecske egyidejű detektálhatósága Méret és geometria független Olcsóbb, mint a Si detektor Jó öregedési tulajdonságok Hátrányok Nagyfeszültség okozta átütések, kisülések THGEM Ion backflow THGEM Gyártásból adódó felülethibák Dinamikusan változó, instabil erősítés a feltöltődés miatt Kevésbé sugárzásálló, mint a Si detektor 23

24 - Az LHC TOTEM kísérlet - TOTEM mérések és eredmények - A T2 teleszkóp - GEM detektorok > Új, szilíciumalapú GEM - GEM szimulációk 24

25 Új, szilíciumalapú GEM Helsinki Institute of Physics - Detector Development THGEM szilíciumból: μm vastag, 300 mm átmérőjű Si szeletek Fizikai gőzfázisú rétegleválasztással 1 μm vastag Al fémezés Mély reaktív ionmarással bármekkora, tökéletes henger alakú lyukak Sugárzástűrő képesség növelése Már Fabio Sauli is megemlítette 1996-os cikkében a feltöltődés jelenségét, mint problémát, és két megoldási módot is közölt: Lyukak Ω/ -es réteggel történő bevonása Dielektrikum Ω cm ellenállású rétegből DE, az intrinsic Si fajlagos ellenállása 300 K-en max Ω cm! ÖTLET: Nagy ellenállású, sugárzástűrő Si ((very) high resistivity, radiation hard Si) 25

26 Új, szilíciumalapú GEM Nagy ellenállású, sugárzástűrő Si A szennyezők csökkentésével egyre nagyobb tisztaságú és ellenállású szilíciumot kapunk. Nagyenergiás ionizáló sugárzás Frenkel-hibákat okoz egymástól izolált helyeken vagy kaszkádosan (cluster hiba) csökken az ellenállás, nő a szivárgási áram, a zaj, a kiürített réteghez szükséges feszültség, a kisülés valószínűsége Si gyártás: - Diffused Oxygen Float Zone (DOFZ) technológia - High Temperature, Long-time (HTLT) oxidáció Ezzel már nagy oxigéntartalmának köszönhetően sokkal sugárzásállóbb, nagy ellenállású szilíciumot sikerült előállítani - Egykristálynövesztés mágneses Czochralski módszerrel Ezzel elvileg hamarosan elérhető lesz MΩ cm-es ellenállású Si szeletek gyártása VÁRHATÓ EREDMÉNY: Sokkal sugárzásállóbb GEM, feltöltődés nélkül Nehézségek, optimalizáció 26

27 - Az LHC TOTEM kísérlet - TOTEM mérések és eredmények - A T2 teleszkóp - GEM detektorok - Új, szilíciumalapú GEM > GEM szimulációk 27

28 GEM szimulációk Geometriai modell (Gmsh, ANSYS) Végeselem szimuláció (Elmer, ANSYS) GEM Monte Carlo szimulációja (Garfield++) Adatkiértékelés (ROOT) Stb. Geometriai modell 28

29 GEM szimulációk Végeselem szimuláció Előkészítés: Geometria Anyagi paraméterek Kezdeti- és peremfeltételek Hálógenerálás Megoldás (iteratívan, numerikus módszerrel): Háló minden pontjában az ismeretlen változók meghatározása Hibabecslés és konvergencia ellenőrzés Konvergens? Feldolgozás: Field Map Grafikonok Trajektóriák Nem: hálófinomítás Igen: kilépés az iterációból Ha a detektorban az elektromos teret akarjuk megkapni, akkor a programmal a Poisson egyenletet kell megoldatni: ε 0 ε r φ = ρ 29

30 GEM szimulációk Végeselem szimuláció eredménye: Field map 30

31 GEM szimulációk Monte Carlo (MC) szimuláció Az egyes részecskék (jelen esetben e - -ok és ionok) pályája és ütközési folyamatai követhetők, amiből a részecskesokaságra jellemző adatokat kaphatunk az egyes részecskék adatainak átlagolásával. A MC szimuláció a Boltzmann-egyenlet megoldásával közelítőleg ekvivalens eredményt ad: m r t = q E r, t + r t B r, t s 0 s 1 Nσ(ε(s))ds = ln(1 R) Alkalmazás elektronok nemegyensúlyi transzportjára (itt Townsend-lavina): Az e - -ok és ionok r(t) trajektóriáit keressük, B r, t = 0 és E r, t = E r 31

32 GEM szimulációk Garfield++: Egy ROOT-ba épülő programcsomag, ami lehetőséget nyújt szinte bármilyen gáztöltésű detektor Monte Carlo szimulációjára C++ nyelven. Field Map (végeselem szimulációból) Heed Magboltz 32

33 Eredmények Szimuláció sorszáma: GEM lyuk átmérő (µm): Karimaszélesség (µm): U GEM (V): Összes elektron eseményenként: 27,7 2,8 1,3 12,1 93,9 Lavina kialakulásának aránya (%): 71,09 62,00 53,70 85,10 72,26 Detektálás hatásfoka lavina esetén (%): 41,96 58,41 57,07 47,30 39,61 Effektív erősítés: 16,38 2,59 1,43 6,75 51,48 Változtatott paraméterek: lyukátmérő, karimaszélesség, U GEM Detektálás hatásfoka: a lavina létrejötte után az anód síkig eljutott elektronok és az összes, lavinában keletkező szekunder elektron számának hányadosa Effektív erősítés: az összes anódig eljutó szekunder elektron és azon primer elektronok számának hányadosa, amelyek létrehoztak lavinát 33

34 Eredmények Primer elektronok végpontjainak eloszlása a z tengely mentén kisebb lyukátmérő (bal kép) és nagyobb lyukátmérő (jobb kép) esetén, nagyobb átmérő nagyobb lavina kialakulási valószínűséget eredményezett átmérő növelése? 34

35 Eredmények A szekunder elektronok keltési pontjai a lyukakban (bal oldal) és az anódon becsapódó elektronok térbeli eloszlása (jobb oldal) Nyaláb fókuszáltság kissé változik, de ez a felbontóképességet nem befolyásolja (csak a kiolvasó szálak és lyukak távolsága) az átmérő növelhető! 35

36 Eredmények Nagyobb térerősség és kisebb karimaszélesség esetén (optimális) Optimális eloszlás, de túl nagy amplitúdó Az elektronok és ionok GEM rétegen belüli végpontjainak z tengely menti eloszlása: minél kintebbre esnek a csúcsok, annál kedvezőbb az eloszlás 36

37 Eredmények 1 μm E 100 μm Szekunder elektronok keletkezési pontjainak eloszlása a z tengely mentén: egyértelműen látszódik a különbség a 1 és 100 μm-es karima esetén, a keskenyebb karima nagyobb x és y irányú komponenst eredményezett a térerősségben 37

38 Összefoglalás A Si alapú GEM erősítését és hatásfokát a lyuk átmérője, a karima szélessége és a feszültség egyaránt jelentősen befolyásolja, egymástól nem függetlenül. - Si alkalmazása sugárzásállóbbá teszi a detektort - Ez várhatóan megszünteti majd a feltöltődés problémáját is - És az átütés kockázata is csökkenhet - Karimaszélesség optimalizálása (1 és 100 μm között) - A GEM feszültség növelhető az erősítés jelentősen növekedni fog - A hatásfok a lyukak átmérőjével nem jelentősen, de növelhető a felbontás romlása nélkül További feladatok (időfüggő szimulációk, prototípus, validálás, Garf++) A ROOT, Garfield++ és végeselem szimuláció nagyon hasznos és hatékony eszközök a részecskefizikai detektorok fejlesztéséhez A GEM detektorok mára nélkülözhetetlenné váltak a részecskefizikai alapkutatásban, és a Si alapú GEM ígéretes alternatíva, ami 2018-ban akár le is válthatja a jelenleg használt detektorokat. 38

39 Köszönöm a figyelmet!