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

Hasonló dokumentumok
Részecske azonosítás kísérleti módszerei

A gamma-sugárzás kölcsönhatásai

Vastag GEM alapú trigger detektor fejlesztése az LHC ALICE kísérlethez

Félvezető- és gáztöltésű detektorok. Kiss Gábor november 4.

Innovatív gáztöltésű részecskedetektorok

Az LHC TOTEM kísérlete

Megmérjük a láthatatlant

Detektorok. Siklér Ferenc MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet Budapest

Töltött részecske multiplicitás analízise 14 TeV-es p+p ütközésekben

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Az expanziós ködkamra

Az LHC TOTEM kísérlete

Élenjáró protonok a CERN LHC TOTEM kísérletében

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

AliROOT szimulációk GPU alapokon

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Pásztázó elektronmikroszkóp. Alapelv. Szinkron pásztázás

A részecskefizika kísérleti eszközei

Részecskefizikai gyorsítók

Mérés és adatgyűjtés

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Theory hungarian (Hungary)

REGaRD: Gáztöltésű részecskedetektor fejlesztés ELTE Wigner FK CERN együttműködésben

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

A sugárzás és az anyag kölcsönhatása. A béta-sugárzás és anyag kölcsönhatása

Az LHC TOTEM kísérlete

Sugárterápia. Ionizáló sugárzások elnyelődésének következményei. Konzultáció: minden hétfőn 15 órakor. 1. Fizikai történések

Sugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1. Fény kölcsönhatása az anyaggal. 2. Ionizáló sugárzás kölcsönhatása az anyaggal KAD

Vastag-GEM alapú mikrostruktúrás fotondetektorok

Sugárterápia. Ionizáló sugárzások elnyelődésének következményei

Detektorok. Fodor Zoltán. Wigner fizikai Kutatóközpont. Hungarian Teachers Programme 2015

-A homogén detektorok közül a gyakorlatban a Si és a Ge egykristályból készültek a legelterjedtebbek.

REGaRD: Gáztöltésű részecskedetektor fejlesztés ELTE Wigner FK CERN RD51 együttműködésben

CMS Pixel Detektor működése

LABORATÓRIUMI GYAKORLAT. Alfa-, béta-, gamma-sugárzások mérése

Erős terek leírása a Wigner-formalizmussal

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

Mikrostruktúrás gáztöltésű detektorok vizsgálata. Szakdolgozat

Nyomkövető detektorok a részecskefizikától a vulkanológiáig

MATROSHKA kísérletek a Nemzetközi Űrállomáson. Kató Zoltán, Pálfalvi József


2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

SUGÁRZÁS DETEKTÁLÁS - MÉRÉS SUGÁRZÁS DETEKTÁLÁS - MÉRÉS. A sugárzás mérés eszközei Méréstechnikai módszerek, eljárások

A sötét anyag nyomában. Krasznahorkay Attila MTA Atomki, Debrecen

Megoldások. ξ jelölje az első meghibásodásig eltelt időt. Akkor ξ N(6, 4; 2, 3) normális eloszlású P (ξ

Rádl Attila december 11. Rádl Attila Spalláció december / 21

Radioaktív sugárzások abszorpciója

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

Sugárvédelem kurzus fogorvostanhallgatók számra. Töltött részecskék elnyelődése. Sugárzások és anyag kölcsönhatása. A sugárzások elnyelődése

Z bozonok az LHC nehézion programjában

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

1. feladat R 1 = 2 W R 2 = 3 W R 3 = 5 W R t1 = 10 W R t2 = 20 W U 1 =200 V U 2 =150 V. Megoldás. R t1 R 3 R 1. R t2 R 2

NA61/SHINE: Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramja

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

A tau lepton felfedezése

Egyesített funkcionális renormálási csoport egyenlet

11. tétel - Elektromágneses sugárzás és ionizáló sugárzás kölcsönhatása kondenzált anyaggal, áthatolóképesség, záporjelenségek.

Detektorok. Fodor Zoltán. MTA Wigner FK RMI. Hungarian Teachers Programme 2012

FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOK

Munkagázok hatása a hegesztési technológiára és a hegesztési kötésre a CO 2 és a szilárdtest lézersugaras hegesztéseknél

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Pere Balázs október 20.

a térerősség mindig az üreg falára merőleges, ezért a tér ott nem gömbszimmetrikus.

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Részecske- és magfizikai detektorok. Atommag és részecskefizika 9. előadás május 3.

GÁZTÖLTÉSŰ RÉSZECSKEDETEKTOROK ÉPÍTÉSE CONSTRUCTION OF GASEOUS PARTICLE DETECTORS

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Milyen simaságú legyen a minta felülete jó minőségű EBSD mérésekhez

Hadronok, atommagok, kvarkok

ELEKTRONIKAI ALKATRÉSZEK

Bevezetés a részecske fizikába

A diplomaterv keretében megvalósítandó feladatok összefoglalása

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

A lézer alapjairól (az iskolában)

Középfeszültségű gázszigetelésű kapcsolóberendezések villamos szilárdsági méretezése. Madarász Gy. - Márkus I.- Novák B.

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

3.1. ábra ábra

1. fejezet. Gyakorlat C-41

Detektorok. Fodor Zoltán MTA-KFKI Részecske és Magfizikai Kutató Intézete. Hungarian Teachers Programme 2010 CERN

1. mérési gyakorlat: Radioaktív izotópok sugárzásának vizsgálata

Modern fizika laboratórium

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Analitikai szenzorok második rész


ÚJ EREDMÉNYEK A PROTON SZERKEZETÉRŐL Magyarok a CERN LHC TOTEM kísérletében

1. SI mértékegységrendszer

Nehéz töltött részecskék (pl. α-sugárzás) kölcsönhatása

A feszültség alatti munkavégzés (FAM) élettani hatásai

Ejtési teszt modellezése a tervezés fázisában

Beugró kérdések. Elektrodinamika 2. vizsgához. Számítsa ki a gradienst, divergenciát és a skalár Laplace operátort henger koordinátákban!

Geometriai és hullámoptika. Utolsó módosítás: május 10..

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

Átírás:

GEM detektorok és szimulációjuk a CERN LHC TOTEM kísérletben Lucsányi Dávid, Wigner FK RMI 2013.11.18.

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

LHC TOTEM 3

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

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

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

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

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

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

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

T2 teleszkóp Pozíció: IP5-től ±13,56 méterre Rapiditástart.: 5,3 η 6,5 Feladata: N inel mérése 2 2 5 db GEM detektor alkotja 11

T2 teleszkóp 12

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

GEM (Gas Electron Multiplier) detektorok Micropattern Gaseous Detector (MPGD) Fabio Sauli 1996 Erősítés: 10-100x RD51 Collaboration 14

GEM detektorok Gyártástechnológiák, típusok 1. CERN-ben kifejlesztett, eredeti GEM fólia wet etching (kémiai marás) ~50 μm vastag kapton ~50-100 μm átmérőjű lyukak egymástól ~100-200 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

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

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

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

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

GEM detektorok Elektromos tér 20

GEM detektorok Elektromos tér 21

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

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

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

Új, szilíciumalapú GEM Helsinki Institute of Physics - Detector Development THGEM szilíciumból: 350-400 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 10 14 10 16 Ω/ -es réteggel történő bevonása Dielektrikum 10 10 10 13 Ω cm ellenállású rétegből DE, az intrinsic Si fajlagos ellenállása 300 K-en max. 3 10 5 Ω cm! ÖTLET: Nagy ellenállású, sugárzástűrő Si ((very) high resistivity, radiation hard Si) 25

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

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

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

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

GEM szimulációk Végeselem szimuláció eredménye: Field map 30

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

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

Eredmények Szimuláció sorszáma: 1 2 3 4 5 GEM lyuk átmérő (µm): 300 300 400 400 300 Karimaszélesség (µm): 1 100 100 1 1 U GEM (V): 1000 1100 1100 1000 1100 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

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

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

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

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

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

Köszönöm a figyelmet!