PARÇACIK DETEKTÖRLERİ II: Sintilasyon Detektörleri

1. PARÇACIK DETEKTÖRLERİ II: Sintilasyon Detektörleri 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.

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 kendiiçerisinde iletimine izin vermeli, Yayınlanan ışığın dalgaboyu, fotodetektörler tarafından detekte edilebilmeye uygun olmalı. Sintilatör çeşitleri: Inorganiksintilatörler (kristal, gaz, sıvı) Organiksintilatörler

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. 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; 40000 photons/MeV; τ = 250 ns CsI(Tl) λmax = 565 nm; 11000 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 ışınıNaI(Tl) kristaline gönderiliyor (Kristalin ışık verimi=LY=40000 foton/MeV) -20000 foton kristal içerisinde oluşur (Kristal içerisinde iletim ve yansıma kayıpları var) -15000 foton PMT nin fotokatotuna ulaşır (Q.E. = Nfotoelektron/ Nfoton ≈ 20%) - 3000 fotoelektron ilk dynoda ulaşır (Kazanç ≈106) -3x109adet 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

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. Sintilasyon Detektörleri- Kullanım Alanları

18. SrI2:Eu LiI3:Ce LaBr3:Ce LaCl3:Ce RbGd2Br7:Ce 80-th BGO LuAlO3:Ce Lu2SiO5:Ce PbWO4 CeF3 (Y,Gd)2O3:Ce 50-th CsI(Tl) BaF2( fast) 1949NaI(Tl) YAlO3:Ce Bi4Ge3O12 BaF2 (slow) 1992PWO CsI:Na CdS:In ZnO:Ga 90-th BaF2 CeF3 CaF2:Eu silicate glass:Ce LiI:Eu CsI CsF 60-thGlasses, pre-crystal CsI:Tl CdWO4 NaI:Tl ZnS:Ag CaWO4 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Years Sintilasyon Detektörleri- YEF’ de Kullanımı Sintilatörlerin keşiftarihleri

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.

20. Sintilasyon Detektörleri- Hodoskop

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

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

23. Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı 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

24. Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı

25. Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı

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.

27. Son Teşekkürler

28. 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. Waveshifter

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.

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 ColliderLEP. 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)