Doktori ´ertekez´es Nagy impulzus´u r´eszecsk´ek keletkez´ese ´es k´ıs´erleti vizsg´alata neh´ezion-¨utk¨oz´esekben Hamar Gerg˝o Budapest, 2013. febru´ar 9. T´emavezet˝ok: Dr. L´evai P´eter Wigner Fizikai Kutat´ok¨ozpont MTA, Budapest Dr. Varga Dezs˝o E¨otv¨os Lor´and Tudom´anyegyetem, Budapest
i
Tartalomjegyz´ ek 1. Bevezet˝ o
1
2. Kvark-gluon-plazma
3
I
4
Koaleszcencia
3. Koaleszcencia 3.1. Hadroniz´aci´o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. A MICOR modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Rezonanci´ak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Rezonancia koaleszcencia modell 4.1. Relativisztikus le´ır´as . . . . . . . . . . . 4.2. Rezonanci´ak kiv´alszt´asa . . . . . . . . . 4.3. Barionok . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Hadron v´eg´allapotok . . . . . . . . . . . 4.5. B´ajos szektor . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Rezonanci´ak ´es kvark´allapotok sz´eless´ege 4.7. Impulzusspektrum . . . . . . . . . . . . 4.8. Kvarksz´am sk´al´az´as . . . . . . . . . . . .
II
K´ıs´ erleti eszk¨ ozeink
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
4 4 6 7 8 8 10 12 13 14 16 18 18
19
5. Az ALICE k´ıs´ erlet 19 5.1. Az LHC k´ıs´erletei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 5.2. Az ALICE detektorrendszere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 6. A VHMPID detektor 23 6.1. A VHMPID fizikai c´eljai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.2. VHMPID fel´ep´ıt´ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.2.1. Fotonok detekt´al´asa ´es produkci´oja . . . . . . . . . . . 26
ii
7. HPTD detektor 7.1. HPTD fel´ep´ıt´ese . 7.2. L1 trigger . . . . 7.3. L0 trigger . . . . 7.4. MIP detekt´al´as .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
28 29 31 33 34
8. G´ azt¨ olt´ es˝ u detektorok 8.1. Soksz´alas proporcion´alis kamr´ak 8.2. Id˝oprojekci´os ´es drift kamr´ak . 8.3. Mikrostrukt´ ur´as g´azdetektorok . 8.4. Foton detekt´al´as . . . . . . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
36 37 39 39 41
III
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
HPTD kandid´ atok vizsg´ alata
9. TGEM alap´ u kamr´ ak vizsg´ alata 9.1. Adatgy˝ ujt˝o rendszer . . . . . . 9.2. A tesztkamr´ak fel´ep´ıt´ese . . . . 9.3. Eredm´enyek . . . . . . . . . . . 9.3.1. Anal´og jelek, korrel´aci´ok 9.3.2. Hat´asfok vizsg´alat . . . 9.3.3. Sz¨ogf¨ ugg´es . . . . . . . . 9.3.4. Szikr´az´as . . . . . . . . .
43 . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
43 44 44 47 47 50 52 54
10. K¨ ozeli Kat´ odos Kamr´ ak vizsg´ alata 10.1. A CCC technol´ogia . . . . . . . . . . . . . . 10.2. Adatgy˝ ujt˝o rendszer . . . . . . . . . . . . . 10.2.1. A m´er´esvez´erl˝o programom . . . . . . 10.2.2. Haszn´alt elektronikai egys´egek . . . . 10.3. Az anal´ızis program . . . . . . . . . . . . . . 10.4. M´er´esi ¨ossze´all´ıt´asok . . . . . . . . . . . . . ´ 10.5. Altal´ anos kamravizsg´alat . . . . . . . . . . . 10.5.1. Anal´og jelek . . . . . . . . . . . . . . 10.5.2. CCC u ¨ zemm´od vizsg´alata . . . . . . 10.5.3. Hat´asfok . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6. L1 kamr´ak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6.1. Klaszterek . . . . . . . . . . . . . . . 10.6.2. Nem mer˝olegesen be´erkez˝o r´eszecsk´ek 10.6.3. Relat´ıv poz´ıcion´al´as . . . . . . . . . . 10.6.4. Helyfelbont´as . . . . . . . . . . . . . 10.6.5. Uniformit´as . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
59 59 62 62 67 70 72 75 75 77 79 81 81 82 84 87 88
iii
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
10.6.6. Min´azatok . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7. L0 kamr´ak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7.1. Kamra´ep´ıt´es . . . . . . . . . . . . . . . 10.7.2. Hat´asfok . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7.3. Nagy fel¨ ulet, a CCC elrendez´es el˝onyei 10.7.4. Id˝oz´ıt´es . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.8. MIP kamr´ak . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IV
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
VHMPID m´ er´ esek
. . . . . . .
89 92 92 95 97 102 104
107
11.VHMPID tesztm´ er´ esek ´ es anal´ızis¨ uk 11.1. Nyal´abtesztek 2008-2010 k¨oz¨ott . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Nagy m´ert˝ u protot´ıpus tesztje . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1. A nagy m´eret´ u protot´ıpus . . . . . . . . . . . . . 11.2.2. K´ıs´erleti ¨ossze´all´ıt´as . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3. Adatgy˝ ujt˝o rendszer . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.4. MIP detekt´al´as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.5. F´okusz´al´as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.6. Foton detekt´al´as . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.7. Els˝o r´eszecskeazonos´ıt´as a VHMPID protot´ıpussal 11.3. Tob´abbi tesztm´er´esek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
107 . 107 . 108 . 108 . 110 . 111 . 112 . 115 . 116 . 120 . 120
12.TCPD detektor 12.1. A detektor fel´ep´ıt´ese 12.2. Labor ¨ossze´all´ıt´as . . 12.3. Er˝os´ıt´es m´er´ese . . . 12.4. Kat´odt´er hat´asa . . . 12.5. Cserenkov detektor .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . . . . . .
135 . 136 . 136 . 138 . 139 . 141 . 144 . 146 . 149 . 152
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
13.Prec´ızi´ os TGEM-fel¨ ulet vizsg´ alat 13.1. M´er´esi ¨ossze´all´ıt´as . . . . . . . . . 13.1.1. Optikai rendszer . . . . . 13.1.2. Adatgy˝ ujt˝o rendszer . . . 13.2. Adatanal´ızis . . . . . . . . . . . . 13.3. F´okusz be´all´ıt´asa . . . . . . . . . 13.4. Stabilit´as . . . . . . . . . . . . . 13.5. Fotonhozam- ´es er˝os´ıt´es t´erk´ep . . 13.6. Fesz¨ ults´egparam´eterek hat´asa . . 13.7. Kitekint´es . . . . . . . . . . . . .
iv
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
121 122 125 126 128 130
¨ 14. Osszegz´ es
153
A. R¨ ovid´ıt´ esek
166
v
1.
Bevezet˝ o
A modern r´eszecskefizika fejl˝od´es´evel az elemi r´eszecsk´ekr˝ol igen a´tfog´o k´epet alkothattunk. Az elektromos, gyenge ´es er˝os k¨olcs¨onhat´ast is kezel˝o Standard Model a r´eszecsk´ek vil´ag´anak egy igen j´o le´ır´as´at adja. Az er˝os k¨olcs¨onhat´as ´ep´ıt˝ok¨ovei, a kvarkok ´es gluonok a term´eszetben ´ ˝ csak hadronokba z´artan l´eteznek. Am az Osrobban´ as ut´ani p´ar mikrom´asodpercben, illetve napjainkban a nagy s˝ ur˝ us´eg˝ u neutron csillagok belsej´eben, az anyag egy ˝osi/´ uj halmaz´allapot´aban, a kvark-gluon plazm´aban l´eteztek/l´eteznek. Az anyag ezen sz´amunkra u ´ j - m´egis ˝osi - form´aj´anak vizs´alata o¨nmag´aban is ´erdekes, ´am ezen fel¨ ul k¨ozlebb viheti a tudom´anyt a kozmol´ogia, a neutroncsillagok ´es az er˝os k¨olcs¨onhat´as m´elyebb megismer´es´ehez. Laborat´oriumi k¨or¨ ulm´enyek k¨oz¨ott a kvark-gluon plazm´at neh´ez atommagok nagy energi´as u ¨ tk¨oztet´es´evel ´all´ıthatjuk el˝o, mely sor´an a protonokb´ol ´es neutronokb´ol kiszabadulnak az alkot´o r´eszecsk´ek, l´etrehozva az er˝osen k¨olcs¨onhat´o sz´ınes ˝osanyagot. A forr´o plazma gyorsan t´agul ´es h˝ ul s u ´ jra hadronokba rendez˝odik; a k´ıs´erletek sor´an csak ezen v´eg´allapoti r´eszecsk´eket figyelhetj¨ uk meg, s ez alapj´an kell meghat´arozni a plazma tuladons´agait. Az u ´ jrahadroniz´aci´os folyamat, kollekt´ıv jelens´egek, korrel´aci´ok, nagy energi´as r´esz¨ utk¨oz´esek ´es a szignat´ ur´ak vizsg´alata, le´ır´asa ´es meg´ert´ese ´ megker¨ ulhetetlen. Am mindezekhez a eredm´enyekhez csakik prec´ız ´es lehet˝os´egeink szerinti leg´atfog´obb m´er´esekre van sz¨ uks´eg¨ unk. A fizika, mint a term´eszet megismer´es´ere t¨orekv˝o tudom´any alapvet˝o eszk¨oze, a m´er´es, mely a fel´all´ıthat´o modellek sokas´ag´ab´ol ki kell v´alassza a legmegfelel˝obbet. Doktori munk´am k¨oz´eppontj´aban a neh´ezion u ¨ tk¨oz´esekkor keletkez˝o nagy ´es m´ers´ekelten nagy impulzus´ u r´eszecsk´ek ´allnak. Ennek is els˝osorban az ALICE k´ıs´erlet VHMPID detektor´aval kapcsolatos kutat´asi projektjei. Az u ´ jrahadroniz´aci´o koaleszcencia alap´ u csal´adj´anak egy u ´ j v´altozat´anak alapjait dolgoztam ki, mely m´ar a nagyenergi´as rezonanci´akat is k´epes kezelni, valamint megvizsg´altam a modell kiterjeszthet˝os´eg´enek lehet˝os´egeit. Munk´am jelent˝os r´esz´et a magyar ALICE csoport ´es a g´azdetektorok kutat´as´aval ´es fejleszt´es´evel foglalkoz´o REGARD csoportban v´egeztem. Az ALICE k´ıs´erlet, mint a legnagyobb l´etez˝o gyors´ıt´o neh´ezionfizik´ara specializ´al´odott k´ıs´erlete, az ´erintett impulzustartom´anyt legjobban a tervezett VHMPID detektorral kieg´esz´ıtve tudn´a vizsg´alni. Doktori munk´am r´eszek´ent r´eszt vettem a kapcsol´od´o HPTD detektor kutat´asi ´es fejleszt´esi munk´alataiban, a mikrostrukt´ ur´as ´es u ´ j t´ıpus´ u soksz´alas verzi´ok vizsg´alat´aban; k¨ ul¨on¨os tekintettel a HPTD-ben val´o alkalmazhat´os´agukra. 1
A VHMPID detektor tesztm´er´eseinek anal´ızis´en t´ ul r´eszt vettem egy u ´ j t´ıpus´ u, mikrostrukt´ ur´as alap´ u fotondetektor tervez´es´eben, m´er´eseiben ´es anal´ızis´eben. Valamint a mikrostrukt´ ur´as rendszer r´eszletekbe men˝o tanul´anyoz´as´ahoz kialak´ıtott finom felbont´as´ u p´aszt´az´as anal´ızis´evel megnyitottuk az utat a hasonl´o t´ıpus´ u eszk¨oz¨ok optimaliz´aci´oj´ahoz. A dolgozatban a kvark-gluon plazma ´es annak hadroniz´aci´oja ut´an a 4. fejezetben mutatom be az RCM koaleszcencia modellem. Ezt k¨ovet˝oen az ALICE k´ıs´erleti fel´ep´ıt´es´et ´es a tervezett VHMPID ´es HPTD detektorokat ismertetem, valamint a megval´os´ıt´ashoz haszn´ani k´ıv´ant g´azt¨olt´es˝ u detektorokr´ol sz´olok. A 9. fejezetben a TGEM alap´ u HPTD m´er´eseket ismertetem, m´ıg a 10. fejezetben a HPTD CCC alap´ u megval´os´ıthat´os´ag´at bizony´ıtom. A VHMPID teszm´et´esein v´egzett munk´amat a 11.2. fejezetben taglalom. Az u ´ j t´ıpus´ u hibrid fotondetektort s eredm´enyeinket a 12. fejezetben, a finomfelbont´as´ u mikrostrukt´ ur´as m´er´eseket pedig a 13. fejezetben r´eszletezem.
2
2.
Kvark-gluon-plazma IDE JON JOPAR OLDAL A QGP-ROL. MEG PAR SZEP KEP: FAZISDIAGRAM, V2SKALAZAS, ...
3
r´ esz I
Koaleszcencia 3.
Koaleszcencia
A koaleszcencia modellek egy r´eszecskeprodukc´os folyamatcsal´adot jel¨olnek, melyben az elemi ´ep´ıt˝ok¨ovek k¨oz¨otti k¨olcs¨onhat´as miatt alakul ki egy v´eg´allapoti ¨osszetett objektum. Koleszcencia modelleket magfizik´aban a nukleong´azb´ol keletkez˝o deuteronon, tritonok ´es atommagok j´osl´as´ara haszn´alt´ak [1]. Hadron koaleszcencia kis energi´as nukleonok ¨osszeragad´as´at (klaszter k´epz˝od´es´et) kezeli j´ol, ahol az er˝os k¨olcs¨onhat´as vonz´o ereje miatt keletkez˝o mag k¨ot´esi energi´aja j´oval kisebb, mint a nyugalmi t¨omege. ´Igy a folyamat le´ır´as´ahoz haszn´alhat´o a nem relativisztikus kvantummechanika, aholis a hull´amf¨ uggv´enyek s˝ ur˝ us´egm´atrix´aval kifejezhet˝o a magkelt´es val´osz´ın˝ us´ege. A koaleszcencia modell a kis energ´as magfizik´an t´ ul megjelent a nagyenergi´as neh´ezion-fizik´aban is [3] [12]. B´ar a kvark-gluon plazma hadroniz´aci´oja eset´en a fenti energiaar´anyok nem teljes¨ ulnek, a koaleszcencia modellek u ´ gy t˝ unik m´egis k´epesek kvantitat´ıvan le´ırni a r´eszecsk´ek keletkez´es´et.
3.1.
Hadroniz´ aci´ o
A kvark-gluon plazma vizsg´alat´ahoz elengedhetetlen, hogy ismerj¨ uk a plazma hadroniz´aci´os mechanizmus´at, hiszen a v´eg´allapotban csakis az u ´ jra hadronokba z´ar´odott anyagot tudjuk m´erni. A nagy energi´as elktron-pozitron u ¨ tk¨oz´esek illetve a proton-proton u ¨ tk¨oz´esekkor l´etrej¨ov˝o kvark-kvark ´es kvark-gluon u ¨ tk¨oz´esek eset´en k´et elemi r´eszecske a le´ır´as kiindul´opontja. Az elektrogyenge illetve er˝os k¨olcs¨onhat´as ismeret´eben pedig sz´am´ıthat´oak a keletkez˝o elemi r´eszecsk´ek. Term´eszetesen kvarkok (vagy gluonok) kelet´ese eset´en itt is kell a k´es˝obbiekben hadroniz´aci´or´ol besz´elni, ´am ezen nagy energi´as r´eszecsk´ek eset´en a perturbat´ıv kvantumsz´ındinamika adta keretek ´es a m´er´esi eredm´enyek (fragment´aci´os f¨ uggv´enyek) megfelel˝o le´ır´ast adnak a folyamatra. Neh´ezion u ¨ tk¨oz´esek eset´en a keletkez˝o plazma nem tekinthet˝o m´ar elemi u ¨ tk¨oz´esek sokas´ag´anak, s hadroniz´aci´oja is jelent˝osen elt´er˝o. Term´eszetesen az energetikus elemi u ¨ tk¨oz´esek itt is megjelenhetnek a magok u ¨ tk¨oz´ese sor´an, ´es az elemi u ¨ tk¨oz´esek jet jelens´egeit is megfigyelhet¨ uk, kiss´e m´odosult form´aban. A keletkez˝o r´eszecsk´ek t¨obbs´ege azonban a kialakul´o er˝osen 4
k¨olcs¨onhat´o plazma gyors u ´ jrahadroniz´aci´oj´ab´ol sz´armazik. A QGP legegyszer˝ ubb hadroniz´aci´os modellcsal´adja a termikus r´eszecskekelt´es, melyben a k¨ol¨ unb¨oz˝o r´eszecsk´ek a statisztikus fizika adta f´azist´ernek megfelel˝o sz´amban keletkeznek. (Az ilyenkor keletkez˝o rezonanci´ak nagy r´esze term´eszetesen m´eg a detekt´al´as el˝ott elbomlik, ´am ez ismert folyamat, k¨onnyen sz´amolhat´o.) A termikus modellekben a legfontosabb param´eter a plazma h˝om´ers´eklete, mely meghat´arozza a keletkez˝o r´eszecsk´ek ar´any´at. A k´emiai potenci´alok ´es gamma faktorok bevezet´es´evel igen j´o kvantitat´ıv le´ır´ast kaphatunk a sokf´ele keletkez˝o r´eszecsk´ek sz´am´ar´ol. A termikus modelleknek azonban t¨obb probl´em´ajuk is van. A modern k´ıs´erletekben m´ar j´ol m´erhet˝oek a keletkez˝o rezonanci´ak is, melyek hozama a termikus j´oslatt´ol jelent˝osen elt´ernek [2]. Valamint probl´ema, hogy a termikus modellek ´altal ny´ ujtott hadroniz´aci´os id˝o jelent˝osen hosszabb, mint a plazma sz´am´ıtott ´elettartama. Legink´abb viszont az elm´elet alapvet˝o korl´atai okoznak manaps´ag probl´em´at, mivel az u ´ jabb illetve ¨osszetettebb r´eszecsprodukci´os mennyis´egket nem lehet a modellen bel¨ ul egyszer˝ uen ´ertelmezni. Ezek k¨oz¨ ul legjelent˝osebbek a r´eszecskekorrel´aci´os m´er´esek, valamint a kvarksz´am sk´al´az´as. A kvark koaleszcencia modellcsal´ad egy a kor´abbi hadroniz´as mechanizmusokt´ol jelent˝osen elt´er˝o megk¨ozel´ıt´esm´oddal rendelkezik. A nukelong´azbeli klaszterk´epz˝od´eshez hasonl´oan [1], a kvakok (´es antikvarkok) k¨oz¨ott hat´o sz´ınes er˝o hat´as´ara ¨osszeragadhatnak hadronokk´a. A modellben a fel¨olt¨oz¨ott kvarkok, mint kv´azir´eszecsk´ek u ¨ tk¨oznek egym´assal a plazm´aban, s l´etrehozhatnak dikvark-, mezon- illetve barionjelleg˝ u ´allapotokat. Ilyen t´ıpus´ u kv´azir´eszecske k´epre ´ep¨ ul˝o modell (p´eld´aul [3]) a (j´oval a modell keletkez´ese ut´an megfigyelt) kvarksz´am sk´al´az´ast alapvet˝oen hordozza, valamint r´eszecskekorrel´aci´os jelens´egekre is lehet k´epes j´oslatot adni. A modellcsal´ad els˝o tagja az ALCOR [3] [4], mely a k¨onny˝ u ´es ritka kvarkokb´ol ´all´o hadornok produkci´oj´art megfelel˝oen volt k´epes le´ırni az aktu´alis SPS adatokon [8]. Az alapvet˝o r´eszecskear´anyokra stabil j´oslatot ad´o modellben a b´ajos szektort is lehet implement´alni [7]. Valamint produkci´o spektrumokkal is fel lehet ruh´azni [6]. Az ALCOR sikerein felbuzdulva t¨obb koaleszcencia alap´ u modell is megjelent. Nem csak SPS, de RHIC energi´akon is megfelel˝o j´oslatokat ´es le´ır´ast k´ın´altal [12] [13]. A MICOR modell [10] [11] a kelekez˝o hadronok impulzuseloszl´as´at strukt´ ur´aj´aban is j´osolni tudta. A koaleszcencia modellek alapjait egy konkr´et p´eld´an (MICOR) kereszt¨ ul mutatom be, majd ezt k¨ovet˝oen t´erek r´a az ´altalam kifejlesztett rezonanica koaleszcencia modellre.
5
3.2.
A MICOR modell
A kvark-gluon plaz´ab´ol keletkez˝o r´eszecsk´ek sz´am´at ´es eloszl´as´at is le´ır´o MICOR modell [10] [11] (MIcroscopic COalescence Rehadronization ´ model, Ujrahadroniz´ al´od´as mikorszk´opikus koaleszcencia modellje) egy kvantummechanika alap´ u koaleszcencia modell. A plazm´aban kialakul´o gluonfelh˝oben mozg´o kvarkok a f´azis´atalakul´as k¨ozel´eben nagy t¨omeg˝ u kv´azir´eszecsk´ekk´ent viselkednek. Effekt´ıv t¨omeg¨ uk a konstituenskvark-t¨omegek nagys´agrendj´ebe esik (mq ≈ 300MeV , ms ≈ 500MeV ). A kv´azir´eszecsk´ek u ¨ tk¨oz´esekor lehet˝os´eg van u ´ j objektumot kelteni (dikvark, diantikvark, premezon), majd ezen u ´ j r´eszecsk´ek u ´ jabb u ¨ tk¨ozsek l´ev´en bonyolultabb strukt´ ur´akk´a is v´alhatnak (prebarion, preantibarion). A tov´abbiakat a premezonok kelt´es´en mutatom be, a m´odszer a t¨obbi strukt´ ur´ara teljesen hasonl´oan megy v´egbe. A MICOR a folyamatot 2 ← 2 reakci´ok´ent kezeli, a q1 kvark a plazm´ab´ol (Q) felvesz egy q2 kvakot, melynek eredm´enyek´ent a k´et v´eg´allapoti egys´eg a h premezon ´es a marad´ek plazma (Q′ ). A keletkez˝o premezon elhagyva a plazm´at (ha sz´ıntelen) hadronn´a v´alik, a sz´ınes objektumok (pl.: dikvark) megmaradnak a plazm´aban. Felt´eve, hogy a felvett kvark hull´amf¨ uggv´enye szepar´alhat´o a plazma t¨obbi r´esz´et˝ol, a Q′ norm´alts´aga miatt elt˝ unik az egyenletekb˝ol. Az u ´ j r´eszecske kelt´es´enek a kvantummechanikai ´atmeneti val´osz´ın˝ us´eget ki kell kisz´am´ıtanunk; a klasszikus kvantummechanika alapj´an az ´atmeneti amplit´ ud´o [14]: ggh = Vg
−Mh 2π
Z
e ∗ (~ d3~x1 d3~x2 Ψ x1 , ~x2 )V (~x1 − ~x2 )φ1 (~x1 )φ2 (~x2 ) ,
(1)
e x ,~ ahol φi (~xi ) a qi kvark hull´amf¨ uggv´enye ´es Ψ(~ 1 x2 ) a premezon (vagy dikvark) hull´amf¨ uggv´eny Mh = mq1 + mq2 t¨omeggel. A V f¨ uggv´eny pedig a Yukawa k¨olcs¨onhat´ast ´ırja le. A MICOR modellben a be´erkez˝o r´eszecske s´ıkhull´amnak, a keletkez˝o pedig gaussosan lokaliz´altnak van felt´etelezve. A kvantummechanik´aban a hull´amf¨ uggv´enyek v´altoztat´asa igen jelent˝osen m´odos´ıthatja a kapott eredm´enyeket, ´am sz´am´ıt´asok szerint a fenti modell ilyen tekintetben igen robusztus. K¨ ul¨onb¨oz˝o hull´amf¨ uggv´enyek eset´en (b´ar elt´er˝o bels˝o param´eterekkel) k¨ozel azonos j´oslatot adnak [94] [95]. A h premezon r´eszecskeprodukci´oja ar´anyos a konstituens kvarkok s˝ ur˝ us´eg´evel ´es a keletkez´esi r´at´aval: h Yprim (h) ∝ n1 n2 hσ12 v12 i
6
(2)
A folyamat hat´askeresztmetszete f¨ ugg a kvarkok impulzus´at´ol, a keletkez´esi r´at´at a f´azist´erre val´o ´atlagol´assal kapjuk meg. h hσ12 v12 i
=
R
d3 p~1 d3 p~2 d3~x1 d3~x2 ρ12 (~x1 , ~x2 )f1 (~x1 , ~p1 )f2 (~x2 , p~2 )σ(k)v12 R d3 p~1 d3 ~p2 d3~x1 d3~x2 ρ12 (~x1 , ~x2 )f1 (~x1 , ~p1 )f2 (~x2 , p~2 )
(3)
Felt´eve, hogy a t´erbeli eloszl´asuk (ρ12 ) azonos, a r´ata csak a kvarkok energiaspektrum´at´ol f¨ ugg. ´Igy a kezdeti kvarks˝ ur˝ us´egek ´es a fenti r´ata ismeret´eben kisz´am´ıthat´o a keletkez˝o hadronok sz´ama. Koaleszcenciamodellekben a keletkez˝o hadronokban megjelen˝o konstrituens kvarkok sz´ama ´es a hadroniz´aci´o el˝ott jelen lev˝o kvarkok sz´ama azonos, ez megszor´ıt´asokat tesz a kezdeti sz´amokra.
3.3.
Rezonanci´ ak
A jelen m´er´esek ´es k´ıs´erleti technik´ak seg´ıts´eg´evel m´ar rekonstru´alhat´oak a hadroniz´aci´o sor´an keletkez˝o k¨ ul¨onb¨oz˝o rezonanc´ak is. M´ıg a term´alis modell eg´esz j´o k¨ozel´ıt´essel k´epes le´ırni a keletkez˝o r´eszecsk´ek hozam´at, a rezonanci´akra adott sz´am´ıt´asok ´es illeszt´esek er˝osen elt´ernek a m´ert ´ert´ekekt˝ol (pl: [2]). A MICOR modell a hadronok k¨oz¨ ul csup´an bizonyos csoportokat tud kelteni: az els˝o gerjesztett mezon oktettet ´es barion dekuplettet [11]. Az alap´allapot´ u hadronok ezek boml´as´ab´ol erednek, m´ıg az enn´el magasabb energi´aj´ u ´allapotok nem kelthet˝oek a modellben. Term´eszetesen megpr´ob´alhatjuk kieg´esz´ıteni a modellt, mely nem v´art probl´em´akhoz vezet. A MICOR-ban a keletkez˝o prehadron t¨omege a kvantummechanikai le´ır´as miatt az ˝ot alkot´o kv´azir´eszecsk´ek t¨omeg´enek ¨osszege, teh´at adott kvark ¨osszet´etel eset´en fix. ´Ily m´odon csakis egyetlen rezonancia (m´egpedig norm´al esetben az els˝o gerjesztett ´allapot) kelthet˝o. Ha a fenti szab´alyt megszegve k´ezzel tenn´enk be az u ´ j rezonanci´ak t¨omeg´et a rendszerbe, akkor a (1) egyenlet ´ertelm´eben a nagy t¨omeg˝ u rezonanci´ak keletkez´es´et prefer´aln´a a folyamat. A nagyobb t¨omeg˝ u rezonanci´akb´ol t¨obb keletkezne, amely egy´ertelm˝ uen ellentmond a k´ıs´erleti megfigyel´eseknek. Ut´obbi elj´ar´asnak rejtett probl´emja, hogy a (m´eg) nem ismert o´ri´asi t¨omeg˝ u rezonanci´ak er˝osen befoly´asoln´ak a modell j´oslatait.
7
4.
Rezonancia koaleszcencia modell
A Rezonancia Koaleszcencia modellel (RCM, Resonance Coalescence Model) [96] egy olyan hadrozniz´aci´ot le´ır´o modellt alapjait k´ıv´antunk l´etrehozni, mely a koaleszcencia modellek el˝onyei mellett a hadronrezonanci´ak teljes spektrum´ahoz hozz´af´er´est ad.
4.1.
Relativisztikus le´ır´ as
Az RCM modellben a fel¨olt¨oz¨ott kvarkok mozg´as´at, u ¨ tk¨oz´eseit a megfelel˝o relativisztikus mechanik´aval ´ırom le. Mivel a rendszer igen nagy h˝om´ers´eklet˝ u (T ≈ 180MeV ) a kv´azir´eszecsk´ek nyugalmi t¨omeg´ehez k´epest, ´ıgy a relativisztikus le´ır´as nem csak m´odszer, hanem szinte k¨ovetelm´eny is. Mindezen t´ ul l´atni fogjuk, hogy a relativisztikus mechanika jelenti a kulcsot a nagy t¨omeg˝ u rezonanci´akhoz, hiszen a kvarkok u ¨ tk¨oz´es´eb˝ol keletkez˝o prehadron nyugalmi t¨omege, a kvarkok n´egyesimpulzus ¨osszeg´enek norm´aja, az impulzusokt´ol f¨ ugg˝oen tetsz˝olegesen nagy ´ert´eket el´erhet. mprehadron = Mqq = kpµq1 + pµq2 k =
q
(E1 + E2 )2 − (p~1 + p~2 )2 .
(4)
Ahogyan a 3.2. fejezetben, itt is el˝osz¨or mezonokon mutatom be a modell m˝ uk¨od´es´et, s k´es˝obb terjesztem ki barionokra. Felt´eve, hogy a hadroniz´aci´os r´egi´oban a kvarkok impulzuseloszl´asa f (mi , p~i ) nem helyf¨ ugg˝o, a keletkez˝o premezon t¨omegspektrum´at (J Q (m)) az al´abbi integr´al adja: Q
J (m) =
Z∞ Z∞ 0 0
d3 p~1 d3 p~2 f (m1 , p~1 )f (m2 , p~2 )δ(m − kpµ1 + pµ2 k) .
(5)
A sz´amol´asok sor´an a kvarkok impulzuseloszl´as´ara a termikus Boltzmann eloszl´as relativisztikus v´altozat´at, a J¨ uttner eloszl´ast haszn´altam. (A modellben lehet˝osg´e van m´as impulzuseloszl´asok haszn´alat´ara is, p´eld´aul a kedvelt Boltzmann- vagy Tsalis eloszl´asok.) fJuttner (m, ~p) = e−
u µ pµ T
= e−
√
p ~2 +m2 T
(6)
A 1. ´abr´an l´athat´o a k¨onny˝ u ´es ritka kvarkot tartalmaz´o premezonok J Q (m) t¨omegspektruma (mq = 300MeV ,ms = 500MeV ´es T = 180MeV eset´en). A t¨omegspektrum z´erus ´ert´ek˝ u az m < mq1 + mq2 tartom´anyon, melyet egy maximum ut´an az impulzuseloszl´as ´altal meghat´arozott k¨ozel exponenci´alisan es˝o farokr´esz k¨ovet. 8
0.002
0.01
J Q (m) [1/MeV]
J Q (m) [1/MeV]
0.001
0.001
0.0001
1e-05
0
1e-06 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0
m [MeV]
500
1000
1500
2000
2500
3000
m [MeV]
1. ´abra. (bal) Premezon t¨omegspektruma k¨onny˝ u kvarkok (u, d) eset´en. (jobb) Premezon t¨omegspektrum logaritmikus sk´al´an qq, qs, ss kvarktartalm´ u premezon eset´en. A nagy t¨omegek fel´e megjelen˝o exponenci´alis elnyom´as k¨ovetkezt´eben a ´ori´asi t¨omeg˝ u rezonanci´ak nem lesznek meghat´aroz´oak, mint a MICOR est´en a 3.3. fejezet v´eg´en eml´ıtett esetben.
9
4.2.
Rezonanci´ ak kiv´ alszt´ asa
A fenti m´odon azonban a premezonokat folytonos t¨omegspektrummal keltett¨ uk, s nem az egyes rezonanci´ak meghat´arozott t¨omeg´en´el. Felvet˝odik a k´erd´es, hogy egy m t¨omeg˝ u, Q kvarktartalm´ u prehadron mekkora osz¨oris val´osz´ın˝ us´eggel v´alhat valamilyen igazi rezonanci´av´a (P(hQ i ; m)). El˝ trivi´alisan k¨ovetelj¨ uk meg, hogy a v´eg´allapoti rezonancia a prehadronnal azonos kvarkatralm´ u legyen. B´ar k´ezzel b´armilyen f¨ uggv´eny belerakhat´o lenne a rendszerbe, nem hagyhatjuk meg a modellben ezt a v´egtelen szabads´agot. Haszn´aljuk a rezonanci´ak term´eszet adta boml´asi sz´eless´eg´et a kelt´es¨ ukn´el is. Az i sorsz´am´ u hQ ammal, mh t¨omeggel, Γi i rezonancia Q kvantumsz´ sz´eless´eggel ´es di degener´aci´oval rendelkezik, melyekb˝ol HiQ (m) spektr´al f¨ uggv´enye meghat´arozhat´o. Illusztr´aci´ok´ent a 2. ´abra mutatja a ritka mezon rezonanci´akat, Gaussos sz´eless´eggel (a Breit-Wigner sz´eless´eggel az ezt k¨ovet˝o ´abr´akon foglalkozom). K3*(1780) K2(1820) K2(1820) K4*(2045)
K*(1680) K2(1770)
K1(1270)
K*(892)
0.1
K1(1400) K*(1410)
qs
H i (m)
K
0.2
0 0
500
1000
1500
2000
m [MeV]
2. ´abra. Ritka kvarkot tartalmaz´o mezon rezonanci´ak spektr´al f¨ uggv´enye Gaussos kisz´elesed´essel. Az m t¨omeg˝ u prehadron minden rendelkez´esre ´all´o azonos kvarktartalm´ u ´allapotba az adott rezonancia spektr´alf¨ uggv´eny´enek m-beli ´ert´ek´evel ar´anyosan ´atl´ephet: HiQ (m) (7) P(hQ ; m) = P Q i Hk (m) k
A 3. ´abr´an l´athat´o neh´eny ritka mezon (Q = qs) (qs) kvarktartalm´ u premezonb´ol val´o keletkez´esi val´osz´ın˝ us´egi g¨orb´eje. A keletkez´esi val´osz´ın˝ us´eg ´altal´aban (nem meglep˝o m´odon) a rezoanci´at¨omegn´el a legmagasabb; a´m 10
ez nem mindig igaz, p´eld´aul mint a 3. ´abr´an is l´athat´o K ∗ (1410) mezon fura strukt´ ur´at kap (ennek oka a nagy sz´eless´eg, valamint a rezonanciat¨omeg k¨ozel´eben elhelyezked˝o m´asik sz˝ ukebb rezonancia jelenl´ete). Ezen t´ ul megfigyelhetj¨ uk, hogy a nagyon sz˝ uk rezonanci´ak (pl.:K) szinte csakis a hadront¨omeg¨ ukkel pontosan megegyez˝o premezonb´ol keletkezhetnek. Mivel a K t¨omeg´en´el a (qs) premezon t¨omegspektrum z´erus ´ıgy am´ ugy sem keletkezhetne direk primer K. Ett˝ol nem szabad megijedni, hiszen a MICOR modellben sem keletkezik primer alap´allapot´ u hadron, csak az els˝o gerjesztett ´allapot. 1
K*(892)
1
K2(1770)
K*(1410)
K*(892)
K2(1770)
0.4
K*(1410)
0.4
0.2
K
0.6
K1(1270)
0.6
K1(1270)
0.8
K
P(hiqs ; m)
0.8
0.2
0
0 0
500
1000
1500
0
2000
m [MeV]
500
1000 1500 m [MeV]
2000
2500
3. a´bra. Ritka mezonok keletkez´esi val´osz´ın˝ us´ege (qs) premezonokb´ol annak t¨omeg´enek f¨ uggv´eny´eben. Fent a Gaussos, lent pedig a Breit-Wigner spektr´alf¨ ugv´ennyel sz´amolva. A keletkez´esi val´osz´ın˝ us´eg a´ltal´aban a rezonanciat¨omegn´el a legmagasabb, ´am sz´eles rezonanci´ak est´en igen fura alakokat kaphatunk (pl.:K ∗ (1410)). ´Igy a fentiek alapj´an a h hadronb´ol primer ennyi keletkezik:
Yprim (hQ i )
∝ n1 n2
Z∞ 0
dm
Z∞ 0
∗ d3 p~ J Q (m) P(hQ p|) . i ; m) σ (Q, m, |~
11
(8)
4.3.
Barionok
A fentiekben mezonok kelt´es´et ´ırtam le, ´am term´eszetesen a modell barionok kelt´es´ere is alkalmas. A MICOR-hoz hasonl´oan nem 3 ← 1 folyamatk´ent, hanem k´et 2 ← 1 folyamat egym´asut´anjak´ent. K´et kvark k´epes dikvarkot alkotni, melyhez egy u ´ jabb kvark csatlakozhat. Fontos figyelembevenni, hogy a dikvark ´allapotok impulzusspektruma o¨sszetett r´eszecsk´ek l´ev´en m´ar nem egyezik az eredeti term´alis kvarkspektrummal (ahogy a premezonok´e sem). ´Igy a (qq) + q ← (qqq) folyamatban keletkez˝o prebarion t¨omegspektruma a k´et kapcsol´od´o objektum invari´ans t¨omege lesz. Term´eszetesen a kapott prebarion t¨omegspektrum h´arom term´alis kvark ¨osszet´etele vagy egy term´alis kvark ´es egy megfelel˝o t¨omegf¨ ugg˝o dikvark impulzusspektrum´ab´ol defin´ıci´o szerint azonos. A 4. a´br´an a k¨onny˝ u premezon (a (qqq) k¨ot¨ott ´allapot) t¨omegspektruma l´athat´o.
J(qqq)(m) [1/MeV]
0.001
0.0005
0 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
m [MeV]
4. a´bra. A (qqq) prebarion t¨omegspektruma. L´athat´oan hasonl´o, mint a premezonok´e a 1. ´abr´an. Az l´etrej¨ov˝o prebarion a´llapotot a tov´abbiakban a premozonokhoz teljesen anal´og m´odon kezelhetj¨ uk: megkeresve a megfelel˝o hadronrezonanc´ak spektr´al f¨ uggv´eny´et, azokb´ol a keletkez´esi val´osz´ın˝ us´egf¨ uggv´enyeket meghat´arozhatjuk. A keletkez˝o primer hadronok sz´am´at pedig a (8) k´eplet anal´ogi´aj´aval kapjuk.
12
4.4.
Hadron v´ eg´ allapotok
Az el˝oz˝o r´eszekben megmutattam a premezonok kelt´es´et ´es a rezonanicakiv´alaszt´as folyamat´at az RCM modellben. A m´erhet˝o hadron v´eg´allapotokkal kapcsolatban azonban felvet˝odik k´et k´erd´es. Hogy lehets´eges, hogy ilyen kev´es (pontosabban nulla) a primer m´erhet˝o r´eszecske, illetve mi t¨ort´enik a prehadron t¨omeggekkel? Az el˝odlegesen keletkez˝o bonyolult rezonanci´ak m´eg a detekt´al´as el˝ott elbomlanak, s csup´an boml´asterm´ekeiket tal´aljuk meg k¨ozvetlen¨ ul a detektorokban. Term´eszetesen elvileg a boml´asterm´ekekb˝ol vissza´all´ıthat´o az eredeti rezonancia. Ezt azonban jelent˝osen megnehez´ıti a neh´ezion¨ utk¨oz´esekkor keletkez˝o rengeteg r´eszecske (kombinatorikus h´att´er), a r´eszecskeazonos´ıt´as probl´em´aja (k¨ ul¨on¨osen a nagy energi´as tartom´anyokon), valamint a keletkez˝o rezonanci´ak keletkez´es ut´ani u ¨ tk¨oz´esei. Szerencs´ere modern k´ıs´erleti technol´ogi´ak ´es technik´ak seg´ıts´eg´evel egyre t¨obb rezonancia keletkez´es´ebe l´athatunk bele, ´am t¨obbnyire csak a kis sz´eless´eg˝ u vagy speci´alis boml´asi csatorn´aj´ uakat tudjuk nagy pontoss´aggal m´erni. Az RCM ´es m´as koaleszcencia modellek m´asik probl´ematikus k´erd´ese a prehadron t¨omegh´ajra val´o juttat´asa. Ez na´ıvan ´ıgy magyar´azhat´o: amikor a prehadron elhagyja a plazm´at, rezonanci´at ”v´alaszt” ´es kil´ep a v´akuumba, m´eg van lehet˝os´ege energi´at (t¨omeget) cser´elni a plazm´ava, a szerint, hogy a kiv´alasztott rezonancia mennyire t´er el a prehadron t¨omeg´et˝ol. Term´eszetesen e folyamtra k¨ozvetlen m´er´esek nem l´etezhetnek, illetve a nem perturbat´ıv tartom´anyban a QCD sem vil´ag´ıthat r´a jobban; ez´ert meghagyom a modell (illetve ezen fenomenol´ogikus le´ır´as) a egyik axi´om´aj´anak.
13
4.5.
B´ ajos szektor
Az RCM modellbe ezeddig csak k¨onny˝ u (u, d) ´es ritka kvarkokat kezelt¨ unk, ´am megvan a lehet˝os´eg, hogy u ´ j ´ızekkel eg´esz´ıts¨ uk ki a modellt. Egy u ´ j ´ız felv´etel´ehez ismer¨ unk kell az ahhoz tartoz´o hadron rezonanci´akat (ezt ismertnek tekintem). Valamint igen fontos az u ´ j kvarknak, mint k´avzir´eszecsk´enek a fel¨olt¨oz¨ott t¨omege, ´es impulzusspektruma. Term´eszetes k´erd´esk´ent vet˝odik fel, hogy a b´ajos kvarkot (charm) lehet-e implement´alni a modellbe, s ha igen, milyen bels˝o param´eterekkel kell azt megtenni. A nyitott ´es z´art b´ajos hadron ´allapotokat ismerj¨ uk, a b´ajos kvark t¨omege pedig 1.29 GeV /c2 , azonban kor´antsem bizonyos, hogy a b´ajos kv´azikvark a plazm´aban ugyanilyen t¨omeggel rendelkezik. 0.005
T = 100 MeV, mc = 1500 MeV T = 180 MeV, mc = 1500 MeV T = 250 MeV, mc = 1500 MeV T = 100 MeV, mc = 1800 MeV T = 180 MeV, mc = 1800 MeV T = 250 MeV, mc = 1800 MeV
Jcc (m) [1/MeV]
0.004
0.003
0.002
0.001
0 2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
m [MeV]
5. a´bra. A (cc) precharmonia k¨ot¨ott ´allapot t¨omegspektruma k¨ ul¨onb¨oz˝o mc b´ajos effekt´ıv t¨omeg ´es h´arom k¨ ul¨onb¨oz˝o h˝om´ers´eklet eset´en. A prehadron t¨omegspektrum´at jelent˝osen befoly´asolja az effekt´ıv kvarkt¨omeg, illetve az impulzusspektrum. Jelen eset´eben felt´etelezz¨ uk, hogy a b´ajos kvarkok is J¨ uttner eloszl´as szerinti impulzusspektrummal rendelkeznek. A 5. ´abr´an l´athat´o a (cc) premezon t¨omegspektruma k´et b´ajos effek´ıv t¨omeg, illetve h´aromf´ele h˝om´ers´eklet eset´en. A charmonia rezonanci´ak (c ´es c k¨ot¨ott ´allapotok, mint a J/ψ vagy az ηc ) spektr´alf¨ uggv´eny eloszl´asa a t¨omegtengelyen jelent˝osen elt´er a k¨onny˝ u ´es ritka rezonanc´akt´ol, j´oval ritk´asabban helyezkednek el, s legk¨onnyebb tagja pont a ≈ 2 · mc t¨omeg k¨or¨ ul van. ´Igy a b´ajos effekt´ıv t¨omeg nagy hat´assal 2 van a 3 GeV /c k¨or¨ uli ´allapotok keletkez´es´ere: ha 2 · mc > mJ/ψ , akkor nem keletkezik primer J/ψ r´eszecske, viszont ha kicsivel nagyobb, akkor igen sok.
14
A 6. ´abr´an l´athat´o p´ar j´ol m´erhet˝o charmonium rezonancia primer ´es teljes keletkez´esi sz´ama a b´ajos effekt´ıv t¨omeg f¨ uggv´eny´eben az RCM modellben. 70
J/psi primary yield J/psi final yield psi(2S) primary yield psi(2S) final yield
dN/dy at mid rapidity
60 50 40 30 20 10 0 1100
1200
1300
1400 1500 1600 charm mass [MeV]
1700
1800
1900
6. a´bra. Az alacsony t¨omeg˝ u charmonia ´allapotok primer ´es teljes keletkez´esi sz´ama jelent˝osen f¨ ugg a b´ajos effekt´ıv t¨omegt˝ol. Az ugr´asok tipikusan egy-egy u ´ j rezonancia f´elt¨omeg´en´el jelennek meg. A magasbb h˝om´ers´eklet˝ u eloszl´asok haszn´alat´aval a b´ajos kvarkokat a ´ mint a 7 a´br´an l´athat´o, a nagyobb t¨omeg˝ u rezonanci´ak fel´e toljuk el. Am boml´asi csatorn´ak annyira feld´ us´ıtj´ak itt is a kis t¨omeg˝ u r´eszecsk´eket, hogy a teljes keletkez´esi sz´amokban ez alig ´erz´ekelhet˝o. J/psi final yield J/psi primary yield psi(2S) final yield psi(2S) primary yield khic1 final yield khic1 primary yield
70
dN/dy at mid rapidity
60 50 40 30 20 10 0 100
120
140
160
180 T [MeV]
200
220
240
7. a´bra. A kis t¨omeg˝ u charmonium rezonanci´ak v´eg´allapoti sz´ama alig f¨ ugg a plazma hadroniz´aci´os h˝om´ers´eklet´et˝ol.
15
A charmonia rezonanci´ak kis t¨omegekn´el l´atott ritk´as strukt´ ur´aja felveti a k´erd´est, hogy a premezonok h´anyad r´esze lesz egy´altal´an k´epes igazi mezonn´a v´alni, miel˝ott u ´ jra sz´etesne az ˝ot alkot´o kvarkokk´a. Kieg´esz´ıthet˝o a modell egy (k´ezzel beletett) v´ag´assal, mely megadja a lehet˝os´eget egy adott t¨omeg˝ u premezonnak, hogy egyik mezon ´allapotot se v´alassza, hanem kvarkokk´a disszoci´alva u ´ j p´art keressen mag´anak. Egy ilyen implement´aci´o eredm´eny´et szeml´eltetem a 8. ´abr´an, ahol a charmonia ´allapotok v´art ´es az eml´ıtett v´ag´assal keletkez˝o sz´amar´any´at l´athatjuk a b´ajos effekt´ıv t¨omeg f¨ uggv´eny´eben. Nagy t¨omegek eset´en, ahol m´ar a t¨omegspektrum cs´ ucsa k¨or¨ ul is el´eg ”s˝ ur˝ u” a charm´onia´allapotok sz´ama visszakapjuk a v´ag´as n´elk¨ uli r´eszecskesz´amot.
charmonia suppression factor
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 1100
1200
1300
1400 1500 1600 charm mass [MeV]
1700
1800
1900
8. ´abra.
4.6.
Rezonanci´ ak ´ es kvark´ allapotok sz´ eless´ ege
A prehadron ´allapotok a plazm´an bel¨ ul az ˝oket k¨or¨ ulvev˝o gluonfelh˝on kereszt¨ ul tov´abbi k¨olcs¨onhat´asba l´ephetnek a plazm´aval. Ez jelentheti az impulzusspektrumok term´alis fel´e val´o eltol´od´as´at, vagy ak´ar energiafelv´etelt ´es lead´ast a plazma ir´any´aba. Ut´obbi megv´altoztathatja a prehadron nyugalmi t¨omeget, mintegy az eredeti eloszl´ast kisz´eles´ıtve. Amikor a prehadron elhagyja a plazm´at hasonl´o folyamat j´atsz´odhat le, a prehadron gluoncser´evel ak´ar t¨omeget is adhat ´at vagy kaphat, hogy a kiv´alasztott rezonancia t¨omeg´ehez k¨ozlebb ker¨ ulj¨on a v´akuumban. A fenti folyamatok a prehadron t¨omegspektrum kisz´elesed´es´et, vagy ak´ar m´asik oldalr´ol megk¨ozel´ıtve a prehadron ´altal ”l´atott” rezonancia spektrum kisz´elesed´es´et jelentheti.
16
Ezen gondolatmenet alapj´an megvizsg´altam, hogy hogyan v´altozna a premezonok rezonancia v´alaszt´asa nulla ´es extr´em nagy t¨omegcsere enged´elyez´es´evel. A 9. ´abra mutatja a v´altoz´ast Gaussos ´es Breit-Wigner alap´ u sz´amol´asok eset´en. 1
1
Probability
0.8
0.8 Gauss, b: 0
Gauss, b: 180
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0 0
500
1000
1500
2000
2500
1
500
1000
1500
2000
2500
1
0.8 Probability
0
0.8 Breit-W, b: 0
Breit-W, b: 180
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0 0
500 1000 1500 2000 Prehadron mass [MeV]
2500
0
500 1000 1500 2000 Prehadron mass [MeV]
2500
9. ´abra. A plazm´aval val´o energia ´es t¨omegcsere hat´asa a effekt´ıv megjelent´esi f¨ uggv´enyekre a ritka mezonok eset´en. L´athat´o, hogy m´eg a h˝om´ers´eklettel megegyez˝o extra kisz´elesed´es sem befoly´asolja jelent˝osen a kinematikailag megengedett tartom´anyon (m > mq + ms ) a rezonanci´ak kiv´alaszt´as´at.
17
4.7.
Impulzusspektrum
KELL EZ IDE ?? Az az ´all´ıt´as, hogy egy a lok´alisan keletkez˝o prehadoronok spektruma a modellb˝ol sz´amolhat´o, azt´an a s˝ ur˝ us´egprofillal s´ ulyozva egy 3dimenzi´os foly´assal meghat´arozhat´o a laborban m´ert spektrum.˝ u Ezzel enn´el t¨obbet nem foglalkoztam, ´ıgy nem sz´ıvesen ´ırn´ek r´ola t¨obbet... :)
4.8.
Kvarksz´ am sk´ al´ az´ as
˝ MEG ´ ´IROK. ERROL A rezonanci´ak hat´as´ara azt v´arn´ank, hogy ”elromlik” a kvaksz´am sk´al´az´as, de sz´epen sz´amolhat´o, hogy csak kicsit s´er¨ ul. Van sz´ep kis t´abl´azatom, azt betehetem ide.
18
r´ esz II
K´ıs´ erleti eszk¨ ozeink 5. 5.1.
Az ALICE k´ıs´ erlet Az LHC k´ıs´ erletei
A K¨oz´epeur´opai R´eszecskefizikai Kutat´ok¨ozpontban (CERN) [17] meg´ep¨ ult Nagy Hadron¨ utk¨oztet˝o (Large Hadron Collider, LHC) [18] t¨obb k´ıs´erletnek is otthont ad. A CMS (Compact Muon Solenoid) ´es az ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) k´ıs´erletek f˝o c´eljai a Higgs r´eszecske keres´ese, tulajdons´againak m´er´ese ´es a standard modellen t´ uli fizika kutat´asa; k¨ ul¨on¨os figyelmet ford´ıtva a szuperszimmatria (SUSY) ´es az extra dimenzi´os elm´eletek fel´e. Az LHCb nev˝ u k´ıs´erlet a standard modell param´etereinek prec´ızi´os vizsg´alat´aval foglalkozik, mellyel a standard modellen t´ uli elm´eletek fel´e vezethetik a fizikai vil´agk´ep¨ unket. A neh´ezion u ¨ tk¨oz´esekre specializ´al´odott ALICE (A Large Ion Collider Experiment, Egy Nagy Ion¨ utk¨oztet˝o K´ıs´erlet) a kvark-gluon-plazma vizsg´alat´ara lett tervezve. A n´egy nagy k´ıs´erlet mellett t¨obb kisebben is v´egeznek kutat´asokat, t¨obbnyire az eloresz´or´asi r´egi´oban. Ilyen t¨obbek k¨oz¨ott a magyar ´erdekelts´eggel is rendelkez˝o TOTEM k´ıs´erlet, mely s CMS mellett foglal helyet a nyal´abcs˝o k¨ozevetlen k¨ozel´eben. Az ATLAS melletti (Point 1) LHCf (LHC Forward), mely asztorfizikai alapm´er´esekehez gy˝ ujt adatot. Valamint a legfiatalabb, a MoEDAL k´ıs´erlet (Monopole and Exotics Detector At the LHC, Monop´olus ´es egzotikus dolgok deolgok detektora az LHC-n´el) pedig (az LHCb mellett, Point 8) els˝odlegesen m´agneses monop´olusokat keres ´es er˝osen ioniz´al´o ismeretlen r´eszecsk´eket keres.
5.2.
Az ALICE detektorrendszere
Az ALICE (A Large Ion Collider Experiment, Egy Nagy Ion¨ utk¨oztet˝o K´ıs´erlet) [19] egy speci´alisan a neh´ezion-¨ utk¨oz´esek vizsg´alat´ara tervezett detektor. A neh´ezion-¨ utk¨oz´esek sor´an igen sok r´eszecske keletkezik, k¨ ul¨on¨osen LHC energi´akon (kb. k´etezer rapidit´asonk´ent [20]), melyek nagy ´ ezek mellett a k¨ozepes r´esze a kis impulzus´ u tartom´anyba tartozik. Am energiatartom´any vizsg´alata a hadroniz´aci´os mechannizmusok meg´ert´es´ehez vihet k¨ozelebb minket; m´ıg a nagy impulzus´ u tartom´any a jetek, s k¨ozvetve 19
10. a´bra. Az ALICE k´ıs´erlet detektorrendszer´enek rajza. L´atszik rajta a hagymah´ej szer˝ u szerkezet, (be¨ ulr˝ol haladva) ITS, TPC, TOF, TRD detektorok, valamint a HMPID es PHOS is a m´agnesen bel¨ ul, s a MuonArm a k¨ozelebbi oldalon. A m´eretar´anyok ´erz´ekeltet´ese kedv´e´ert k´et emberi alak is van az el˝ot´erben [19]. a forr´o plazma tulajdons´agait t¨ ukr¨ozik. Az ALICE detektorrendszer´er˝ol k´esz¨ ult rajz a 10. ´abr´an l´athat´o. Az ALICE k´ıs´erletben, a szok´asos m´odon, a r´eszecsk´ek momentum´anak m´er´ese a p´aly´ak m´agneses t´erben val´o g¨orb¨ ulet´eb˝ol sz´amolhat´o. Az LEP L3 k´ıs´erlet m´agnes´et haszn´aljuk az ALICE-ban, mellyel 0.5 T esla m´agneses teret ´all´ıtanak el˝o. Az ALICE centr´alis detektorai mind ezen ´ori´as m´agnesen bel¨ ul helyezkednek el. Au ¨ tk¨oz´esi pontot m´as LHC k´ıs´erletekhez hasonl´oan kiv´al´o helyfelbont´as´ u szilikon alap´ u f´elvezet˝o detektorokkal vett´ek k¨orbe. Ezen bels˝o nyomk¨ovet˝o rendszer (ITS - Inner Tracking System) els˝osorban a vertex megkeres´es´eben j´atszik szerepet, valamint a gyorsan boml´o r´eszecsk´ek rekonstruci´oj´an´al is igen fontos. A nyomk¨ovet˝o szerepet is bet¨olt˝o rendszer b´ar kev´es pontb´ol tud csak dolgozni, az els˝o u ¨ tk¨oz´esekb˝ol sz¨ uletett r´eszecskeproduci´os ALICE cikk alapinform´aci´oit adta [21]. Az ITS h´arom hengeres r´etegb˝ol ´all: a szilikon pont-, drit- ´es cs´ık detektorokb´ol (SPD - Silicon Pixel Detector, SDD - Silicon Drift Detector, SSD - Silicon Strip Detector). Az ALICE legfontosabb detektora a k¨ozponti id˝okivet´ıt˝o kamra (TPC - Time Projection Chamber) [29]. A t¨olt¨ott r´eszecsk´ek h´aromdimenzi´os nyomk¨ovet´es´evel a m´agneses t´er seg´ıts´eg´evel meghat´arozhat´o a r´eszecsk´ek impulzusa (k¨or¨ ulbel¨ ul 2% pontoss´aggal). Az ak´ar t¨obb sz´az pontot
20
tartalmaz´o nyomokban a leadott energia m´er´es´evel a Bethe-Bloch ?? formula seg´ıts´eg´evel a sebess´eg meghat´arozhat´o, ´ıgy a r´eszecskeazonos´ıt´as is lehet˝ov´e v´alik (kb. 3 GeV/c impulzusig). A TPC-ben az energialed´as relativisztikus emelked´es´eb˝ol sz´armaz´o t¨obblet kihaszn´al´as´aval statisztikusan b´ar, de a nagyon nagy impulzus´ u tartom´anyban is lehet r´eszecskeazonos´ıt´ast v´egezni. Az ALICE TPC ¨ot m´eter ´atm´er˝oj˝ u ´es ugyanilyen hossz´ u (hengeres elrendez´es˝ u), mellyel a jelenleg l´etez˝o legnagyobb TPC t´ıpus´ u detektor a F¨old¨on. A rengeteg inform´aci´ot biztos´ıt´o TPC egy relat´ıve lass´ u detektor, az elektronok transzportj´ahoz ´es a kamra kiolvas´as´ahoz 88ms [29] sz¨ uks´eges; ez az oka annak, hogy a Higgs r´eszecsk´et u ¨ ld¨oz˝o k´ıs´erletek a nagy luminozit´as el´er´ese miatt nem is haszn´alnak ilyen t´ıpus´ u detektort. A r´eszecskeazonos´ıt´ashoz kiv´al´o inform´aci´o a r´eszecsk´ek sebess´ege is, melyet a rep¨ ul´esi id˝ot m´er˝o detektor (TOF - Time Of Flight) szolg´altat 50ps-os id˝ofelbont´assal. Ezen MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber) techol´ogi´aj´ u kamr´ak seg´ıts´eg´evel nem csak nagyobb impulzusokig tudunk m´erni, hanem az alacsonyabb ´ert´ekekn´el is pontos´ıtja az eredm´enyt a kombin´alt rekonstrukci´o. A k¨ozel 150 n´egyzetm´eter o¨sszfel¨ ulet˝ u detektorrendszer is hengeresen helyezkedik el a k¨ozponti r´esz k¨or¨ ul. A sorban ezt k¨ovet˝o ´atmeneti sug´arz´asi detektor (TRD - Transision Radiation Detector) [23] els˝odleges feladata az elektronok megtal´al´asa. Az ´atmeneti sug´arz´as jelens´eg´et haszn´alja ki, ´ıgy az elektronok 1 GeV/c-t˝ol m´ar sug´aroznak, m´ıg a legk¨onnyebb hadornok (pionok) sug´arz´asa 100 GeV/c alatt elhanyagolhat´o. Az sug´arz´as kis val´osz´ın˝ us´eg˝ u (1/137) ´ıgy a sok k¨ozeghat´arra van sz¨ uks´eg, melyhez habtechnol´ogi´at alkalmaztak. A sug´arz´o k¨ozeget egy soksz´alas kamra k¨oveti, mely a (sug´arz´as okozta) t¨olt´est¨obbleten t´ ul a r´eszecskep´aly´akhoz tartoz´o u ´ j pontok poz´ıci´oit is m´eri. A TRD k´epes L1 szint˝ u triggereket gener´alni, p´eld´aul az elektronban d´ us mint´akban v´arhat´o charmoniumra illetve nagy energi´as jetekre (lok´alis rekonstrukci´oval). Az ALICE detektorrendszer´enek alapjait az 1990-es ´evekben kezd´et megtervezni. A r´eszecskefizikai kutat´asok az´ota u ´ jabb ´erdekes ir´anyzatokat is megvil´ag´ıtottak, ´ıgy az ALICE k´ıs´erletbe is t¨obb u ´ j detektor ker¨ ult az´ota. Ezek ´altal´aban nem fedik a teljes hengeres tartom´anyt, csak egy r´esz´et ´es igen speci´alis r´eszecsk´eket keresnek. A Nagy Impulzus´ u R´eszecskeazonos´ıt´o Detektor (HMPID - High Momentum Particle Identification Detector) [56] egy gy˝ ur˝ uform´al´o Cserenkov detektor (RICH - Ring Imaging CHerenkov detector). Feladata a 3-5 GeV/c impulzus´ u r´eszecsk´ek egyenk´enti azonos´ıt´asa. A k¨ozel 15 m2 akt´ıv fe¨ ulet˝ u detektor kamr´ai egy g¨ombh´ejszer˝ u fel¨ ulet ment´en helyezkednek el az u ¨ tk¨oz´esi pont feletti r´eszben. Sug´arz´o k¨ozegk´ent perfluorhex´ant (C6 F14 ) haszn´alnak, m´ıg a fotonok detekt´al´as´ast c´eziumjodiddal (CsI) bor´ıtott soksz´alas kamra v´egzi. 21
Az eredeti ALICE ¨ossze´all´ıt´asban nem szerepeltek kalorim´eterek, a´m k´es˝obb term´eszetesen kieg´esz¨ ult a rendszer. A nagyenergi´as fotonokat a Foton Spektrom´eter (PHOS - PHOton Spectrometer) detekt´alja. A direkt fotonok m´er´ese valamint a semleges r´eszecsk´ekt˝ol s boml´asterm´ekeikt˝ol val´o megk¨ ul¨onb¨oztet´ese (π 0 , η) kiv´al´o energia ´es helyfelbont´ast ig´enyel. Az o´lom¨ uveg kalorim´etert k¨ovet˝o soksz´alas kamr´aval a t¨olt¨ott r´eszecsk´eket k´ıv´anj´ak kisz˝ urni. A PHOS a k¨oz´eprapidit´as tartom´anyban foglal helyet az u ¨ tk¨oz´esi pont alatt. A m´asik ut´olag beker¨ ult kalorim´eter egy elektrom´agneses (EMCAL ElectroMagnetic CALorimeter), mely a nagy energi´as elektronok, fotonok ´es jetek azonos´ıt´as´an dolgozik. A Higgs-keres´egben igen n´epszer˝ u m¨ uon kamr´ak az ALICE-n´al kiszorultak a m´agnesen bel¨ uli sz˝ uk t´erb˝ol, s csup´an az egyik oldalon tal´alhatunk egy m¨ uon spektrom´etert (MS - Muon Spectrometer). Dim¨ uonos boml´asok keres´es´ere (p´eld´aul Υ eset´en) ´es rekonstrukci´oj´ara szolg´al. A m´agnest˝ol ´es a k¨ozponti detektorokt´ol t´avol, ´am a nyal´abcs˝oh¨oz k¨ozel helyezkednek el az u ¨ tk¨oz´esek megt¨ort´ent´et ´es centralit´as´at figyel˝o detektorok (FMD - Forward Muliplicity Detector, V0, T0). Val´odi u ¨ tk¨oz´esek eset´en az el˝oresz´or´od´o r´eszecsk´ek seg´ıts´eg´evel jeleznek a k¨ozponti rendszernek, s L0 triggert is szolg´altatnak. Az esem´enyek el˝ov´alogat´as´at speci´alis terigger rendszerrel v´egzik. Ennek seg´ıts´eg´evel lehet˝os´eg ny´ılik a ritka ´am ´erdekes esem´enyek sz´am´anak feld´ us´ıt´as´ara az elmentett mint´aban. Neh´ezion u ¨ tk¨oz´esek eset´en a tervezett u ¨ tz¨os´esi sz´am 8000, ´am ez 2 GB/s ki´ır´asi sebess´eggel is csak 20 esem´eny m´asodpercenk´ent a nagy adatmennyis´eg miatt (kb. 100 MB/esem´eny t¨om¨or´ıtve, melynek legnagyobb r´esz´et a TPC adja). Az ALICE-ban t¨obb szint˝ u trigger jeleket k¨ ul¨onb¨oztetnek meg: L0,L1,L2; ezeket a k¨ozponti trigger processzor (CTP - Central Trigger Processor) fogadja, dolzozza fel, s tov´abb´ıtja. A triggerek hozz´avet˝oleges jelent´ese rendre: L0 - u ¨ tk¨oz´es t¨ort´ent, L1 - ´erdekes u ¨ tk¨oz´es, L2 - kiolvas´asra ´erdemes u ¨ tk¨oz´es. Ezen hardverk¨ozeli triggereken fel¨ ul m´eg van egy magasabb szint˝ u is (HLT - High Level Trigger), mely a kiolvasott adatok el˝orekonstrikci´oja alapj´an ´ıt´el. A detektork adatkommunik´aci´oja egy egys´eges rendszerben, a Detektor Adat Linken (DDL - Detector Data Link) kereszt¨ ul t¨ort´enik. Ez egy optikai ¨osszek¨ottet´est ad a detektorok ´es az adatgy˝ ujt˝o sz´am´ıt´og´epek k¨oz¨ott, sug´arbiztos ´es bithiba-v´edett m´odon. A DDL rendszert az (kor´abbi) RMKI munkat´arasi fejlesztett´ek ki az ALICE sz´am´ara, s m´ara m´ar t¨obb helyen is haszn´alj´an (pl: NA61 k´ıs´erlet CERN).
22
6.
A VHMPID detektor
Az ALICE k´ıs´erletet, az u ´ j fizikai eredm´enyek f´eny´eben, u ´ j detektorokkal tervezik kieg´esz´ıteni illetve tov´abbfejleszteni. Az ALICE szerkezeti fel´ep´ıt´es´eb˝ol is l´athat´o, hogy bizonyos detektorok j´oval a kezdeti tervez´es ut´an ker¨ ultek a k´ıs´erlethez; erre j´o p´elda az el˝obb eml´ıtett HMPID ´es PHOS detektorok. A Nagyon Nagy Impulzus´ u R´eszecskeazonos´ıt´o Detektor (VHMPID, Very High Momentum Paricle Identification Detector) egyike az ALICE u ´ jonnan tervezett kieg´esz´ıt˝o detektorainak. A projekt jelenleg az ”ALICE R&D”, azaz kutat´as-fejleszt´esi st´atuszba tartozik. Az ut´obbi ´evek munk´aj´anak k¨osz¨onhet˝oen egy (minen apr´os´agot ugyan nem tartalmaz´o, de) a detektor c´eljait ´es kivitelez´esi terveit is tartalmaz´o dokumnetum [?] is o¨ssze´allt, mely ”Letter of Intent”-k´ent beny´ ujt´asra ker¨ ult az ALICE-hoz.
6.1.
A VHMPID fizikai c´ eljai
A VHMPID f˝o c´elja az ALICE kiv´al´o r´eszecskeazonos´ıt´asi k´epess´eg´et a nagy impulzus´ u r´egi´ora kiterjeszteni: Pionok, kaonok es protonok esem´enyszint˝ u megk¨ ul¨omb¨oztet´ese az 5-30 GeV/c impulzustartom´anyban. B´ar term´eszetesnek t˝ unne egy kalorim´eter elhelyez´ese a megl´ev˝o nyomk¨ovet˝o detektorok ut´an, az L3 m´agnesen bel¨ ul nincs el´eg hely egy megfelel˝o HCal kialak´ıt´as´ara, ´ıgy sz¨ uletett meg a d¨ont´ese egy RICH detektor tervez´ese mellett. Az esem´enyenk´enti r´eszecskeazonos´ıt´assal a nagy impulzus´ u r´egi´oban t¨obb ´erdekes t´em´at is lehet majd vizsg´alni, a legjelent˝osebbek ezek k¨oz¨ ul: • Elm´eleti r´eszecskeprodukci´os mechanizmusok vizsg´alata, a termikus, koaleszcenci´as ´es perturbat´ıv r´egi´ok sz´etv´alaszt´asa. • A RHIC-n´el megfigyelt proton-pion anom´alia meg´ert´ese LHC energi´akon. • Fragment´aci´os f¨ uggv´eny vizsg´alata er˝osen k¨olcs¨onhat´o anyagban. • Nagyenergi´as azons´ıtott r´eszecsk´ek korrel´aci´oja. • Jetek energiavesztes´eg´enek ´ızf¨ ugg´ese. • Nagy impulzus´ u rezonanci´ak rekonstrukci´oja. • D,B mezonok, valamint Λc , Λb barionok rekonstrukci´oja nagy impulzusn´al. 23
A VHMPID detektor ALICE k´ıs´erleten bel¨ uli t´erbeli elhelyezked´es´enek k¨osz¨onhet˝oen kiv´al´oan m´erhet˝o korrel´aci´okra is lesz lehet˝oseg¨ unk. Nem csak a VHMPID-ben m´ert r´eszecsk´ekkel egym´as k¨oz¨ott, de az a´tellenesen elhelyezked˝o HMPID illetve a VHMPID mellett helyet foglal´o PHOS detektorral k¨oz¨osen is. • Jeten bel¨ uli barion-antibarion, barion-mezon korrel´aci´ok. • Di-, illetve multi-hadron fragment´aci´os f¨ uggv´enyek m´er´ese. • Away-side hadron-hadron korrel´aci´ok, jetelnyom´as (HMPID). • Near-side hadron-foton korrel´aci´ok (PHOS). • Away-side hadron-jet, hadron-foton korrel´aci´ok (EMCal). • Jetek energiaveszt´esi mechanizmus´anak fel¨ uleti/t´erfogati o¨sszet´etele.
24
6.2.
VHMPID fel´ ep´ıt´ ese
A VHMPID detektor egy g´azt¨olt´es˝ u Cserenkov detektor, mely az 5-30 GeV/c impulzustartom´anyban k´ıv´anja megk¨ ul¨omb¨oztetni a pinokat, kaonokat ´es protonokat [?],[100],[101],[102]. Ilyen nagy energi´as r´eszecsk´ehez igen kis t¨or´esmut´oj´ u Cserenkov sug´arz´o k¨ozeget kell alkalmazni, amelyben ´ıgy a relat´ıv fotonsz´am is igen alacsony (≈ (1 − n−2 ) ∼ (n − 1)). Ezen okn´al fogva a sug´arz´o k¨ozegnek hossz´ unak kell lennie, jelen eseben ez 60-100 cm k¨or¨ ul van (az intervallumszer˝ u megjelen´es oka a egyed modulk k¨ ul¨onb¨oz˝o m´erete, valamint a diz´ajn ´es a lehet˝os´egek id˝obeli v´altoz´asa).
11. a´bra. A VHMPID detektor v´azlatos rajza. A t¨olt¨ott r´eszecske a radi´ator g´azon ´athaladva Cserenkov fotonkat kelt, melyeket a t¨ ukr¨ok a szemk¨ozti oldalon l´ev˝o fotondetektor fel¨ ulet´ere egy gy˝ ur˝ uv´e k´epezik. Az el¨ uls˝o p´ar r´eteg az L1 szint˝ u triggerel´esre szolg´al´o g´azt¨olt´es˝ u kamr´akat jel¨oli. ´ Erthet˝ o teh´at, hogy a folyad´ek illetve szil´ard sug´arz´okn´al megszokott[56] radi´atort k¨ovet˝o ”¨ ures” szakaszra nincs hely, ´ıgy a hossz´ u u ´ t sor´an keltett fotonok a radi´ator v´eg´en´el egy k¨orlapra k´epz˝odnek, nem egy gy˝ ur˝ ure. Egy k¨orlap sugar´anak m´er´ese sokkal pontatlanabb, mint egy gy˝ ur˝ u´e, ´ıgy 25
egy optikai tr¨ ukkel a Cserekov-fotonkat visszat¨ ukr¨ozz¨ uk a radi´ator m´asik v´eg´ere, u ´ gy, hogy k´ep¨ ul ism´et gy˝ ur˝ ut kapjunk. Ezt g¨omb illetve parabola t¨ ukr¨okkel ´erhetj¨ uk el, ahol a f´okuszt´avols´ag megk¨ozel´ıt˝oleg azonos a radi´ator hossz´aval [?]. A radi´ator t¨ uk¨orrel szemk¨ozti oldal´an kell a poz´ıci´o´erz´ekeny fotondetektort elhelyezni. Ezen ¨ossze´all´ıt´as egy egyszer´ us´ıtett rajz´at lathatjuk a 11 ´abr´an. 6.2.1.
Fotonok detekt´ al´ asa ´ es produkci´ oja
Fotondetek´al´asra a klasszikusnak mondhat´o foto-elektron szokszoroz´o (PM, Photo-Elektron-Multiplier) nem haszn´alhat´o jelen esetben. Egyr´eszt a t¨obb t´ız n´egyzetm´eternyi fel¨ ulet lefed´ese irre´alisan dr´aga lenne, valamint az ALICE er˝os m´agneses ter´eben ezen eszk¨oz¨ok nem m˝ uk¨odn´enek megfelel˝oen. A PM-ek modern f´elvezet˝o v´altozat´at, az APD-ket (lavina-foton-detektor, Avalanche Photon Detector) b´ar a m´agneses t´erben m˝ uk¨odnek, nagy fel¨ uletet beter´ıteni vel¨ uk m´eg dr´ag´abb lenne. A VHMPID-n´el g´azt¨olt´es˝ u fotondetektort fogunk haszn´alni: alapelk´epzel´es szerint a HMPID-hez hasonl´oan egy CsI (c´eziom-jodid) bor´ıt´as´ u soksz´alas proporcion´alis kamr´at [56]. A detekt´al´as alapelve igen egyszer˝ u: a foton a CsI-b´ol ki¨ ut egy elektront, s ezt az elektront m´ar g´azt¨olt´es˝ u kamr´aval detekt´alhatjuk. A CsI kvantumhat´asfoka igen magas a k´ıv´ant UV hull´amhossztartom´anyban (160-200 nm), ez´ert szokt´ak ezt az anyagot haszn´alni az ilyen t´ıpus´ u detektorokhoz [54]. Sajnos a CsI fel¨ ulet igen ´erz´ekeny a k¨ornyezet v´ız ´es oxig´en tartalm´ara, ´ıgy a munk´alatokat megnehez´ıti, hogy nem ´erintkezhet leveg˝ovel; az ilyen detektorokat, detekorelemeket folyamatosan lass´ u ´araml´as´ u tiszta g´az alatt szokt´ak tartani. A egyetlen elektron detek´al´as´an´al t¨obb probl´em´aba is bele¨ utk¨oz¨ unk, melyeket a ??. ´es a 12. fejezetben r´eszletesebben kifejtek. B´ar a CsI bor´ıt´as´ u soksz´alas kamra egy kiv´al´o ´es m˝ uk¨od¨ok´epes detektor, a VHMPID Kollabor´aci´o nyitott az alternat´ıv megold´asok fel´e is. Hasonl´o elven, mint a fenti, m´as g´azt¨olt´es˝ u detektorok is alkalmasak lehetnek fotondetekt´al´asra. A Kollabor´aci´oban foly´o kutat´asi-fejleszt´esi munk´ak sor´an m´as alternat´ıv´akat is kipr´ob´alhattunk. (l´asd: 12. fejezet, valamint [61]). A VHMPID sz´am´ara ´erdekes impulzustartom´any vizsg´alat´ahoz g´azradi´ator sz¨ uks´eges, aholis a g´azok k¨oz¨ott ez egy relat´ıv magas t¨or´esmutat´ot ig´enyel. A sug´arz´o k¨ozegnek term´eszetesen a´tl´atsz´onak kell lennie a detekt´al´asi hull´amhosszon. Jelenleg a Kollabor´aci´oban k´et radi´ator jel¨olt van: C4 F10 ´es a cC4 F8 O. A fotonok g´azban megtett igen hossz´ u u ´ tja miatt a radi´ator g´az tisztas´aga (v´ız ´es oxig´en tartalom) igen kritikus az alacsony hull´amhossz´ u ´etereszt˝ok´epess´eg miatt, ´ıgy a n´eh´any 26
ppm szinten kell tartani [?] A radi´atorb´ol ´es a fotondetektorba ´at kell jutniuk a fotonoknak, ez´ert a kett˝o k¨oz¨ott speci´alis ablakot kell haszn´alni. A kvarc¨ uveg ´es a k´alcium-fluorid (CaF2 ) a k´et alapvet˝o lehet˝os´eg, aholis a d¨ont´est a visszaver˝od´es, elnyel´es ´es ´ar egy¨ uttes optimuma adja majd. A VHMPID egy megval´os´ıt´asi terv´eben szerepel az impulzustartom´any alacsonyabb impulzusok fel´e val´o eltol´asa, melyhez nagyobb t¨or´esmutat´ora lesz/lenne sz¨ uks´eg. Ezt a nyom´as emel´es´evel lehet p´eld´aul el´erni amikoris a fotonsz´am is megemelkedik, ´am a mechanikai param´eterek sokkal jelent˝osebbek lesznek. Egy 2-3 bar nyom´as alatt l´ev˝o radi´atorb´ol ak´ar r¨ovidebb is el´eg lenne, a mechanikai merev´ıt´es alapvet˝oen a´tk¨ot˝oelemekkel ´es er˝os´ıtett fallal megoldhat´o. Az ablak k´erd´ese a hasonl´o nyom´asterhel´es miatt u ´ jra el˝oker¨ ulne, s ez esetben val´osz´ın˝ u zaf´ır ablakra lenne sz¨ uks´eg. A projekt ilyen ir´any´ u, ink´abb inform´aci´ogy˝ ujt´es jelleg˝ u, kutat´as-fejleszt´esi munk´ai a 2012-es jelentek meg.
27
7.
HPTD detektor
A VHMPID detektor csak a nagy impulzus´ u r´eszecsk´eket tartalmaz´o esem´enyekben ´erdekelt, amik term´eszet¨ ukn´el fogva ritk´an keletkeznek. Valamint a VHMPID nem fedi le a teljes t´ersz¨oget, csup´an az ALICE TPC 12%-´at, ´ıgy m´eg ritk´abb, hogy a keletkez˝o nagy pT -s r´eszecske a VHMPID ir´any´aba halad. Az ´ert´ekes esem´enyek feld´ us´ıt´as´ara haszn´alt trigger rendszert az ALICE-ban ez´ert k´ıv´anatos egy, a VHMPID ig´enyeire specializ´alt berendez´essel kieg´esz´ıteni. Ezen u ´ j trigger rendszert˝ol minim´alis elv´ar´as, hogy az ´olom-´olom u ¨ tk¨oz´esekben a VHMPID ir´any´aba halad´o nagy impulzus´ u r´eszecsk´ek eset´en jelezzen legal´abb ”Alice-L1”[24] trigger szinten. Az ALICE-ban tervezett triggerel´esi ´es adatr¨ogz´ıt´esi strukt´ ur´at m´ar bemutattam az 5.2. fejezetben. Ebb˝ol jelen esetben a neh´ezion u ¨ tk¨oz´esi gyakoris´ag (8000Hz) valamint az adatr¨ogz´ıt´esi frekvencia (≈ 20Hz centr´alis u ¨ tk¨oz´esekben) a legfontosabb. L´athat´o, hogy a leg´erdekesebb centr´alis u ¨ tk¨oz´esekn´el (a 10%-os centralit´as eset´en, melyre tudunk triggerelni) egy ×40-es faktort nyerhet a VHMPID a megfelel˝o trigger rendszerrel. Proton-proton u ¨ tk¨oz´esekben a viszonylag kev´es (10-100) r´eszecskesz´am k¨ovetkezt´eben k´ıv´anatos lenne egy els˝odleges triggerel´es ”Alice L0” trigger szinten, hogy els˝osz˝ urj¨ unk azon esem´enyekre, melyekben a VHMPID ir´any´aba mentek r´eszecsk´ek. A VHMPID trigger rendszer´enek t¨obb kandid´atja is megjelent a tervez´es ´evei sor´an: P´alyadarabokat lehet keresni a TRD detektorral, mely k´epes ezekb˝ol ´ a TRD alapvet˝o kimeneti triggerei nem L1 szint˝ u triggert el˝o´all´ıtani. Am a nagy impulzus´ u p´aly´ak keres´ese vannak optimaliz´alva, s mindezid´aig a detektor nem v´allalta fel ezt a feladatot, s nem t´erk´epezt´ek fel egy ilyen trigger megval´os´ıthat´os´ag´at, s param´etereit. Tov´abbi probl´ema lehet, hogy az ALICE jelen ´allapot´aban (2013-as ´ev) a TRD detektoroknak csak egy r´esze k´esz¨ ult el ´es lett beszerelve az ALICE k´ıs´erletbe; a VHMPID el´e ker¨ ul˝ok m´eg nem. (Term´eszetesen tervben van a tov´abbi detektorok be´ep´ıt´ese is a nagy le´all´as ut´an.) A jetek geomeri´aj´anak (´atellenes kirep¨ ul´es, back-to-back)) k¨osz¨onhet˝oen felmer¨ ult az ¨otlet, hogy lehet-e triggerelni a VHMPID-del k¨ozel a´tellenesen elhelyezked˝o elektrom´agneses kalorim´aterre (EMCal, l´asd 5.2. fejezet). A kalorim´eter gyors jelei kiv´al´oak triggernek, valamint jeteket ´es nagy energi´as fotonokat is j´ol lehetne m´erni vele. LHC energi´akon az bels˝o momentumok (intrinsic kT ) azonban m´ar jelent˝osen elt´er´ıthetik a jetek ir´any´at, mely probl´em´at jelent. Valamint az ´atellenes elrendez´es nem pontosan azt a triggert jelenten´e, melyre a VHMPID-nek (mind fizikai, mind technikai 28
oldalr´ol) sz¨ uks´ege van. A k´erd´es szimul´aci´os u ´ ton t¨ort´en˝o vizsg´alata meghozta a kvantitat´ıv eredm´enyeket, s kider¨ ult, hogy egy ilyen t´ıpus´ u trigger nem el´egs´eges a VHMPID sz´am´ara. Az optim´alis az lenne, ha a VHMPID detektornak lenne egy speci´alisan erre a c´elra ´ep¨ ul˝o trigger detektora; ekkor annak minden param´etere hozz´ailleszthet˝o lenne a VHMPID celjaihoz. A ”Nagy Impulzus´ u Trigger Detektor” (HPTD, High PT Trigger Detector) pontosan ez a detektor kandid´at. Az ALICE-Budapest csoport v´allalta a HPTD detektor tervez´es´et, kifejleszt´es´et, szimul´aci´oit, tesztjeit ´es ig´eny eset´en meg´ep´ıt´es´et is.
7.1.
HPTD fel´ ep´ıt´ ese
A HPTD detektor a VHMPID dedik´alt trigger ´es kieg´esz´ıt˝o detektora lesz. Az els˝odlegesen L1 triggerel´es c´elj´ab´ol tervezett detektor id˝ovel k´et u ´j feladatot is elv´allalt-´atv´allalt. Nevesen a proton-proton u ¨ tk¨oz´esekben az L0 szint˝ u triggerel´est, valamint a ”MIP detekt´al´ast”. Ez ut´obbi az a´thalad´o r´eszecske pontos hely´enek maghat´aroz´as´at jelenti, mely a p´aly´ak ´es gy˝ ur˝ uk pontos rekonstrukci´oja szempontj´ab´ol n´elk¨ ul¨ozhetetlen. A szokv´anyos ”MIP detktor” elnevez´es a ”Minimum Ionozing Particle” (Mimin´alisan ioniz´al´o r´eszecske, a Bethe-Block g¨orbe glob´alis minimuma) n´evre utal, azt mutatja, hogy a detektor m´eg ezeket a r´eszecsk´eket is k´epes ´eszlelni.
12. ´abra. Sematikus rajz a g¨orb¨ ul˝o r´eszecskep´aly´akr´ol az ALICE-ban. Az L1 ´es L0 alrendszerek a nagy traszverz impulzus´ u r´eszecsk´eket hivatottak kisz˝ urni, melyhez az ALICE m´agneses ter´et haszn´alj´ak. Az ALICE m´agneses ter´eben a r´eszecsk´ek transzverz impulzusukt´ol f¨ ugg˝oen g¨orb¨ ult p´aly´an haladnak, s ´ıgy a VHMPID detektort az els˝odleges r´eszecsk´ek nem z´erus sz¨og alatt ´erik. A p´alyadarab bees´esi sz¨oge ´es a r´eszecske impulzusa egy´ertelm˝ uen meghat´arozz´ak egym´ast. 29
40
L1 c.L0 L1 MIP L1 L1 c.L0
40 45
135 mm
A HPTD egy t¨obb r´etegb˝ol ´all´o detektorrendszer, melyet 5+5 r´etegnyi j´o helyfelbont´as´ u g´azt¨olt´es˝ u detektor alkot. Az esem´enyenk´enti nagy r´eszecskesz´ams˝ ur˝ us´eg miatt a nyomvonalak sz´etv´alaszt´as´ahoz t¨obb r´eteget kell haszn´alni, a kis elt´er¨ ul´eseket pedig (nagy impulzus) t´avol lev˝o r´etegek k´epesek legjobban sz˝ urni. ´Igy a VHMPID el˝ott ´es m¨og¨ott 4+4 r´etegnyi poz´ıci´o´erz´ekeny detektorr´eteg szolg´al majd az L1-es c´elokra. Ezek k¨oz¨ ul 1+1 r´etegben nagym´eret˝ u szuperparkett´ak be´ep´ıtett hardveres logik´aval adj´ak majd a gyors L0 szin˝ u triggert proton-proton u ¨ tk¨oz´esekben. (Term´eszetesen proton-proton u ¨ tk¨oz´esekben is lesz L1 szint˝ u trigger is, a k´et rendszer logikailag f¨ uggetlen egym´ast´ol). A MIP detekt´al´ashoz 1+1 plussz r´eteggel kellett kieg´esz´ıteni a fenti rendszert, hogy (az L0,L1 eset´en kev´esb´e l´enyeges) nyal´ab-ir´anyban is megfelel˝o felbont´ast kapjunk. (Term´eszetesen lehetne a 4+4 r´eteg k¨oz¨ ul p´arat ell´atni k´etdimenzi´oban is pontos felbont´as´ u parkettastrukt´ urval, a´m ez a m´odszer l´enyegesen k¨olts´egesebb lenne mint a fent v´azolt.)
40
L1 c.L0 L1 MIP L1 L1 c.L0
40 45
135 mm
RICH 532 mm
13. ´abra. A HPTD detektor r´etegeinek elhelyezked´ese. 4+4 r´eteg szolg´al az L1 szit˝ u trigger c´elokhoz Pb-Pb u ¨ tk¨oz´esekben. 1+1 elfogatott es 1+1 L1 r´eteg lesz felel˝os a MIP detekt´al´as´ert. ”c.L0” jel¨oli az p-p u ¨ tk¨oz´esekben az L0-kandik´at r´etegeket, melyekb˝ol a legjobb kombin´aci´ot a szimul´aci´o fogja eld¨onteni. A piros r´esz a detektorokat, a k´ek az elektronik´akat jel¨oli.
30
7.2.
L1 trigger
Az ALICE m´agneses ter´eben a t¨olt¨ott r´eszecsk´ek helix alak´ u p´aly´an haladnak, s transzverz impulzusuk inverze ar´anyos a p´alya vet¨ ulet´enek g¨orb¨ ulet´evel. A VHMPID t´avol helyezkedik el az u ¨ tk¨oz´esi pontt´ol (4 − 5m), ´ıgy az els˝odleges p´aly´ak a m´agneses t´er miatt nem mer˝olegesen ´erkeznek. A p´alyadarab bees´esi sz¨oge ´es a r´eszecske impulzusa egy´ertelm˝ uen meghat´arozz´ak egym´ast. Az ´altal´anos k´epletet ´erdemes a szokv´anyos m´ert´ekegys´egekbe v´altani. p=Q·R·B
(9)
p[GeV /c] = 0.3 · R[m] · B[T ]
(10)
Az R sugar´ u ´ıven halad´o r´eszecske a d t´avols´agra l´ev˝o s´ıkot α = arcsin(d/2R)
(11)
bees´esi sz¨ogben ´eri. A nagy impulzus´ u r´eszecsk´ek kiv´alogat´as´ahoz teh´at el´eg a kis bees´esi sz¨og˝ u p´alyadarabokat megkeresn¨ unk. A p´alyadarabok megtal´al´as´ahoz a HPTD-ben n´eh´any r´eteg g´azt¨olt´es˝ u detektort haszn´alunk. A g¨orb¨ ul´es ir´any´aban (φ ir´any) fontos a j´o helyfelbont´as, hogy minn´el pontsabban meg tudjuk hat´arozni a bees´esi sz¨oget. A nyal´ab ir´any´aban (η ir´any) val´o felbont´as csup´an a p´alyavonalak sz´etv´alaszt´asa miatt fonots; u ´ gy v´alasztand´o meg, hogy kicsi legyen a detektor bet¨olt¨otts´ege, ´ıgy η ir´anyban a p´ar centim´eteres felbont´as is elegend˝o lesz. A neh´ezion¨ utk¨oz´esekben keletkez˝o t¨obb ezernyi r´eszecske miatt azonban a p´alyadarabok rekonstrukci´oj´an´al igen nagy a h´att´er. A val´odi nagy impulzus´ u r´eszecsk´eket ´eszrevenni k¨onny˝ u (ha j´o hat´asfok´ u a detektorunk), ´am gyakori, hogy m´as jeleket is nagyimpulzus´ u r´eszecskek´ent azonos´ıtunk. A legjelent˝osebb forr´as a kombinatorikus h´att´er, melyn´el t¨obb r´eszecske a´ltal hagyott nyomokban v´eletlen¨ ul megjelenik a kis sz¨og˝ u bees´esnek megfelel˝o mint´azat is [64]. A m´asik fontos forr´as a boml´asokt´ol ´es a m´asodlagos r´eszecsk´ekt˝ol ered, amikoris a detektor el˝ott keltett u ´ j r´eszecsk´ek val´oban kis bees´esi sz¨og˝ uek, ´am csak le´anyr´eszecsk´ek. Az igen jelent˝os h´atteret cs¨okkenteni lehet, ha a VHMPID el˝ott ´es m¨og¨ott is elhelyez¨ unk trigger r´etegeket. Ezzel nem csup´an a r´etegek sz´am´anak n¨oveked´es´eb˝ol ad´od´oan cs¨okkenthetj¨ uk a kombinatorikus h´atteret, hanem a megjeln˝o nagy t´avols´ag miatt a kis energi´as m´asodlagos r´eszecsk´ek sz˝ ur´es´et nagyban el˝oseg´ıti. Az ´ıgy l´etrej¨ott bonyolultabb geometri´aban ´erdemes bevezetni a ”mint´azat” (pattern) fogalm´at, mint a detektorban megjelen˝o bin´aris jelek 31
14. ´abra. P´elda egyr´eszecsk´es mint´azatra (pattern) a 4+4 r´etegnyi L1 kamr´akban. t¨ombje, mint v´alasz valamely esem´enyre. Legegyszer˝ ubb form´aja az egyetlen r´eszecsk´ere adott mint´azat (mint p´eld´aul a 14. ´abr´an). ´Ily m´odon a nagyimpulzus´ u r´eszecsk´ek keres´ese mint´azatok keres´es´ere egyszer˝ us¨odik. A HPTD detektor adatgy˝ ujt´es´et, s a mint´azatok keres´es´et FPGA v´egzi. Az ALICE-Budapest csoportban el˝osz¨or Lipusz Csaba fizikus foglalkozott ezzel a t´em´aval, s demonstr´alta, hogy a mint´azatkeres´es bonyolults´aga nem haladja meg a piacon l´ev˝o FPGA csal´adok kapacit´as´at. Jelenleg Melegh Hunor ´es Monostori Bal´azs villamosm´ern¨ok hallagt´ok dolgoznak k¨ozrem˝ uk¨od´esemmel a HPTD-FPGA kommunik´aci´os probl´em´ain ´es implement´aci´oj´an [?] [66]. A keresend˝o nagy impulzus´ u mint´azatokat szimul´aci´oval lehet legegyszer˝ ubben el˝oall´ıtani. Az ALICE k´ıs´erlet, m´as k´ıs´erletekhez hasonl´oan, kialak´ıtott egy meta-programot, melyben a k´ıs´erlet elemeit, szimul´aci´os ´es anal´ızishez n´elk¨ ul¨ozhetetlen r´eszeit egyes´ıti. Ezen C++ alap´ u ROOT [67] csomagra ´ep¨ ul˝o ALIROOT [68] k¨ornyezetben v´egezt¨ uk a szimul´aci´okat. El˝osz¨or implement´alni kellett az ALIROOT-ba ´agyazott GEANT [69] [70] k¨ornyezetben a detektorr´etegeket a tanulm´anyozni k´ıv´ant pontos geometri´aval. (Az ALICE t¨obbi detektor´at ´es mechanikai elemeit, illetve a vel¨ ul val´o k¨olcs¨onhat´ast az ALIROOT k¨ornyezet m´ar kezelni tudta.) Majd az u ¨ tk¨oz´esi pontb´ol kil˝ott egyetlen r´eszecsk´ek (ParticleGun) a´ltal adott mint´azathalmazokat kell legener´alni, melyb˝ol adott transzverz´alis impulzushoz illetve impulzustartom´anyhoz tartoz´o mint´azathalmazok egy´ertelm˝ uen ad´odnak. Amennyiben a detektor m´eretei radi´alisan n¨ovekednek, u ´ gy egy adott transzverz impulzushoz tartoz´o mint´azathalmaz eltol´asinvari´ans lesz a detektoron. Szoftveres ´es FPGA szempontb´ol ez igen nagy el˝ony, hardveresen pedig egyszer˝ u sk´al´az´assal megoldhat´o, ez´ert a HPTD-n´el ezt a kivitelez´est haszn´aljuk. Ezut´an megkaphatjuk a triggerelni v´agyott impulzustartom´any (pT > 9GeV /c) mintahalmaz´at, melynek elemeit 32
majd az igazi u ¨ tk¨oz´esek adatain keresni kell. Praktikus a nagyon ritk´an el˝ofordul´o mint´azatokat, illetve a kisebb impulzus´ uakkal nagyr´eszt a´tfed˝oket kisz˝ urni a fenti halmazb´ol; ez ugyan a hat´asfok cs¨okken´es´evel j´ar, azonban hib´astrigger-sz˝ ur˝o ereje igen jelent˝os lehet. Egy ilyen jelleg˝ u szimul´aci´o azonnal k´epes megmondani az impulzusv´ag´as ´eless´eg´et, a v´arhat´o triggerel´esi hat´asfokot ´es als´o becsl´est adni a trigger tisztas´ag´ara. Ehhez csup´an az egyr´eszecske mint´akon kell futtatni egy mintakeres´est a v´alasztott halmazzal, s ismerni az u ¨ tk¨oz´esekben keletkez˝o r´eszecsk´ek impulzuseloszl´as´at. A fenti egyszer˝ u mintakeres´es megadja v´ag´as pontoss´ag´at. Az eloszl´assal megszorozva pedig a hat´asfok ´es a f´elredetekt´al´as gyakoris´aga is megadhat´o. A trigger tisztas´ag´at a fenti m´odon csak alulr´ol lehet becs¨ ulni, ´ıgy igazi Pb-Pb u ¨ tk¨oz´esek szimul´aci´oin is le kell futtatni a mint´azatkeres´est, hogy ezt a kritikus param´etert pontosan ismerhess¨ uk. A fenti szimul´aci´os munk´akat a csoportban Boldizs´ar L´aszl´o ´es Fut´o Endre v´egezte, k¨ ul¨on¨os tekintettel a k¨ ul¨onb¨oz˝o detektorfelbont´asok ´es geomertiai elhelyez´es eset´en adott eredm´enyek ¨osszehasonl´ıt´as´ara (eredm´enyeik [64] ´es [103] egyes r´eszeiben ker¨ ultek publik´al´asra).
7.3.
L0 trigger
Az ALICE k´ıs´erletben a proton-proton u ¨ tk¨oz´esek gyakoris´aga (100kHz) messze fel¨ ulm´ ulja a neh´ezionok´et (8kHz). Egy p-p u ¨ tk¨oz´esben l´enyegesen kevesebb adat is keletkezik (≈ 3MB), ´ıgy az adatr¨ogz´ıt´es is t¨obb u ¨ tk¨oz´est enged ki´ırni (∼ 1kHz). A fenti L1 szint˝ u trigger a kor´abban m´ar L0-k´ent elfogadott triggerek k¨oz¨ ul tud v´alogatni, az alapj´an, hogy melyikben volt nagy impulzus´ u r´eszecske a VHMPID ir´any´aban. Proton-proton eset´en azonban az L0 is egy igen er˝os sz˝ ur´est jelent az esem´enyeken. A VHMPID szempontj´ab´ol k´ıv´anatos lenne, ha azon esem´enyek kapn´anak prioris´at, melyekeben nagyobb az es´ely arra, hogy legyen a VHMPID ir´any´aban nagy impulzus´ u r´eszecske. Az L0 igen gyors (600ns) d¨ont´est ig´enyel (5.2. fejezet, valamint [24]), ez´ert nem lenne lehet˝os´eg illetve id˝o az L1-n´el bemutatott m´odszerrel prec´ız m´odon mint´azatokat keresni. Mivel azonban p-p u ¨ tk¨oz´esekben a keletkez˝o r´eszecsk´ek sz´ama is alacsony, ´ıgy m´ar az is fontos inform´aci´oval b´ır, hogy volt-e egy´altal´an r´eszecske a VHMPID ir´any´aban. Valamint ezen valamilyen alacsony impulzusv´ag´ast el lehet ´erni, az tov´abb er˝os´ıti ezt a triggert. Nagy m´eret˝ u szuperparkett´akat felt´etelezve egyszer˝ u hardveres logik´aval kivitelezhet˝o egy, b´ar alacsony impulzusv´ag´as´ u, de gyors tigger. K´et egym´as alatt elhelyezked˝o kamr´an kialak´ıtva a szuperparkett´akat (tipikusan 20-60
33
mm sz´eles φ ir´anyban) vizsg´alhatjuk a pont/k¨ozel egym´as alatti parkett´ak koincicenci´aj´at.
15. a´bra. N´egy k¨ol¨ unb¨oz˝o szuperparketta m´eret eset´en l´athatjuk a szimul´aci´o ´altal adott hat´asfokot ´es trigger tisztas´agot k¨ol¨ unb¨oz˝o r´etegp´arok est´en Sona Pochybova munk´aja alapj´an [62]. A r´etegek t´avols´aga ´es a szuperparketta m´erete hat´arozza meg a k´ıv´ant impulzusv´ag´ast. Az L1 eset´en bemutatott m´odszeremhez hasonl´oan itt is egyr´eszecske mint´azatokkal k¨onny˝ u megn´ezni a hat´asfok ´es tisztas´ag als´o becsl´es´et (mely itt igen k¨ozel esik a val´odihoz, mivel kev´es r´eszecske keletkezik egy u ¨ tk¨oz´esben). Szimul´aci´o seg´ıts´eg´evel optimaliz´alhat´o a k´et kiv´alaszott r´eteg helye ´es a szuperparkett´ak m´erete, ennek els˝o tanulm´anyait Sona Pochybova v´egezte [62]. B´ar az ´ıgy kapott triggerben a nagy impulzus´ u r´eszecsk´ek kevesen lesznek, jelent˝osen megn¨oveli az es´elyt, hogy az L1 trigger tal´aljon megfelel˝o r´eszecsk´et az L0 ´altal kiv´alasztott esem´enyek k¨oz¨ott. A szuperparkett´akat a HPTD-ben sz´alcsoportok kialak´ıt´as´aval ´erj¨ uk el, err˝ol r´eszletesebben a 10.7. fejezetben lesz sz´o.
7.4.
MIP detekt´ al´ as
Az ´athalad´o t¨olt¨ott r´eszecsk´ek hely´enek pontos detekt´al´asa igen fontos. Egyr´eszt egy u ´ j, az u ¨ tk¨oz´est˝ol t´avoli pontot adnak a r´eszecske u ´ tj´ahoz, mely seg´ıti az ALICE-on bel¨ uli glob´alis p´alyameghat´aroz´as pontos´ıt´as´at. Azonban els˝osorban a VHMPID sz´am´ara szolg´al fontos inform´aci´oval, mivel 34
az alacsonyabb impulzustartom´anzban (5−15GeV /c) a protonokat az alapj´an azonos´ıtjuk, hogy nem keltettek Cserenkov-gy˝ ur˝ ut, s ehhez igazolni kell, hogy a r´eszecske ´athaladt a detektoron. Harmadr´eszt pedig a pontos p´alya seg´ıts´eg´evel ismert lesz a gy˝ ur˝ u v´art alakj´anak torzul´asa, ´ıgy cs¨okkentve a r´eszecskeazonos´ıthat´as bizonytalans´ag´at. (B´ar a t¨ uk¨or k¨ozel azonos helyre f´okusz´alja a k¨ ul¨onb¨oz˝o helyen be´erkez˝o r´eszecsk´ek ´altal keltett gy˝ ur˝ uket, a be´erkez´esi sz¨og kiss´e eltolja a keletkez˝o k´epet.) A HMPID-ben a detektor teljes akt´ıv fel¨ ulet´en volt MIP ´es foton detekt´al´as ugyanazon kamr´akkal, anal´og kiolvas´as´ u elektronik´aval ell´atott 8.4 × 8.0mm2 m´eret˝ u parkett´akon [56]. Erre sz¨ uks´eg is volt, hiszen a gy˝ ur˝ uk - a VHMPID-del ellent´etben - a detektoron b´arhol megjelenhettek. A VHMPID eset´en a TPC-b˝ol extrapol´alt p´alya meger˝os´ıt´es´ehez a ≈ 1cm-es felbont´as is el´egs´eges, m´ıg a rekonstrukci´ohoz is m´ar a ≈ 2 − 5mm felbont´as elegend˝o. Mivel az L1 kamr´ak φ ir´any´ u felbont´asa b˝oven fel¨ ulm´ ulja a k´ıv´ant ´ert´eket, ´ıgy elegend˝o 1+1 kamr´aval a m´asik ir´anyban is megkeresni a r´eszecsk´ek hely´et. Term´eszetesen lehets´eges lenne egy, a HMPID-hez hasonl´o, k´et dimenzi´oban kicsiny parkett´akkal lefedett detektor be´ep´ıt´ese, a´m ezzel az elektronikai csatorn´ak sz´ama, s ´ıgy a k¨olts´egek is, drasztikusan megn˝on´enek.
16. a´bra. V´azlatos ´abra a projekt´ıv geometri´ar´ol. (bal) Egy r´eszecske ´athalad´asakor mindk´et r´etegen 1-1 parketta sz´olal meg, (k¨oz´eps˝o) ebb˝ol a k´et dimenzi´os adat rekonstru´alhat´o. (Jobb) p´elda, hogy h´arom r´eszecske eset´en nem egy´ertelm˝ u, hogy a kilenc pontb´ol mely h´armat kell v´alasztani. Jelen tervek szerint a MIP kamr´ak az L1-es kamr´akhoz hasonl´oan lesznek parkett´azva, ´am a finom felbont´as´ u r´esz nem φ, hanem η ir´anyba lesz ´ ford´ıtva. Igy az L1-es kamr´akkal egy¨ utt ad´od´o projekt´ıv geometri´ab´ol term´eszetesen nagy bet¨olt¨otts´eg eset´en a t¨obb r´eszecske ´altal keltett be¨ ut´esek eset´en bizonytalans´agok lehetnek (N r´eszecske egy szektorban N × N ponot hat´aroz meg). Az eddigi ALICE adatok alapj´an a VHMPID hely´en n´egyzetm´eterenk´ent 4-5 r´eszecske ´erkezik centr´alis Pb-Pb u ¨ tk¨oz´esenk´ent. ´Igy 2 2 egy MIP-szektorra (50 × 50mm − 100 × 100mm ) ´atlagosan maximum 0.05, teh´at a t¨obbsz¨or¨os be¨ ut´esek okozta bizonytalans´ag elhanyagolhat´o, teh´at elegend˝o a fenti projekt´ıv (´es olcs´o) elrendez´es megval´os´ıt´asa. 35
8.
G´ azt¨ olt´ es˝ u detektorok
Az el˝oz˝o fejezetekben ismertetett VHMPID ´es HPTD mindegyike a g´azt¨olt´es˝ u detektorok technol´ogi´aj´an alapulnak. A HPTD detektor r´etegienek kis anyagmennyis´eg˝ u, p´ar mm felbont´as´ u, k¨olts´eghat´ekony t¨olt¨ott r´eszecske detektoroknak kell lenni¨ uk. M´ıg a VHMPID eset´en nagy fel¨ uleten kell megoldani az egyedi fotonok (pontosabban fotoelektronok) detekt´al´as´at. A g´azt¨olt´es˝ u detektorok els˝osorban ioniz´al´o sug´arz´as m´er´es´ere szolg´alnak, legfontosabb a t¨olt¨ott r´eszecsk´ek p´aly´aj´anak m´er´ese. Az ioniz´aci´o hat´as´ara a t¨olt˝og´az atomjair´ol centim´eterenk´ent leszakad´o nagys´agrendileg sz´az elektront a kamr´aban kialak´ıtott nagy t´erer˝oss´eggel sokszorozva kapunk elektromos jelet az elektr´od´akon. A g´azt´eren ´athalad´o t¨olt¨ott r´eszecsk´ek ioniz´aci´oval leadott ´atlagos energ´aj´at a Bethe-Bloch formula ´ırja le [25] : dE 2πNz 2 e4 Z 1 2mc2 β 2 EM = ln − 2β dx mc2 A β 2 I 2 (1 − β 2 )
!
(12)
ahol Z ´es A az anyag rend- ´es t¨omegsz´ama, m ´es e az elektron t¨omege ´es t¨olt´ese, z · e ´es β · c az ioniz´al´o r´eszecske t¨olt´ese illetve sebess´ege, EM a kinematikialag megengedett maxim´alisan ´atadhat´o energia. Az eloszl´as a kezdeti v12 -es es´es ut´an egy minimumon ´at lassan emelkedik (”relativistic rise”) egy plat´oig (melyet a k¨ozeg hat´aroz meg). A fenti g¨orbe legm´elyebb pontj´at minim´alisan ioniz´al´o r´eszecsk´enek (MIP, minimum ionozing particle) nevezik; ´altal´aban ehhez k´epest viszony´ıtj´ak a mennyis´egeket a detektortechnik´aban. Az energialead´as val´oj´aban elemi u ¨ tk¨oz´esek sorozat´ab´ol a´ll, MIP-n´el g´azok eset´en ez nagys´agrendileg 10-30 u ¨ tk¨oz´es centim´eterenk´ent (l´egk¨ori nyom´ason). Az ´ıgy felszabadul´o nagyobb energi´as primer elektronok u ´ jabb elektronokat szabad´ıthatnak fel a k¨ozelben, ´ıgy k¨or¨ ulbel¨ ul o¨sszesen 40-100 darab elektron-ion p´ar keletkezik centim´eterenk´ent. Pontos sz´amuk a haszn´alt g´azt´ol f¨ ugg [25]; s kever´ekek eset´en a megfelel˝o s´ ulyozott a´tlaggal sz´amolhat´o. Fix ´athalad´o r´eszecske eset´en (tov´abbiakban tekints¨ unk alapesetben mindig egy MIP-et) a leadott energia eloszl´as´at a foton abszorpci´os ioniz´aci´os modell (PAI, photon absorption ionization) [28] j´ol visszaadja; valamint a Landau eloszl´as is j´ol k¨ozel´ıti. A fentiekb˝ol is l´atszik, hogy a g´azt¨olt´es˝ u detektorokban a keletkez˝o t¨olt´eshordoz´ok sz´ama t´ ul kev´es a detekt´al´ashoz, hiszen a jelenlegi prec´ız er˝os´ıt˝o ´aramk¨or¨ok zaj´anak nagys´agrendj´ebe esik. A keletkezett elektronok g´azt´erbeli sokszoroz´as´ahoz nagy t´erer˝oss´eget ´all´ıtanak el˝o a detektorban. Az egyes elektronok a nagy t´erer˝oss´eg hat´as´ara u ´ jra ioniz´alva a g´azt u ´ jabb elektronokat kelthetnek, ´ıgy ind´ıtva meg egy lavin´at. Az ioniz´aci´os 36
szabad u ´ thossz inverz´et szokt´ak els˝o Townsend koefficiensnek h´ıvni, mely megmutatja, hogy (adott reduk´alt t´erer˝oss´eg mellett) centim´eterenk´ent h´any u ´ j elektron-ion p´ar keletkezik a g´azban. A folyamat egy kritikus t´erer˝oss´eg´ert´ek f¨ol¨ott jelentkezik, amikor az elektron g´azbeli a´tlagos szabad u ´ thossza alatt felvett energia megegyezik a g´az ioniz´aci´os potenci´alj´aval. Ekkor az eredeti ioniz´aci´o ´altal keltett elektronok szinte f¨ uggetlen¨ ul keltenek lavin´akat, melyek m´erete az alkalmazott fesz¨ ults´eggel n˝o, m´ıg a teljes jel a kezdeti leadott energi´aval ar´anyos lesz. Ez a proporcion´alis u ¨ zemm´od, mely a leggyakrabban haszn´alat a k´ıs´erleti r´eszecskefizik´aban. Egy bizonyos er˝os´ıt´es felett a jel elveszti ar´anyos mivolt´at, a limit´alt proporcion´alis illetve limit´alt Geiger m´odban a keletkez˝o nagy jelek m´ar nem alkalmasak dE/dx m´er´esre. M´eg tov´abb n¨ovelve a fesz¨ ults´eget a Geiger plat´on kereszt¨ ul a folytonos kis¨ ul´esi tartom´anyba jutunk. A t¨olt˝og´az ´altal´aban nemes´ag´az alap´ u, mivel ekkor az a´thalad´o r´eszecske ´altal leadott energia nem tud egy´eb forg´asi ´es rezg´esi m´odusokba konvert´al´odni, s az elektrongerjeszt´es lesz a domin´ans. A lavin´ak fejl˝od´esekor azonban a keletkez˝o gerjeszt´esek vissza´all´asa miatt er˝os fotonkibocs´ajt´ast figyelhet¨ unk meg. Ezen UV fotonok a detektor anyag´at alkot´o elektromos konfigur´aci´ohoz n´elk¨ ul¨ozhetetlen f´emfel¨ uletekb˝ol (vagy a g´azmolekul´akb´ol) u ´j elektronokat szabad´ıthatnak fel, melyek u ´ jabb lavin´at ind´ıtva egy pozit´ıvan visszacsatolt kis¨ ul´est eredm´enyezhetnek. Ez az oka, hogy a nemezg´azon t´ ul kiolt´o g´azokat (quencher gas) szoktak keverni az alapg´azhoz, melyek ´altal´aban t¨obbatomos (gyakran szerves) molekul´ak, melyek a nemezg´az gerjeszt´esi vonalain´al nagy hat´askeresztmetszet˝ uek. Ezen kiolt´o g´azok, ´es g´azkever´ekek kiv´alaszt´asa a konkr´et megoldand´o feladatt´ol, optimaliz´aci´ot´ol f¨ ugg (diff´ uzi´o, sodr´od´asi fesz¨ ults´eg, sz´als´ık t´avols´aga, lavina m´erete,...). A szerves kiolt´o adal´elkok (illetve szennyez˝od´esek) sajnos mell´ekhat´ask´ent a lavin´akban l´etrej¨ov˝o nagy energis˝ ur˝ us´eg maitt polimeriz´al´odhatnak ´es ki¨ ulhetnek a f´emfel¨ uletelre, ezzel ¨oreg´ıtve a kamr´at.
8.1.
Soksz´ alas proporcion´ alis kamr´ ak
A g´azt¨olt´es˝ u kamr´ak egyik m´elt´an legismertebb t´ıpusa a szoksz´alas proporcion´alis kamra (MWPC, mulitwire proportional chamber) [27] mely´ert George Charpak-ot 1992-ben Nobel d´ıjjal is kit¨ untett´ek [31]. A klasszikus soksz´alas kamr´aban k´et p´arhuzamos vezet˝o lemez k¨oz¨otti k¨oz´eps˝o s´ıkban egym´assal is p´arhuzamos v´akony vezet˝o sz´alak helyezkednek el (a kat´odlapok, illetve a sz´alak t´avols´aga a n´eh´any millim´eter - centim´eter nagys´agrendj´ebe esik). A sz´alakra pozit´ıv potenci´alt kapcsolva a g´azt´eren ´athalad´o r´eszecske ´altal keltett elektronok a sz´alakt´ol messzi kialakul´o homog´en t´erben a sz´alak fel´e sodr´odnak. A v´ekony sz´alak k¨ozel´eben kialakul´o nagy t´erer˝oss´eg hat´as´ara 37
pedig megt¨ort´enik a sokszoroz´as.
17. ´abra. Soksz´alas kamr´aban kialakul´o t´erer˝oss´eg ´es ekvipotenci´alis vonalak a kamra k¨ozep´en. A sz´amok a relat´ıv potenci´alt mutatj´ak. L´athat´o, hogy egy sz´al elmozdul´as´aval hogyan v´altozik a t´erkonfigur´aci´o. [26] A sz´alak k¨or¨ ul kialakul´o teret mutatja a 17. ´abra [26]. A kamra kat´odlapokhoz k¨ozelebbi r´esz´eben a t´er homog´ennek tekinthet˝o. A hengeres elrendez´es˝ u proporcion´alis cs˝oh¨oz hasonl´oan a t´erer˝oss´eg gyorsan n˝o a sz´al k¨ozel´eben: CV 1 E(r) = (13) 2πǫ0 r ahol V az alkalmazott fesz¨ ults´eg ´es C a detektor hosszegys´egenk´enti kapacit´asa, mely egy klasszikus soksz´alas kamra eset´en : C=
πl s
2πǫ0 − ln 2πa s
(14)
ahol l a sz´als´ık ´es a kat´od t´avols´aga ´es s a sz´alak t´avols´aga. A soksz´alas kamr´akban haszn´alatos g´azer˝os´ıt´es (egy lavina ´atlagos m´erete) 103 − 106 k¨oz¨ott szokott lenni, a konkr´et feladatt´ol ´es a haszn´alt elektronik´at´ol f¨ ugg˝oen ´erdemes be´all´ıtani. Az elektr´od´akon keletkez˝o jel az elektromos t´erben mozg´o t¨olt´esekb˝ol ad´odik. Mivel az elektronok nagy t¨obbs´ege a sz´alhoz nagyon k¨ozel keletkezik, (szabad u ´ thosszank´ent fele-fele) ´ıgy a jel nagy r´esz´et az ionok szolg´altatj´ak (egy¨ uttesen eG/lC lenne lavin´ank´ent). A megsz´olal´o sz´al jel´enek kiolvas´as´ab´ol ad´od´o egy dimenzi´os helyfelbont´as ´ term´eszetesen b˝ov´ıthet˝o. Altal´ aban az egyik kat´odot parkett´akra osztj´ak, s a rajtuk megjelen˝o kapacit´ıven csatolt jel szolg´altatja a k´etdimenzi´os inform´aci´ot. A lavina egy eg´esz parkettacsoportot megsz´olaltat maga alatt, 38
melyeken a jel m´er´es´evel a parketta m´eret´en´el jelent˝osen jobb helyfelbont´as ´erhet˝o el [32]. A soksz´alas kamr´akn´al a dE/dx pontos m´er´es´ehez fontos, hogy az er˝os´ıt´es a kamra fel¨ ulet´en minden¨ utt azonos (vagy m´erhet˝o ´es kalibr´alhat´o) legyen. Mint a (14) k´eplet is mutatja, a mechanikai param´eterek pontoss´aga igen fontos, ´ıgy a soksz´alas kamr´ak gyakran nagy fesz´ıt˝okeretekkel [30] ´erik el a sz¨ uks´eges 10µm nagys´agrend˝ u mechanikai pontoss´agot.
8.2.
Id˝ oprojekci´ os ´ es drift kamr´ ak
A soksz´alas kamr´akban a jel id˝oinform´aci´oj´ab´ol az eredeti elektron sz´alt´ol val´o t´avols´ag´ara lehet k¨ovetkeztetni, ezzek is n¨ovelve a helyfelbont´ast ??. Az ilyen sodr´od´asi kamr´ak (Drift Chamber) ´altal´aban bonyolult sz´al- ´es egy´eb vezet˝o strukt´ ur´akkal pr´ob´alj´ak az elektromos teret k¨ozel egyenletess´e tenni a ritk´an elhelyezked˝o ´erz´ekeny sz´alak k¨oz¨ott. A soksz´alas kamr´ak k´ın´alta k´etdimenzi´os r´eszecskedetekt´al´as kiterjeszthet˝o h´aromdimenzi´oss´a. Az id˝oprojekci´os kamr´akban (TPC, Time Projection Chamber) a nagy g´azt´eren ´athalad´o r´eszecske a p´aly´aja ment´en iozniz´alja a g´azt, s a keletkez˝o elektronokat homog´en elektromos t´errel egy soksz´alas kamr´ahoz vezetve azokat ott detekt´aljuk. Az id˝oinform´aci´ot is kiolvasva (a driftsebess´eg ismeret´eben) megmondhat´o, hogy milyen t´avolr´ol ´erkezett az adott lavin´ahoz tartoz´o elektronfelh˝o. A TPC kiv´al´o a nagy p´alyas˝ ur˝ us´eg˝ u ´es m´ers´ekelten nagy frekvenci´aj´ u m´er´esekhez, ´ıgy igen kedvelt neh´ezionfizikai m´er´esekben is, mint p´eld´aul az LHC ALICE [29] vagy az SPS NA61/SHINE [33] k´ıs´erletekben.
8.3.
Mikrostrukt´ ur´ as g´ azdetektorok
Az ¨otvenes ´evek ´ota igen elterjedten haszn´alt ´es fejlesztett soksz´alas technol´ogia mellett az ut´obbi ´evekben megjelentek a u ´ n. mikrostukt´ ur´as g´azdetektorok is. Bizonyos ter¨ uleteken m´ar most is felveszik a versenyt a klasszikus technol´ogi´akkal, s kutat´asuk ´es fejleszt´es¨ uk jelenleg is igen akt´ıv. A k¨ozelm´ ultban egy u ´ j kollabor´aci´o is alakult, az RD51 [36], mely a mikrostukt´ ur´as g´azdetektorokkal foglalkoz´o csoportok inform´aci´ocser´ej´et ´es k¨oz¨os felhaszn´al´as´ u fejleszt´eseit t˝ uzte ki c´elul [37]. A kollabor´aci´o m´ara k¨ozel 25 orsz´ag 80 int´ezet´eb˝ol ´all, s itthonr´ol a Wigner FK (akkor m´eg MTA KFKI RMKI) ´es az ELTE is az alap´ıt´otagok k¨oz´e tertozik. A f´el´evenk´enti kollaborci´os megbesz´el´esek tapasztalatcser´ein t´ ul a k¨oz¨os szimul´aci´os szoftverrendszer kifejleszt´ese, a k¨oz¨os tesztnyal´ab hely ´es felszerel´es, valamint az ipari kapcsolatok felt´erk´epez´ese is seg´ıti a csoportok muk´aj´at. 39
18. ´abra. (bal) [48] Mikroszk´op felv´etel egy GEM-r˝ol. Az 50µm vastag kapton f´oli´aban a maratott lukak szab´alyos hatsz¨ogr´acson helyezkednek el. A lukak a marat´asi folyamat k¨ovetkezt´eben homok´oraszer˝ u alak´ uak. (jobb) [40] Elektromos t´erer˝oss´egvonalak egy GEM k¨or¨ ul. J´ol l´atszik a mikrostrukt´ ur´as detektorokra jellemz˝o f´okusz´al´o geometria ´es a GEM lukaiban a sokszoroz´ashoz n´elk¨ ul¨ozhetetlen nagy t´erer˝oss´eg. A mikrostrukt´ ur´as g´azdetektorok egyik legismertebb fajt´aja a GEM (Gas Electron Multiplier, g´az-elektron sokszoroz´o) [38], mely egy kis lyukakkal s˝ ur˝ un telet˝ uzdelt r´ezbor´ıt´as´ u kapton f´olia. Egy GEM mikroszk´oos fot´oj´at l´athatjuk a 18. ´abra bal oldal´an. A f´olia k´et oldal´ara nagy fesz¨ ult´esget kapcsolva a t´erer˝oss´egvonalak a lykakba koncentr´al´odnak [39], ahol a nagy t´erer˝oss´eg hat´as´ara elektronlavina alakulhat ki. A GEM felett k¨ozel homog´en t´erb˝ol az er˝ovonalak a lyukakba (s˝ot, azok k¨ozep´ebe) h´ uz´odnak, ezzel a f´okusz´al´o rendszerrel gy˝ ujt˝odnek az els˝odleges elektronok a sokszoroz´o tartom´anyba. A 18. ´abra jobb oldal´an a kialakul´o t´erer˝oss´eg ´es ekvipotenci´alis vonalak l´athat´oak egy lavina naiv rajz´aval. A GEM est´en az el´erhet˝o maxim´alis er˝os´ıt´es a 102 − 103 nagys´agrendj´ebe esik, ´am t¨obb GEM f´oli´at kaszk´adba rendezve m´ar nagyobb jelek is el´erhet˝oek [41]. A manaps´ag ´altal´anosan haszn´alt strukt´ ura a tripla GEM-es elrendez´es, melyet a CMS fejleszt´esekben is haszn´alni fognak [40]. A GEM (´es hasonl´o strukt´ ur´ak) egyik el˝onye, hogy a sokszoroz´asi ´es a detekt´al´asi r´esz sz´etcsatol´odik, mivel a lavin´ahoz sz¨ uks´eges t´erer˝oss´eg els˝o sorban a lok´alis geometri´at´ol f¨ ugg; ellent´etben a klasszikus soksz´alas kamr´akkal. M´ar kor´abban is j´osolt´ak, hogy egy hasonl´o de vastagabb rendszer v´arhat´oan robusztusabb lesz [41]. A vastag GEM (TGEM / ThGEM, Thich GEM) [43] [44] a GEM k¨or¨ ulbel¨ ul 1:10-hez nagy´ıtott v´altozata, a 40
v´ekony f´olia helyett p´ar tizedmillim´eter (ak´ar millim´eter) vastag ny´aklemezt haszn´alnak, s a lukakat egyszer˝ uen mechanikai f´ ur´assal alak´ıtj´ak ki. ´Igy a technol´ogia alapvet˝oen egy standard ny´akgy´art´o c´egn´el megtal´alhat´o rendszerrel elk´esz´ıthet˝o. A TGEM m´asik nagy el˝onye a szikra´all´o k´epess´eg, mivel az esetleges szikr´ak nem teszik azonnal t¨onkre a hordoz´oanyagot (a GEM egy szikra hat´ar´asa megolvadhat, s a tov´abbiakban m´ar nem haszn´alhat´o). A TGEM ´ıgy kev´esb´e ig´enyel tisztaszob´at, mivel a kis kosz/sz¨osz darabok a le tudnak ”´egni” r´ola (b´ar nem ez a k´ıv´anatos). A mikrostrukt´ ur´as csal´ad egy ´erdekes tagja a ”Mikromega” (MM, Micromegas) [45] detektorok lelke egy s˝ ur˝ u sz¨ov´es˝ u f´emh´al´o, melyet a parkettastrukt´ ura felett 25-100 µm magasan fesz´ıtenek ki. A lavi´ahoz sz¨ uks´eges t´erer˝oss´eget a h´al´ora kapcsolt nagyfesz¨ ults´eggel ´erik el. A kritikus r´eszt, a f´emh´al´o adott magass´agban val´o feszesen tart´as´at, az u ´ j m´odszerekkel m´ar gy´art´askor kialak´ıtj´ak [46]. A technol´ogia ´erdekess´ege, hogy igen v´ekony, kis anyagmennyis´eg˝ u ´es kiv´al´oan g´epes´ıthet˝o. B´ar jelenleg m´eg a szikr´az´asi tulajdon´asgai miatt alacsony er˝os´ıt´esekkel dolgoznak, igen kecsegtet˝o a flexibilis kivitel, melyn´el a r´ecsot ny´ak helyett egy kapton f´olia f¨ol´e er˝os´ıtik [47]. Az esetlegesen keletkez˝o szikr´akkal szemben j´o v´edelmet ny´ ujthat a fel¨ uletek nagy ellen´all´as´ u bevonata. A TGEM-ek eset´en ezt ”ReTGEM”-nek (Resistive Thick GEM, ellen´all´o TGEM) nevezik, s r´eg´ota tesztelik [42]. Term´eszetesen a mikromega ´es m´as mikrostrukt´ ur´as technol´ogi´akn´al is foglalkoznak ezen k´erd´essel.
8.4.
Foton detekt´ al´ as
A g´azt¨olt´es˝ u fotondetektorok olyan, a fentiekhez hasonl´o g´azt¨olt´es˝ u kamr´ak, melyek egy fotokonverter seg´ıts´eg´evel a be´erkez˝o foton a´ltal keltett egyetlen elektron detekt´al´as´at k´epesek megval´os´ıtani. A klasszikus fotoelektron sokszoroz´o cs˝ovel (PMT, Photo Multiplier Tube) szemben a g´azt¨olt´es˝ u fotondetektorok sz´amos el˝onnyel rendelkeznek. A helyfelbont´as a fentieknek megfelel˝oen a milim´eter nagys´agrendj´ebe esik, k´epesek nagy m´agneses t´erben is m˝ uk¨odni, s nagy fel¨ uleteket relat´ıve olcs´on lehet vel¨ uk lefedni. A k´ıs´erleti r´eszecskefizik´aban ezen konstrukci´o egyik leggyakoribb felhaszn´al´asa gy˝ ur˝ uform´al´o Cserenkov detektorok (RICH, Ring Imaging CHerenkov detector) fotodetektorak´ent l´athat´o. Ilyen az ALICE k´ıs´erlet HMPID detektora (High Momentum Particle Identification Detector, Nagy impluzus´ u r´eszecskeazonos´ıt´o detektor) [56], valamint a tervezett VHMPID detektor is [101],[100] (valamint a 6.2. fejezet). A fotokonverter anyag ´altal´aban c´ezium jodid (CsI), mely az er˝os UV 41
tartom´anyban (210 nm alatt) relat´ıve nagy kvantumhat´asfokkal rendelkezik (0-0.5) [54]. A gyakorlatban a visszaver˝o t´ıpus´ u fotokonverter r´eteget gyakrabban haszn´alj´ak, mint az ´atereszt˝o t´ıpus´ ut, mivel el˝obbin´el a r´etegvastags´ag (egy kritikus ´ert´ek felett) tetsz˝oleges lehet, nem befoly´asolja a hat´asfokot. A fotokonverter tipikusan a parkett´aval ell´atott kat´odot bor´ıtja, m´ıg a m´asik sz´alakb´ol ´all´o (´alt´atsz´o) kat´od felett egy Uv-ben a´tl´atsz´o lap (p´eld´aul kvarc¨ uveg) z´arja le a g´azteret. A t¨olt˝og´az v´alaszt´as´an´al u ´ j szempontk´ent jelentkezik, hogy a keltett egyetlen elektron minn´el nagyobb val´osz´ın˝ us´eggel el tudjon jutni a sokszoroz´o t´erig, melyhez fontos a konverter fel¨ ulet´en megjelen˝o nagy t´erer˝oss´eg, valamint, hogy a g´azatomokr´ol kev´esb´e l¨ok˝odhessen vissza a fel¨ uletbe, illetve, hogy a sokszoroz´o t´er fel´e vezet˝o u ´ tj´an ne nyel˝odj¨on el [49]. A gyakorlatban legink´abb haszn´alt g´az a met´an (CH4 ) [56], illetve az argon-met´an kever´ek (Ar − CH4 ), melyek sajnos gy´ ul´ekonyak, ami biztons´ag technikai kellemetlens´egekkel j´arnak. Nem gy´ ul´ekony g´azok k¨oz¨ ul a perfl´ormet´an (CF4 ) [50] [51] ´es a neon-perfl´ormet´an kever´ekek (Ne − CF4 ) [55] is alkalmasak, s haszn´altak. Term´eszetesen a mikrostrukt´ ur´as g´azdetektorok itt is megjelentek, s GEM ´es TGEM alap´ u fotodetektork jelenleg is akt´ıv kutat´asi ter¨ uletet jelentenek. Az els˝o ilyen GEM alap´ u Cserenkov detektor a RHIC PHENIX k´ıs´erlet´enek HBD (Hadron Blind Detector, Hadronokra vak detektor) detektora [50] [51]. Valamint a VHMPID ´es a COMPASS [52] k´ıs´erlet is tervez ilyet haszn´alni [53], [60]. Ezen elrendez´esekben a fotokonverter ´altal´aban a legfels˝o r´eteg GEM (TGEM) lap tetej´en helyezkedik el, melyek felett itt is sz´alakb´ol ´all´o kat´od ´es (kvarc)¨ uveg lap helyezkedik el. Az ilyen elrendez´esben a nagy lavin´aban keletkez˝o fotonok (geometriai okokb´ol) nem tudj´ak el´erni a foto´erz´ekeny r´eteget, ´ıgy nem kelthetnek u ´ jabb lavin´akat mint a soksz´alas eset´en. Valamint a fotokat´odot rong´al´o lavin´ab´ol vissz´araml´o ionok relat´ıv sz´ama is jelent˝osen lecs¨okken, mivel azok nagy r´esz´et a k¨oztes GEM (TGEM) lapok felfogj´ak; ´ıgy n¨ovelve a fotokonverter r´eteg ´elettartam´at. Err˝ol r´eszletesebben a 12. fejezetben sz´amolok be.
42
r´ esz III
HPTD kandid´ atok vizsg´ alata 9.
TGEM alap´ u kamr´ ak vizsg´ alata
A HPTD detektorrendszer (l´asd 7. fejezet) hely´erz´ekeny g´azt¨olt´es˝ u detektor´anak a modern TGEM technol´ogia (l´asd 8.3. fejezet) egy ´ıg´eretes kandid´atja volt. TGEM-ek est´en az elektron-lavin´ak k¨ozvetlen¨ ul a parkett´akba csap´odnak, ´ıgy az ´atlagos klaszterm´eret megfelel˝oen kicsiny lehet a HPTD digit´alis kiolvas´asa sz´am´ara. A technol´ogia egyszer˝ u ´es robusztus, ´ıgy nem ig´enyel tisztaszob´at, valamint a klasszikus soksz´alas kamr´akn´al sz¨ uks´eges extra prec´ız mechanikai strukt´ ur´at sem. A CERN Ny´ari Di´ak programja (CERN Summer Student [71]) keret´eben volt szerencs´em megismerkedni a GEM ´es TGEM technol´ogia p´ar alapvet˝o el˝ony´evel, s volt alkalmam p´ar m´er´est is v´egezni ilyen t´ıpus´ u tesztkamr´akon. Ezen tapasztalatoknak is igen nagy haszn´at vett¨ uk, hiszen mi voltunk Magyarorsz´agon az els˝ok, akik mikrostrukt´ ur´as g´azdetektorokkal kezdtek el foglalkozni. Az ´altalunk haszn´alt TGEM lemezeket a CERN-ben gy´artattuk le (Rui de Oliveira ny´ak- ´es MPGD-gy´art´o m˝ uhely´eben [72]), az akkori standard lyukkonfigur´aci´os param´eterekkel (lyuk´atm´er˝o 300 µm, lyukt´avols´ag 800 µm, perem 60 µm, vastags´ag 400 µm) 10 × 10cm2 akt´ıv fel¨ ulettel. Az ¨ossze´all´ıtott dupla-TGEM kamr´at laborban ´es r´eszecskenyal´abban is tesztelt¨ uk, az alapvet˝o meg´ert´esen t´ ul k¨ ul¨on¨osen a HPTD-hez val´o alkalmazhat´os´ag szempontj´ab´ol (digit´alis kiolvas´as, hat´asfok, a´tlagos klaszterm´eret). M´er´eseink sor´an a TGEM-ek szikr´az´asi tulajdons´agait is siker¨ ult r´eszletesen megfigyelnem ´es dokument´alnom.
43
9.1.
Adatgy˝ ujt˝ o rendszer
A GEM-es ´es TGEM-es kamr´akban a keletkez˝o elektronlavina adja a jel nagy r´esz´et, mialatt be´erekezik az als´o (´altal´aban szegment´alt) kat´odra. A parkett´akon ´ıgy megjelen˝o jel jut az er˝os´ıt˝o elektronik´akhoz, melyekb˝ol k´et alapvet˝oen k¨ ul¨onb¨oz˝ot haszn´altunk: anal´og er˝os´ıt˝ot ´es egy bitre digitaliz´al´o er˝os´ıt˝ot. Ezek kiforrottabb v´altoztait taglalja r´eszletesebben a 10.2.2. fejezet, illetve a mutatj´ak a 40. ´es 41. ´abr´ak. A r´egebbi ´es az u ´ jabb k´arty´ak m˝ uk¨od´esi elve azonos, azonban az u ´ j ny´akokon m´ar fel¨ uletszeret l´abazat´ u integr´alt ´armk¨or¨ok helyezkednek el, cs¨okkentve a panel m´eret´et, valamint a k´es˝obbi felhaszn´al´as szempontj´ab´ol fontos t¨omeggy´art´asra ´es g´epi be¨ ultet´esre is alkalmasabb. A k´etf´ele er˝os´ıt˝onek megfelel˝oen k´et k¨ ul¨onb¨oz˝o kiolvas´o programot ´ırtam. Az anal´og er˝os´ıt˝o jel´et egy Camac t´ıpus´ u anal´og-digit´al konverterrel (LeCroy 2249A [78]) m´ert¨ uk, ´ıgy az etherneten kommunik´al´o Camac kontrollerhez (Caen C111C [80]) ´ırtam egy kiolvas´o rutint. A digit´alis jelek kezel´es´et k¨ozvetlen¨ ul a sz´am´ıt´og´ep p´arhuzamos portj´an v´egeztem. A port egyes bitjeinek f¨ uggetlen billent´es´evel illetve olvas´as´aval. A kiolvas´o programot a k´es˝obbiekben jelent˝osen tov´abbfejlesztettem: a WxWidgets t´ıpus´ u [88] grafikus fel¨ ulettel m´asok sz´am´ara is k¨onnyen haszn´alhat´o lett, valamint az el˝obbiekben eml´ıtett m´er´esi rutinokat integr´altan kezeli, s tov´abbi ´ert´ekes funkci´okkal is b˝ov¨ ult. Ezen okokn´al fogva a kiolvas´o rendszer r´eszletesebb bemutat´as´at a 10.2.1. fejezetben taglalom, az u ´ j strukt´ ur´akkal egy¨ utt.
9.2.
A tesztkamr´ ak fel´ ep´ıt´ ese
Az ´altalunk ´ep´ıtett TGEM alap´ u kamra v´azlatos rajz´at a 19. a´bra mutatja, m´ıg a 20. ´abra egy az igazi kamr´ar´ol k´esz¨ ult f´enyk´ep. A plexib˝ol k´esz¨ ult kamrakeretnek k¨osz¨onhet˝oen vizu´alisan is lehet k¨ovetni az esetleges deform´aci´okat ´es szikr´az´asokat a TGEM lapokon. Az 19. ´abra szerint alulr´ol felfel´e haladva a kamra r´eszei a k¨ovekez˝ok: A szegment´alt kat´ods´ıkot egy 1.5 mm vastag ny´ak adja, melybe araldittal (Uverapid 20 [63]) vannak beleragasztva a TGEM lapokat tart´o m˝ uanyag csavarok. A kamra k¨ ul¨onb¨oz˝o vertik´alis r´etegeinek t´avols´ag´at a csavarokon elhelyezett m˝ uanyag t´avtart´okkal lehet be´all´ıtani. A TGEM lapok felett elhelyezked˝o kat´ods´ıknak egy keretre er˝os´ıtett egyoldalt alum´ıniummal bor´ıtott mylar f´oli´at haszn´altunk. A kamrakeret fels˝o fele sima mylar f´olia volt. Ut´obbiak igen v´ekony r´etegek, ´ıgy lehet˝os´eg volt r´adi´oakt´ıv b´eta forr´assal ”bel˝oni” a kamra ´erz´ekeny t´erfogat´aba. 44
19. ´abra. K´et TGEM-et tartalmaz´o g´azt¨olt´es˝ u detektor v´azlata oldaln´ezetb˝ol. A TGEM lapok cser´ej´ehez a kamr´anak sz´etszedhet˝onek kellett lennie, ´ıgy a g´azz´ar´ast csavarokkal szor´ıtott O-gy˝ ur˝ uvel oldottuk meg. A kamra tesztel´esi c´elokra ´ep¨ ult, ´ıgy fontos szempont volt, hogy k¨onnyen sz´et- s u ´ jra ¨osszeszerelhet˝o legyen (p´eld´aul u ´ j TGEM lapok vizsg´alat´ahoz); ´ıgy az alaplap ´es a kamratest k¨oz¨otti g´azz´ar´ast egy O-gy˝ ur˝ u adja, melyet az kereten ´atmen˝o csavarok r¨og´ız´ıtenek. A keret kamr´an k´ıv¨ uli ellendarabja seg´ıt az alapny´akot minn´el ink´abb s´ık fel¨ ulet˝ unek megtartani. A nagyfesz¨ ult´esg˝ u csatlakoz´ok ´es zajsz˝ ur˝ok az ´erz´ekeny t´erfogaton k´ıv˝ ul helyezkednek el, egy ´erint´esv´edett alum´ıniumdobozban. A nagyfesz¨ ults´egek egy plexib˝ol k´esz¨ ult g´azz´ar´o ´atvezet˝o csatorn´an kereszt¨ ul (feed-through, gyakorlatilag egy plexi hengerbe ragasztott vezet˝o) jutnak a g´azt´erbe. Egyetlen TGEM er˝os´ıt´ese MIP k¨ornyezetben relat´ıve alacsony (≈ 102 − 3 10 ), ´ıgy t¨obb r´eteget szoktak haszn´alni. Kor´abbi tapasztalaink ´es m´er´eseink alapj´an a k´et r´eteg˝ u TGEM-es kamra mellett d¨ont¨ott¨ unk. B´ar egy harmadik r´eteggel a t¨olt´esfelh˝o elmos´od´asa r´ev´en kiss´e cs¨okkenthet˝o a szikr´az´asi val´osz´ın˝ us´eg (mint GEM-ek eset´en [90]-ben), ugyanezen okok miatt n¨ovekedne a klaszterm´eret is, melyet a HPTD eset´en minn´el alacsonyabban k´ıv´antunk tartani. A kamr´an ´athalad´o t¨olt¨ott r´eszecske a fels˝o TGEM ´es a kat´od k¨oz¨ott hagyott 10 mm-es kat´odt´erben leadott energi´aja a meghat´aroz´o, mivel a TGEM lapok k¨oz¨otti, illetve alatti elektronokb´ol sz´armaz´o jelek relat´ıve egy, illetve k´et er˝os´ıt´esi fokozatnak (kb. h´arom nagys´agrend) megfelel˝oen el vannak nyomva. (Ezen jelens´eget ki is lehet haszn´alni bizonyos esetekben, l´asd a 12. fejezetben.) T¨olt˝og´aznak a szokv´anyos argon (Ar) ´es sz´endioxid (CO2) g´azkever´ekeket haszn´altunk k¨ ul¨onb¨oz˝o kever´esi ar´anyokkal (5-20 % CO2 ). Ilyen g´azkever´ek mellett a TGEM-eken nagys´agrendileg 1 kV fesz¨ ults´eget kell alkalmazni a nomin´alis m˝ uk¨od´eshez (l´asd 9.3.2. fejezet). A fenti g´azkever´ek eset´en a kat´od ´es a fels˝o TGEM k¨oz¨otti 10 mm t´avols´agon k¨or¨ ulbel¨ ul 100 iononiz´aci´os elektron keletkezik egy MIP-t˝ol [25].
45
20. a´bra. F´enyk´ep a dupla TGEM-es kamr´ar´ol. Az ´atl´atsz´o keret m¨og¨ott l´athat´o a k´et TGEM lap, illetve fel¨ ulr˝ol a kat´od. Az alapny´ak a HPTD-nek megfelel˝o t´ıpus´ u ´es nagys´egrend˝ u szegment´aci´oval (7. fejezet) (5mm × 50mm) rendelkezett; a parkett´ak a kamra k´et oldal´ara voltak kivezetve, ahol az anal´og illetve digit´alis elektronik´aknak megfelel˝o csatlakoz´ok helyezkedtek el.
46
9.3.
Eredm´ enyek
A TGEM kamr´at el˝osz¨or a laborban tesztelt¨ uk b´eta forr´assal, majd a CERN PS gyors´ıt´o T10-es m´er˝ohely´en tesztelhett¨ uk nagyenergi´as r´eszecskenyal´abbal. A kamra anal´og ´es digit´alis jelei is megfelel˝oek voltak, kiv´al´o jel-zaj sz´etv´alaszthat´os´agot, s kis klaszterm´ereteket m´ert¨ unk. Az egyetlen probl´em´at a TGEM-ek szikr´az´asa okozta, melyet ez´ert r´eszletesebben is megvizsg´altam. 9.3.1.
Anal´ og jelek, korrel´ aci´ ok
El˝osz¨or b´eta sug´arforr´assal tesztelt¨ uk a kamr´at, s ´all´ıtottuk be u ¨ zemi param´etereit. Az alkalmazott 90 Sr β − boml´as sor´an alakul 90 Y izot´opp´a, mely egy k¨ovetkez˝o nagy energi´as (2.28 MeV ) b´eta boml´assal v´alik staib´a (90 Zr). A m´er´esek szempontj´ab´ol a ezen elektronok a legalkalmasabb, mivel k´epesek ´athatolni az eg´esz kamr´an, s az elektron kicsiny t¨omege miatt ekkora energi´an k¨ozel MIP-nek tekinthet˝oek. Az ´athatol´asnak k¨osz¨onhet˝oen lehetett triggerelni egy a kamra al´a elhelyezett szcintill´atorra. A 21. a´br´an l´atszik n´eh´any oszcilloszk´oppal felvett jelalak: l´athat´o, hogy u ¨ zemi fesz¨ ults´egen m´ar sz´epen elv´alik a jel ´es a zaj egym´ast´ol. A jelek id˝obeli lefut´asa j´o k¨ozel´ıt´essel f¨ uggetlen a leadott energi´at´ol, ´ıgy azt m´erhetj¨ uk a jel maximuma k¨or¨ ul kapuzott ADC-vel.
21. a´bra. Az oszcilloszk´op k´epen a MIP ´altal keltett jel id˝olefut´asa l´atszik, s az azt k¨ovet˝o visszacsap´as. A fels˝o NIM jel a nullid˝ot jelzi, a v´ızszintes oszt´as 1 µs. A jelalak szerkezete j´o k¨ozel´ıt´essel f¨ uggetlen a nagys´ag´at´ol.
47
500
Gyakoriság
400
300
200
100
0 -100
0
100
200
300
400
500
600
Leadott töltés [adc egység]
22. a´bra. Az ´athalad´o r´eszeke ´altal leadott energia (ADC egys´egekben). Az er˝os´ıt˝o kis dinamikai tartom´anya miatt a Landau g¨orbe nagyenergi´as r´esze ¨osszeh´ uz´odik a m´er´esi tartom´any fels˝o hat´ar´ara. Az er˝os´ıt˝o kimenet´en a teljes id˝ointegr´altnak z´erust kell adnia, ´ıgy a r´eszecske keltette (negat´ıv) jelet ellent´etes polarit´as´ u visszacsap´as/visszacsap´asok k¨oveti/k¨ovetik. A m´er´eshez haszn´alt elektronika eset´eben k´et ilyen visszacsap´as volt, az els˝ot teljes eg´esz´eben, valamint az utols´o elej´et megfigyelhetj¨ uk a 21. ´abr´an. Az ´athalad´o r´eszecske ´altal leadott energia a Landau eloszl´ast k¨oveti [25] [28], ennek m´er´es´et egyszer˝ uen az anal´og jelek m´er´es´evel (Camac ADC) v´egezt¨ uk, a kapott eloszl´as a 22. ´abr´an l´athat´o. A haszn´alt er˝os´ıt˝o dinamikai tartom´anya relat´ıve kicsi, ´ıgy a nagy ´ert´ekekn´el jelent˝os torzul´as l´athat´o. Mivel a HPTD-ben az 1 bitre digitaliz´alt jelet fogjuk haszn´alni, ´ıgy a dinamikai tartom´any ´erdektelenn´e v´alik, s a f˝o k´erd´es a zaj ´es jel sz´etv´alaszthat´os´aga lesz. Mint ahogy az oszcilloszk´op k´epen (21. a´bra) is l´athattuk, a val´odi jel ´es a zaj kiv´al´oan szepar´alhat´o (22. ´abra). Az egym´as melletti csatorn´ak anal´og jeleit vizsg´alva k´et alapvet˝o effektus figyelhet˝o meg: a pozit´ıv ´es a negat´ıv korrel´aci´o. Ezekre l´athatunk p´eld´akat a 23. ´abr´an. Amennyiben a keletkez˝o elektronlavina k´et parketta hat´ar´ara ´erkezik, mindk´et kapcsol´od´o csatorna megsz´olal, s pozit´ıv korrel´aci´ot tapasztalunk. Az egyetlen parkett´ara koncentr´al´od´o lavin´ak eset´en azonban a szomsz´edos parkett´akon a kapacit´ıv csatolts´aguk miatt ellent´etes el˝ojel˝ u kis jel jelenhet meg. Ez ut´obbi jelens´eg term´eszetesen a lavina m´eret´enek n¨ovel´es´evel egyre jelent˝osebb lesz. A fentiek sz´amszer˝ us´et´es´ehez a kiolvasott ADC jelek korrel´aci´oit is vizsg´altam. A 24. ´abr´an egy adott parkett´an megjelen˝o jel nagys´ag´anak f¨ uggv´eny´eben ´abr´azoltam a szomsz´edos parketta jel´et, k¨ ul¨onv´alasztva a 48
Töltés a szomszédos parkettán [adc egység]
23. a´bra. N´eh´any (v´alogatott) egyedi jel egy adott parkett´an. J´ol l´athat´o egy negat´ıv ´es egy pozit´ıv csatolt jel a szomsz´edos parkett´akr´ol. Szomszédos töltés > zajszint Szomszédos töltés < zajszint
600 500 400 300 200 100 0 -100 -100
0
100
200
300
400
500
600
Töltés a középső parkettán [adc egység]
24. a´bra. Adott parkett´an megjelen˝o jel f¨ uggv´eny´eben l´athatjuk a szomsz´edos parketta jel´enek ´altag´at (´es sz´or´as´at) pozit´ıv ´es negat´ıv el˝ojel˝ u esetekre bontva. pozit´ıv ´es negat´ıv el˝ojel˝ u ´ert´ekeket. A pozit´ıv korrel´aci´o gyeng´en l´atszik csak, ´am a kapacit´ıv csatol´as miatti negat´ıv korrel´aci´on´al j´ol kivehet˝o a csatolt jel abszol´ ut´ert´ek´enek n¨oveked´ese az eredeti jel nagys´ag´aval. A v´egs˝o detektoron a digit´alis kiolvas´asban a pozit´ıv korrel´aci´ok az ´atlagos klaszterm´eretet n¨ovelik csup´an, m´ıg a negat´ıv korrel´aci´ok rejtve maradnak. A kamra anal´og jeleinek vizsg´alata sor´an meg´allap´ıthattuk, hogy az ¨ossze´all´ıt´as alapvet˝oen megfelel˝oen m˝ uk¨odik. A v´egs˝o detektorban a jeleket az egy bites digit´alis elektronik´aval fogjuk kiolvasni, ´ıgy a tov´abbiakban az ilyen t´ıpus´ u m´er´esekr˝ol lesz sz´o.
49
9.3.2.
Hat´ asfok vizsg´ alat
A k¨ovetkez˝o m´er´eseket ´es teszteket a CERN PS gyors´ıt´oj´anak T10-es z´on´aj´aban v´egezt¨ uk, mely az ALICE hivatalos tesztz´on´aja. A digit´alsi elektronik´ak egyetlen k¨ usz¨obszintj´enek ´all´ıt´as´aval val´oj´aban egy v´ag´ast teshet¨ unk az alacsony, zajszint-k¨ozeli, t¨olt´esekre. A parkett´akon keletkez˝o jelek az elektronlavina m´eret´evel, s ´ıly m´odon az alkalmazott nagyfesz¨ u´ets´eggel n˝onek. Az ide´alis m˝ uk¨od´esi param´eterek megkeres´es´ehez a hat´asfokot ´erdemes vizsg´alni, a nagyfesz¨ ults´eg ´es a k¨ usz¨obszint f¨ uggv´eny´eben. A m´er´esek sor´an a r´eszecskenyal´ab u ´ tj´aban elhelyezett kamra el˝ott ´es m¨og¨ott szcintill´atorokat helyezt¨ unk el, s ezek koincidenci´aj´ara triggerelt¨ unk. Mivel a szcintill´atorok l´enyegesen kisebbek voltak a kamra m´eret´en´el, ´ıgy minden trigger egy-egy kamr´an ´athalad´o r´eszecsk´et jelentett, teh´at a hat´asfok egyszer˝ uen a be¨ ut´essel rendelkez˝o esem´enyek ´es az o¨sszes esem´eny h´anyadosak´ent hat´arozhat´o meg. A fenti k´etdimenzi´os param´etert´erben v´egzett szisztematikus m´er´esek eredm´enyeit mutatja a 25. a´bra. Hatásfok Ar:CO2 80%:20% 100 90 80 Hatásfok [%]
70
dl = 2.3 V dl = 2.5 V dl = 2.7 V dl = 2.9 V dl = 3.2 V
60 50 40 30 20 10 0 1050
1100
1150
1200
TGEM feszültség [V]
25. a´bra. Detekt´al´asi hat´asfok v´altoz´asa az alkalmazott TGEM fesz¨ ults´eg f¨ uggv´eny´eben k¨ ul¨onb¨oz˝o digit´alis k¨osz¨ ub´ert´ekekn´el. L´athat´o, hogy a hat´asfok minden k¨osz¨ ubszint´el sz´epen szatur´al´odik 90% f¨ol¨ott, teh´at a kamra alavet˝oen ”l´atja” az ´athalad´o r´eszecsk´eket. A k¨ usz¨obszint emel´es´evel azonban adott hat´asfokot csak nagyobb er˝os´ıt´es (s TGEM fesz¨ ults´eg) alkalmaz´as´aval ´erhet¨ unk el. Kis fesz¨ ults´egek eset´en (UT GEM ≈ 1050V ) ahol a TGEMek er˝os´ıt´ese igen kicsi a zaj v´alik a detekt´alt jelek domin´ans forr´as´av´a. 50
Hatásfok 2.5V-os küszöb esetén 100
20% CO2 10% CO2 5% CO2
90 80 Hatásfok [%]
70 60 50 40 30 20 10 0 750
800
850
900
950
1000 1050 1100 1150 1200
TGEM feszültség [V]
26. a´bra. Hat´asfokg¨orb´ek k¨ol¨ unb¨oz˝o Ar : CO2 g´azkever´ekek eset´en. Nagy fesz¨ ults´egekn´el a g¨orb´ek a megjelen˝o szikr´az´asok miatt let¨ornek. A 25. ´abra kiv´al´oan szeml´elteti, hogy a zajszint cs¨okkent´es´enek a´ra a TGEMek magasabb er˝os´ıt´esen val´o u ¨ zemeltet´ese. A tov´abbi m´er´esekhez a m´ers´ekelt zaj´ u, 2.5V k¨ usz¨ob´ert´ekkel dolgoztunk. A TGEM alap´ u kamr´akban, mint m´as g´azt¨olt´es˝ u detektorokban is, az alkalmazott g´az, illetve a komponensek kever´esi ar´anya meghat´aroz´o (l´asd p´eld´aul [89]). Az ´altalunk haszn´alt Ar : CO2 g´azkever´ekekben az Ar ´es a CO2 k¨ozel azonos ioniz´aci´os potenci´alja miatt az els˝odleges ´es teljes ioniz´aci´o csak kis m´ert´ekben f¨ ugg a kever´ek ar´any´at´ol; ´am a lavina kialakul´as´ahoz haszn´alt fesz¨ ults´eg jelent˝osen f¨ ugg a kever´esi ar´anyt´ol. A 26. ´abr´an l´athat´o a hat´asfok fesz¨ ults´egf¨ ugg´ese az 5%, 10% ´es 20% CO2 -ot tartalmaz´o kever´ekek eset´en. L´athat´o, hogy g´az¨osszet´etelt˝ol f¨ uggetlen¨ ul minden esetben hasonl´oan felfut´o, s 95% f¨ol´e ´er˝o hat´asfokg¨orb´et kapunk. Az ´abr´an megfigyelhet˝o, hogy az emelked˝o hat´asfokg¨orb´ek nagyobb fesz¨ ults´egekn´el visszaesnek, s nem v´art m´odon cs¨okkenn˝o tendenci´at kezdenek mutatni mindegyik vizsg´alt kever´ek eset´en. Ez jelens´eg a TGEM-ek szikr´az´as´ahoz k¨othet˝o, ugyanis a szikr´at k¨ovet˝oen r¨ovid id˝ore ”vakk´a” v´alik a detektor. Ezen jelens´egk¨ort a ??. fejezetben r´eszletesen t´argyalom.
51
9.3.3.
Sz¨ ogf¨ ugg´ es
Az egy bites digit´alis kiolvas´as eset´en az egym´asba foly´o (nulla ´Igy a neh´ezion t´avols´ag´ u) klaszterek sz´etv´alaszt´asa nem lehets´eges. u ¨ tk¨oz´esekn´el keletkez˝o rengeteg (els˝o ´es m´asodlagos) r´eszecske a´ltali detektor-bet¨olt¨otts´eget az ´atlagos klaszterm´eret is terheli. A TGEM-ek haszn´alat´anak kifejezett el˝onyei k¨oz´e tartozik, hogy az elektronlavina k¨ozvetlen¨ ul csap´odik a parkett´akba, s nem a soksz´alas kamr´akn´al megszokott sok parkett´ara sz´etter¨ ul˝o kapacit´ıven csatolt jelet ´ l´atjuk. Ily m´odon a klaszterek v´art m´erete csup´an p´ar parkett´anyi nagys´ag´ u. A nem mer˝olegesen bees˝o r´eszecsk´ek nyoma azonban term´eszetesen sz´elesebb lesz a kamr´aban, ´ıgy az ´atlagos klaszterm´eret is n¨ovekszik. A r´eszecskenyal´ab kiv´al´o leht˝os´eget ad ezen viselked´es pontos m´er´es´ere. Sz´amunkra a parkett´ak finom felbont´as´ u ir´any´aban (nevezz¨ uk ”x”-nek) ´erdekes csup´an a jelens´eg. A m´asik ir´anyban a parkett´ak hossza (50mm) messze meghaladja a lavina sz´etter¨ ul´es´enek, illetve a sodr´or´as miatti sz´elesed´es ´erdekes sz¨ogtartom´anyba es˝o r´esz´enek ´ert´ek´et. A kamr´at u ´ gy helyezt¨ uk el az ´allv´any´an, hogy a parkett´ak f¨ ugg˝olegesen ´alljanak, ´ıgy az ´allv´any forgat´as´aval be´all´ıthattuk a k´ıv´ant bees´esi sz¨oget. (A nyal´ab illetve a szcintill´atorokkal defini´alt trigger sz¨ogsz´or´asa elhanyagolhat´onak tekinthet˝o.) A 27. ´abr´an a mer˝oleges ´es a 40o -os bees´esi sz¨og˝ u r´eszecsk´ek a´ltal keltett klaszterek m´ereteloszl´as´at l´athatjuk. J´ol l´athat´o, hogy a domin´ans 1-es klaszterm´eret az ´atlagosan 2 m´eret˝ u v´altja fel. 10000
Gyakoriság
1000
100
10 0 deg 50 deg
1 0
2
4
6 8 10 Klaszterméret
12
14
16
27. ´abra. Klaszterm´eret eloszl´as 0 ´es 40 fokos bees´esi sz¨ogek eset´en; kiv´al´oan megfigyelhet˝o az ´atlag eltol´od´asa.
52
3
Átlagos klaszterméret
UTGEM = 1180 V Elméleti várakozás 2.5
2
1.5
1 0
10
20
30
40
50
60
Beesési szög [deg]
28. ´abra. Az ´atlagos klaszterm´eret v´altoz´asa a bees´esi sz¨og f¨ uggv´eny´eben. A tangens-sel v´altoz´o elm´eleti v´arakoz´ast´ol (l´asd (15)) nagy sz¨ogekn´el elt´er´es tapasztalhat´o az effekt´ıv u ´ thossz cs¨okken´ese miatt. Az ´altagos klaszterm´eret n¨oveked´es´et a bees´esi sz¨og f¨ uggv´eny´eben a 28. ´abra mutatja. A p´alyadarab vet¨ ulete a bees´esi sz¨og tangens´evel ar´anyos, ´ıgy az ´atlagos klaszterm´eret a nullafokit´ol a tangenssel ar´anyosan v´arhat´o nagyobbnak c2α ≈ c20 + b2 tg 2 α (15) ´ mely helyess´eg´et a 28. ´abr´an l´athat´o illesztett g¨orbe mutatja. Am l´athatjuk, hogy nagy sz¨ogen´el a klaszterm´eret nem emelkedik tov´abb, s˝ot cs¨okkenni kezd. Ennek oka a lok´alis hat´asfokcs¨okken´es: mivel a r´eszecskenyom parketta feletti r´esze m´ar nem az eredeti 10mm, hanem a parketta sz´eless´eg´enek (4mm) ´es a sz¨og szek´ans´anak szorzata. Ezen r´eszleges hat´asfokcs¨okken´es a HPTD szempontj´ab´ol nem l´enyeges, mivel csak kis bees´esi sz¨og˝ u r´eszecsk´ekben ´erdekelt.
53
9.3.4.
Szikr´ az´ as
A g´azt¨olt´es˝ u detektorokban nagy er˝os´ıt´esek illetve t¨olt´esek megjelen´ese eset´en szikr´ak alakulhatnak ki. Vannak alkalmaz´asok, amikor ezen szikr´ak a detektor norm´al m˝ uk¨od´es´enek r´eszei (pl: szikrakamr´ak), ´am a sodr´od´asi ´es proporcion´alis kamr´ak eset´en kifejezetten ker¨ ulend˝ok. A soksz´alas detektorok eset´en a sz´al k¨or¨ ul kialakul´o t¨olt´esfelh˝o hozhat l´etre kis¨ ul´eseket, melyek rong´alhatj´ak a sz´alakat (rosszabb esetben ak´ar a sz´al szakad´as´ahoz is vezethetnek). A mikrostrukt´ ur´as detektorokn´al is a lavina kialakul´as´anak hely´en, GEM/TGEM eset´en a lyukakban, keletkezhetnek elektromos ´ath´ uz´asok (streamer). K´es˝obbi tanulm´anyok r´amutattak, hogy a szikr´ak kialakul´asa itt, a soksz´alas kamr´akkal ellent´etben, nem az er˝os´ıt´es, hanem az egy lyukra jut´o teljes t¨olt´esmennyis´egben limit´al´odik. [?] A mi TGEM alap´ u kamr´ainkban is megfigyelhett¨ uk a szikr´az´as (nem k´ıv´ant) jelens´eg´et. Az ´atl´atsz´o kamratesten kereszt¨ ul n´eha szabad szemmel is l´athat´o szikr´ak jelentek meg ha nagy er˝os´ıt´es mellett r´adi´oakt´ıv forr´assal sug´aroztuk be a detektort. A (v´ekony) GEM-ekn´el a szikr´az´as igen vesz´elyes, mivel ak´ar egyetlen szikra hat´as´ara megolvadhat a hordoz´o kapton f´olia. Ennek k¨ovetkezm´enyek´ent a f´emfel¨ uletek ¨ossze´ernek, s a GEM, mint detektorelem, ¨or¨okre haszn´alhatatlann´a v´alik. TGEM-ek eset´en az u ¨ vegsz´alas epoxi, mint hordoz´oanyag nem olvad meg a szikr´ak hat´as´ara, ´ıgy a TGEM-ek robusztusabb, szikra´all´obb strukt´ ur´at k´epviselnek. Term´eszetesen a szikr´ak hat´as´ara a fel¨ uleti r´etegek s´er¨ ulnek, ´ıgy a TGEM-eket sem szabad huzamosabb ideig szikr´az´asnak kitenni. A vastag GEM-ek fel¨ ulet´et gyakran nagy ellen´all´as´ u anyaggal vonj´ak be (r´ezoxid, grafit,...) mely seg´ıts´eg´evel a kis¨ ul´esek energi´aj´at k´ıv´anj´ak cs¨okkenteni. Az ilyen ”ellen´all´o vastag GEM-eket” nevezik ReTGEM-nek (Resistive Thick GEM) [42]. A szikr´az´as vizsg´alat´ahoz elengedhetetlen a szikra, mint jelens´eg, detekt´al´asa. Term´eszetesen prec´ız m´er´esekhez ezt nem elegend˝o ”szemmel figyelni”, s ez nem is mindig kivitelezhet˝o, p´eld´aul a nyal´abtesztes m´er´esekn´el a nyal´ab jelenl´et´eben (amikor m´er¨ unk) biztons´agtechnikai okokb´ol nem lehet a m´er´esi z´on´aban tart´ozkodni. A szikr´ak sz´aml´al´as´at lehet egy speci´alisan erre kifejlesztett nagyfesz¨ ults´eg˝ u t´apegys´eghez kapcsol´od´o m˝ uszerrel m´erni, mint egy gyors adatr¨ogz´ıt´eses digit´alis ´aramm´er˝o [90], ´am erre nek¨ unk nem volt lehet˝os´eg¨ unk. Az anal´ıseim sor´an a szikr´az´as vizsg´alat´anak egy offline m´odszer´et fejlesztettem ki. A szikr´ak ut´an a TGEM-ek fesz¨ ults´ege lecs¨okken (s ennek visszat¨olt˝od´es´et lenne hivatott m´erni a fent eml´ıtett ´aramm´er˝o), ´ıgy m´ıg vissza nem ´all az eredeti ´allapot, a kamra ”vakk´a” v´alik a k¨ovetkez˝o 54
10000
UTGEM = 1180 V
Gyakoriság
1000
100
Normál működés
10
Szikrázások
1 0
20 40 60 80 Üres eseménysor hossza [esemény]
100
29. ´abra. Az u ¨ resesem´eny-blokkok hossz´anak eloszl´asa. J´ol l´athat´oan a nagy hat´asfok´ u kamr´aban r¨ovid blokkok jelennek meg, ´am a szikr´ak hossz´ u id˝ore vakk´a teszik a kamr´at a soron k¨ovetkez˝o r´eszecsk´ekre. r´eszecsk´ekre. Ezt a r¨ovid ideig tart´o fesz¨ ults´eg-er˝os´ıt´es-hat´asfok cs¨okken´est lehet k¨ozvetlen¨ ul vizsg´alni a felvett adatokon. Az egym´ast k¨ovet˝o u ¨ res esem´enyek szekvenci´aj´anak hossz´anak eloszl´as´at mutatja a 29. ´abra. J´ol l´athat´o rajta a kis ´ert´ekekn´el megjelen˝o eloszl´as, mely a kamra norm´al m˝ uk¨od´es´eb˝ol ad´odik (a nem 100%-os hat´asfok miatt nem csak null´an´al, hanem pozit´ıv sz´amokn´al). A hossz´ uu ¨ resesem´eny-blokkokn´al l´athat´o cs´ ucs a szikr´ak megjelen´es´et mutatja. A m´odszer term´eszetes el˝onye, hogy ´ıly m´odon b´armely kor´abban felvett adatsorb´ol offline m´odon is rekonstru´alhat´o a szikr´ak megjelen´ese, mely lehet˝os´eget biztos´ıt r´eszletes vizsg´alatukra. Alacsony hat´asfok eset´en a norm´al m˝ uk¨od´es u ¨ resesem´eny-blokk tartom´anya megn˝o ´ıgy elvileg nehezebben v´alaszthat´o sz´et a szikr´akt´ol, ´am kis er˝os´ıt´esekn´el sokkal kev´esb´e jelennek meg szikr´ak, azaz az ´erdekes tartom´anyban a m´odszer probl´ema n´elk¨ ul haszn´alhat´o. A fenti m´odszer seg´ıts´eg´evel szisztematikusan megvizsg´altam a szikr´ak megjelen´es´enek val´osz´ın˝ us´eg´et a relev´ans param´eterek szempontj´ab´ol (TGEM er˝os´ıt´es ´es be¨ ut´essz´am s˝ ur˝ us´eg). El˝osz¨oris a szikr´ak megjelen´es´enek ´es a TGEM-en alkalmazott er˝os´ıt´est befoly´asol´o fesz¨ ult´esgnek a kapcsolat´at n´eztem. A 30. ´abr´an l´athat´o, hogy nagyobb fesz¨ ults´eg eset´en n˝o a szikr´az´asi val´osz´ın˝ us´eg. Megjegyzend˝o, hogy a szikr´ak sz´ama nem az er˝os´ıt´essel ar´anyosan (az a fesz¨ ults´eggel exponenci´alisan) n˝o, mint azt na´ıvan v´arn´a az ember. 55
Szikrák száma 100000 eseményben 140
Szikrák száma
120
2
Standard luminozitás [2 kHz/cm ]
100 80 60 40 20 0 1120
1140
1160 1180 TGEM feszültség [V]
1200
1220
30. ´abra. TGEM-en kialakul´o szikr´ak val´osz´ın˝ us´eg´enek v´altoz´asa a TGEM-eken alkalmazott fesz¨ ults´eg f¨ uggv´eny´eben. A kamr´at ´er˝o r´eszecskefelh˝o s˝ ur˝ us´ege (be¨ ut´essz´ams˝ ur˝ us´eg, rate) is befoly´asolhatja a szikr´ak kialakul´as´ast. Ennek vizsg´alat´ara k¨ ul¨onb¨oz˝o nyal´abintenzit´asok eset´en is u ´ jram´ertem a fenti jelens´eget. Nagy intenzit´asokn´al nem lehetett a nagyon nagy er˝os´ıt´es˝ u tartom´anyban m´erni, mivel a kamra t´ ul gyakran szikr´azott, ami maradand´o k´arosod´asokhoz vezethetett volna. Az eredm´enyeket a 31. ´abra foglalja ¨ossze. Adott er˝os´ıt´es mellett az nyal´abintenzit´ast´ol k¨or¨ ulbel¨ ul line´arisan f¨ ugg a szikr´ak megjelen´esi val´osz´ın˝ us´ege, ami megegyezik a trivi´alis v´arakoz´asokkal. Ezt szeml´elteti a 32. ´abra, melyen a 31. ´abra adott er˝os´ıt´es˝ u pontjai l´athat´oak a be¨ ut´essz´ams˝ ur˝ us´eg f¨ uggv´eny´eben. Igen fontos k´erd´es, hogy a szikr´at k¨ovet˝oen a kamra mekkora holtid˝o ut´an k´epes u ´ jra megfelel˝oen m˝ uk¨odni. Ennek meg´allap´ıt´as´ahoz az u ¨ resesem´eny-blokkok hossz´at lehet els˝odlegesen m´erni. Azonban a szikr´az´as ut´ani vissza´all´as nem pillanatszer˝ u, ´ıgy a fenti m´odon meghat´arozott szikr´ak hat´as´anak r´eszeletesebb vizsg´alat´ahoz a hat´asfok szikra ut´ani vissza´all´as´at hat´aroztam meg. Az u ¨ resesem´eny-blokk elej´et tekintettem a szikra id˝opillanat´anak, s az ezt k¨ovet˝o esem´enyek id˝o-megsz´olal´as adatait gy˝ uj¨ottem a m´er´es minden szikr´aj´ahoz. Ezen adatok egyes´ıt´es´evel kaptam meg egy ´atlagos szikra id˝olefut´as´at, melyet a 33. ´abra mutat. Az anal´ızist term´eszetesen megism´eteltem a k¨ ul¨onb¨oz˝o er˝os´ıt´es˝ u TGEM-fesz¨ ults´eg be´all´ıtosokra is. A 33. ´abr´an j´ol l´athat´o, hogy a 40 − 50ms hossz´ u u ¨ resesem´eny-blokkot egy lass´ u, k¨or¨ ulbel¨ ul 50ms-os vissza´all´as k¨oveti. Az id˝o´alland´o f¨ uggetlennek mutatkozik az alkalmazott TGEM er˝os´ıt´est˝ol. 56
Szikrák száma 100000 eseményben 160
2
200 Hz/cm 2 500 Hz/cm 2 2 kHz/cm 2 3 kHz/cm2 7.5 kHz/cm
140
Szikrák száma
120 100 80 60 40 20
0 1120
1140
1160 1180 TGEM feszültség [V]
1200
1220
31. ´abra. Szikr´ak megjelen´ese k¨ ul¨onb¨oz˝o TGEM fesz¨ ults´egek ´es be¨ ut´essz´ams˝ ur˝ useg mellett.
Szikrák száma 100000 eseményben 140
UTGEM = 1160 V
Szikrák száma
120 100 80 60 40 20 0 0
2000
4000
6000
8000
2
Nyaláb luminozitás [Hz/cm ]
32. ´abra. Adott TGEM fesz¨ ults´eg eset´en a szikr´ak megjeln´esi val´osz´ın˝ us´ege ar´anyos a be¨ ut´essz´ams˝ ur˝ us´eggel.
57
100
Hatásfok [%]
80
60
40
20
UTGEM = 1200 V UTGEM = 1180 V UTGEM = 1160 V
0 0
50
100 150 Szikra kezdetétől eltelt idő [ms]
200
33. a´bra. Hat´asfok (´atlagos) id˝obeli v´altoz´asa egy szikr´at k¨ovet˝oen. A k¨ ul¨onb¨oz˝o hat´asokok est´en is azonos id˝o´alland´oj´ u v´altoz´asban k¨ozel 50+50 ms ut´an regener´al´odik a kamra. ¨ Osszess´ eg´eben egy szikra hat´as´ara a detektor k¨or¨ ulbel¨ ul 100ms hosszan nem m˝ uk¨odik megfelel˝oen, ami r´eszecskefizikai alkalmaz´asok sor´an igen sok. A fentiek alapj´an a MIP-ek gener´alta szikr´az´asi tulajdons´ag (val´osz´ın˝ u a Landau eloszl´as nagy energialead´ashoz k¨ot˝od˝o r´esze miatt) sajnos megk´erd˝ojelezi a TGEM-ek haszn´alhat´os´ag´at a HPTD g´azdetektorokelemeik´ent.
58
10.
K¨ ozeli Kat´ odos Kamr´ ak vizsg´ alata
Az el˝oz˝o (9.) fejezetben megmutattam, hogy b´ar a HPTD-hez els˝ok´ent megvizsg´alt TGEM alap´ u detektorok [105] [104] t¨obb tekintetben is megfelel˝oek, sajnos az aktu´alis technol´ogiai sziten szikr´az´asi gyakoris´aguk miatt nem alkalmasak a feladatra. Ez´ert ker¨ ult kidolgoz´asra egy olyan soksz´alas kamra, mely lehet˝os´eg szerint a HPTD k´ıv´analmainak k´ıv´ant megfeleli els˝osorban, kis klaszterm´eret´evel ´es kis anyagmennyis´eg´evel. Az ´ıgy sz¨ uletett ”K¨ozeli Kat´odos Kamra” (Close Cathode Chamber) [106] a fenti k´ıv´analmak mellett t¨obb kellemes tulajdons´aggal is rendelkezik k¨ ul¨on¨osen a gy´art´astechnol´ogiai ´es mechani tuljadons´agai oldal´an [107]. Nem csup´an a HPTD-nek kiv´al´o detektor, de ma m´ar egy´eb projektekben is megjelent a REGARD csoport munk´aiban [109] [111] [108].
10.1.
A CCC technol´ ogia
A ”K¨ozeli Kat´od´ u Kamra” (Close Cathode Chamber, CCC) a REGARD ´es az ALICE-Budapest csoport ´altal kifejlesztett soksz´alas technol´ogia, melyet speci´alisan a HPTD detektor inspir´alt. K´et legfontosabb jellemz˝oje a kis klaszterm´eret ´es a tolerancia a mechanikai pontatlans´agokra. A CCC egy olyan soks´alas proporcion´alis kamra, melyben az ´erz´ekeny sz´alak mellett negat´ıv potenci´al´ u t´erform´al´o sz´alakat is haszn´alunk, ´es a sz´als´ık relat´ıve k¨ozel helyezkedik el az egyik (parkett´azott) kat´odhoz. A CCC sematikus rajz´at a 34. ´abra mutatja.
34. ´abra. A ”K¨ozeli Kat´od´ u Kamra” (CCC) sematikus rajza. A soksz´alas kamr´akn´al megszokott m´odon az ´athalad´o t¨olt¨ott r´eszecske ´altal keltett elektronokat a pozit´ıv potenci´al´ u ´erz´ekeny sz´alakhoz vezetj¨ uk gyenge elektromos t´errel, tipikusan a t´avolabbi kat´odra kapcsolt negat´ıv potenci´allal (≈ −500V ). Az elektronok az ´erz´ekeny sz´alakhoz sodr´odnak, s ott kialakul az elektronlavina. Mivel a sz´alak igen k¨ozel helyezkednek el a parkett´akhoz, ez´ert a kapacit´ıven csatolt t¨olt´es kev´esb´e ter¨ ul sz´et, v´ekonyabb 59
lesz a parkettav´alasz-f¨ uggv´eny [32]. Tipikusan csak a megsz´olal´o ´erz´ekeny sz´al alatti parketta fog jelet adni. Az ebb˝ol ad´od´o kis klaszterm´eret volt az els˝odleges c´elja ezen kamr´ak kifejleszt´es´enek. A klasszikus soksz´alas kamr´ak eset´eben a sz´als´ıkkal nem szoktak ilyen k¨ozel (≈ 1.5mm) menni a parkettas´ıkhoz, mivel az esetleges egyenetlens´egek (nem t¨ok´eletesen s´ık ny´ak, t´ ulnyom´as hat´as´ara p´ uposod´o kamrafal, elektromos vonz´as, ...) a lok´alis er˝os´ıt´esben nagy k¨ ul¨onbs´egket id´eznek el˝o [25]. A CCC ¨ossze´all´ıt´asban a negat´ıv potenci´al´ u t´erform´al´o sz´alak seg´ıts´eg´evel meg lehet szabadulni ezen probl´em´at´ol. A CCC ¨ossze´all´ıt´as fenti stabilit´asa abban rejlik, hogy l´etezik az ´erz´ekeny sz´alak ´es a t´erform´al´o sz´alak fesz¨ ults´eg´enek olyan ar´anya, melyn´el az er˝os´ıt´es els˝o rendben nem f¨ ugg a k¨ozelebbi kat´od t´avols´ag´at´ol. Ennek bizony´ıt´as´ara ´ep´ıtett¨ unk egy olyan soksz´alas kamr´at, melyn´el a kamra k´et v´eg´en a sz´alakat k¨ ul¨onb¨oz˝o magass´agban r¨ogz´ıtett¨ uk a kat´odokhoz k´epest (1.5mm ´es 2.0mm). Az ¨ossze´all´ıt´ast a 35. ´abra szeml´elteti. ´Ily m´odon a kamra k¨ ul¨onb¨oz˝o pontjai k¨ ul¨onb¨oz˝o sz´almagass´agoknak feleltek meg, s a sz´almagass´agt´ol val´o f¨ ugg´es egyetlen kamr´an tesztelhet˝o volt.
35. ´abra. A d¨ont¨ott sz´als´ık´ u kamra sematikus rajza. A m´er´eseket b´eta forr´as (90 Sr) seg´ıts´eg´evel v´egezt¨ uk, kis m´eret˝ u (1.0mm) kollim´atort haszn´alva, ´ıgy a forr´as poz´ıci´oj´anak ismeret´evel ismert a sz´als´ık helyi magass´aga is. K¨ ul¨onb¨oz˝o fesz¨ ults´eg-be´all´ıt´asok eset´en m´ert¨ uk v´egig a kamr´aban ez er˝os´ıt´est (a sz´alak ment´en). A eredm´enyeket a 36. a´bra o¨sszegzi. A fenti jelens´eg elektrosztatikus kalkul´aci´os munk´ait Kiss G´abor v´egezte [34], eredm´enyei j´o egyez´est mutatnak a k´ıs´erleti adatokkal (l´asd: folytonos g¨orb´ek a 36. ´abr´an). L´athat´o, hogy l´etezik olyan fesz¨ ults´egbe´all´ıt´as, mely eset´en a sz´als´ık ´es az parkettas´ık t´avols´aga els˝o rendben nem v´altoztatja a g´azer˝os´ıt´est. ´Ily m´odon a sz´alakat ak´ar igen k¨ozel is lehet vinni az als´o kat´odhoz k¨ ul¨on¨osebb technikai ´es mechanikai probl´em´ak n´elk¨ ul, mely k¨ovetkezt´eben a parkatt´akon kialakul´o jel jelent˝osen kisebb kiterjed´es˝ u lesz. A fentiekb˝ol k¨ovetkezik a CCC technol´ogia m´asik nagy el˝onye, a mechanikai tolerancia: mivel a kat´ods´ıkok 60
36. a´bra. Soksz´alas kamra relat´ıv er˝os´ıt´es a sz´als´ıkt´avols´ag f¨ uggv´eny´eben k¨ ul¨onb¨oz˝o fesz¨ ults´egar´anyok eset´en. A pontok a m´ert adatokat, m´ıg a folytonos g¨orb´ek a sz´am´ıt´asokat mutatj´ak. [?] egyenetlens´ege, illetve a sz´alak kisebb bel´og´asa nem okoz probl´em´at a kamra m˝ uk¨od´es´eben (l´asd 10.7.3. fejezet). ´Igy a szokv´anyosan haszn´alt neh´ez fesz´ıt˝o keretekre [30] nincs sz¨ uks´eg, mely egyszer˝ ubb ´ep´ıt´esi m´odszert ´es kevesebb anyagot (material budget) enged´enyez. Az ´altalunk ´ep´ıtett f´el n´egyzetm´eter fel¨ ulet˝ u kamra t¨omege csup´an 2 kg volt (l´asd a 10.7.1. fejezetben illetve [107]). A CCC kamr´akban a sz´alak egyenletes poz´ıcion´al´as´at l´ezergrav´ırozott m˝ uanyag t´avtart´okkal oldottuk meg. A manaps´ag m´ar kommerci´alis l´ezergrav´ıroz´asi technika igen pontos ´es olcs´o lehet˝os´eget k´ın´al a fenti feladatra. A hossz´ u m˝ uanyagcs´ıkba p´arsz´az mikron vastag v´alyatokat k´epezve a sz´alak a felhelyez´eskor sz´epen bele¨ ulnek, vagy ut´olag k¨onnyen helyreigaz´ıthat´oak. A hossz´ u sz´alakat r¨ovidebb szakaszokra osztva, u ´ jra al´at´amasztva a fent eml´ıtett m˝ uanyag t´avrat´okkal (≈ 20cm-enk´ent) elker¨ ulhetj¨ uk a sz´alak jelent˝os behajl´as´at. ´Ily m´odon a sz´alakat csak az als´o kad´odhoz ragaszott m˝ uanyaglapocsk´ak tart´ak, s a sz´alak teljes h´ uz´oerej´et az als´o kat´od tartja meg. Nagy m´eret˝ u kamr´ak eset´en a fels˝o kat´od deform´aci´oit (pl: p´ uposod´as a t´ ulnyom´as hat´as´ara) a kamra belsej´eben elhelyezett kis oszlopok seg´ıts´eg´evel cs¨okkentj¨ uk. Az kis oszlopok m´erete tipikusan 3 × 3 × 10mm3 . A t´avtart´ok ´es oszlopok lok´alisan ´erz´eketlenn´e teszik a detektort, a´m a kies˝o effektz´ıv fel¨ ulet l´enyegesen kisebb, mintha t¨obb k¨ ul¨on´all´o kamr´ab´ol tenn´enk ¨ossze a nagym´eret˝ u erz´ekeny fel¨ uletet [107]. A k´erd´esk¨ort a 61
m´er´esekkel s eredm´enyeikkek a 10.7. fejezetben t´argyalom.
62
10.2.
Adatgy˝ ujt˝ o rendszer
A m´er´esek kivitelez´es´ehez n´elk¨ ul¨ozhetetlen egy adatgy˝ ujt˝o szoftver haszn´alata. A megl´ev˝o infrastrukt´ ura ´es a speci´alis ig´enyek kiel´eg´ıt´es´ere egy saj´at adatgy˝ ujt˝o rendszert ´ırtam, mely a WignerFK G´azdetektor Laborat´orium´aban ´es a PS T10-es tesztm´er´eseken egyar´any haszn´altunk. A kor´abban eml´ıtett (??. fejezet) TGEM-es m´er´esek m´er´esek ezen szoftver el˝odj´evel ker¨ ultek r¨ogz´ıt´esre; a CCC alap´ u kamr´ak m´er´es´ehez pedig m´ar ezt haszn´alta az eg´esz REGARD csoport. Valamint ezen adatgy˝ ujt˝o rendszerrel dolgoztunk a a 12. fejezetben tal´alhat´o TCPD laborm´er´esein, illetve a 13. fejezetben t´argyaland´o prec´ızi´os p´aszt´az´as eset´en is. 10.2.1.
A m´ er´ esvez´ erl˝ o programom
A labor- ´es tesztnyal´ab m´er´esek sor´an haszn´alt adatgy˝ ujt˝o rendszert C, C++ ´es WxWidgets [88] nyelveken ´ırtam. A wx-t´ıpus´ u grafikus kezel˝ofel¨ ulet seg´ıts´eg´evel b´arki k¨onnyen haszn´alhatta az adatgy˝ ujt˝o rendszert a WignerFK G´azdetektor Laborat´orium´aban. A program mag´aba integr´alta a digit´alis kiolvas´ast, a Camac t´ıpus´ u kommink´aci´ot ´es egy mozgat´omechanizmus kezel´es´et, valamint r´eszlegesen a m´er´esi jegyz˝ok¨onyv param´eterbe´all´ıt´asi r´eszeit. (A nagyfesz¨ ults´eg t´avvez´erl´es´ere is fel volt k´esz´ıtve, a´m azt a funkci´ot egy´eb technikai okokb´ol kifoly´olag nem haszn´alhattuk.) A grafikus kezel˝ofel¨ ulet t¨obb ablakra oszlik, azok funkci´oja szerint : MainFrame, LogFrame, FormerRunsFrame, HvContolFrame ´es XyzTableFrame. Az oszt´alyok kapcsol´od´as´at, illetve (a teljess´eg ig´enye n´elk¨ ul) f˝obb elemeit a 38. ´abra mutatja. A 37. ´abr´an l´athat´o az adatny˝ ujt˝o rendszer grafikus fel¨ ulet´er˝ol egy pillanatk´ep. Az ut´obbi a jelen m´er´esekhez nem haszn´alt h´aromdimenzi´os asztalmozgat´o-mechanik´anak a kezel´es´ere szolg´al. Prec´ızi´os be´all´ıt´as´ara valamint poz´ıci´ov´altoztat´o m´er´essorozatok tervez´es´ere, koordin´al´as´ara ´es ind´ıt´as´ara. Ezt a funci´ot a 13. fejezetben t´argyalt m´er´esek miatt implement´altam a rendszerbe. A HvControlF rame a nagyfesz¨ ults´eg˝ u t´apegys´egekkel val´o komminuk´aci´ot hivatott bet¨olteni. Egyszerre maxim´alisan nyolc k¨ ul¨onb¨oz˝o t´apfesz¨ ults´eget tud kezelni. A nagyfesz¨ ults´eg˝ u t´apokat (10.2.2.fejezet) azok kisfesz¨ ult´esg˝ u anal´og bemenet´en keresz¨ ult vez´erli egy demultiplexer ´es nyolc digit´al-anal´og konverter seg´ıts´eg´evel. A megadott fesz¨ ults´eg´ert´eket az adott nagyfesz¨ ults´eg kalibr´aci´oj´at´ol f¨ ugg˝oen digitaliz´alja, s a c´ımz´est ´es a konvert´alt bitsort LPT porton tov´abb´ıtja a kontrol egys´eghez, mely az adott c´ım˝ u t´aphoz tartoz´o DAC-t ´at´ırja az u ´ j ´ert´ekre. Sajn´alatos m´odon ezt a funci´ot technikai okok miatt nem tudtuk a k´es˝obbiekben haszn´alni, 63
37. a´bra. Az ´altalam ´ırt adatgy˝ ujt˝o rendszer grafikus fel¨ ulete. L´athat´oak a f˝obb ablakok : f˝opanel, log, poz´ıcion´al´o, el˝oz˝o futtat´asok, aktu´alis m´er´es grafikonja, valamint a futtat´o termin´al. hardveres fejleszt´ese jelenleg is tervben van. A k´es˝obbi nyomk¨ovet´est (´es hibakeres´est) az esem´enyek r´eszletes r¨ogz´ıt´ese teszi lehet˝ov´e. Minden esem´enyr˝ol feljegyz´es k´esz¨ ul, a pontos id˝o megjel¨ol´es´evel, s h´arom k¨ ul¨onb¨oz˝o helyre is ki´ır´odik. Egyr´eszt a LogF rame nev˝ u ablakba, mely az adott futtat´as feljegyz´eseit tartalmazza, valamint a futtat´o termin´alra is. Mivel ezek id˝ovel (´ uj futtat´as illetve m´asik termin´al ind´ıt´asa alkalm´aval) elvesznek, ´ıgy minden feljegyz´est f´ajlba is r¨ogz´ıtek, havonta u ´ jabb f´ajlt nyitva. A F ormerRunsF rame nev˝ u ablak a m´er˝oprogram ind´ıt´asa o´ta futtatott m´er´esekr˝ol ad egy list´at, ´ıgy k¨onnyen l´athat´o az ut´obbi id˝oben v´egzett m´er´esek sora s param´eterei. Az itt felsorolt futtat´asok adatinak alapvet˝o gyors vizuali´ı´aci´oj´at, az egyszer˝ u hisztogrammokat (mely minden m´er´es ut´an is megjelenik) itt b´armikor u ´ jra megtekinthetj¨ uk. A grafikus kezel˝ofel¨ ulet k¨ozponti ´es egyben legfontosabb eleme a MainF rame nev˝ u f˝opanel, mely tov´abbi r´eszekre tagol´odik. Fejr´esz´eben tudjuk megadni az m´er´es sorozatsz´am´at, melyb˝ol (a d´atummal egy¨ utt) az adatfile neve ad´odik; valamint a felvenni k´ıv´ant esem´enyek maxim´alis sz´am´at is itt ´all´ıthatjuk be. Ezt k¨oveti a jegyz˝ok¨onyvr´eszletnek is megfelel˝o param´eterek megad´asa, melyeket a m´er´es sor´an manu´alisan ´all´ıt be az ember. Ide tartozik a vizsg´aland´o kamra vagy kamr´ak t´ıpus´anak ´es sorsz´am´anak megad´asa, a 64
38. ´abra. Az adatgy˝ ujt˝o rendszer oszt´alyainak ´es f˝obb elemeinek, valamint kapcsol´od´asaiknak sematikus rajza. be´all´ıtott fesz¨ ults´eg t´ıpusok ´es ´ert´ekeik (amennyiben az adott csatorna egy t´avvez´erelt nagyfesz¨ ults´eg˝ u egys´eghez tartozik, akkor az ´ert´ekad´as aut´omatikus ´atad´odik a HvContol-nak). Valamint megadhatjuk a haszn´alt g´az ¨osszet´etel´et ´es egy´eb ismert param´etereit is, valamint az haszn´alt elektronik´akat list´aj´at is. Ezen param´eterek nem befoly´asolj´at az adatr¨ogz´ıt´est, ´am elment˝odnek egy ”.sett” kiterjeszt´es˝ u, be´all´ıt´asokat tartalmaz´o f´ajlba k´es˝obbi haszn´alatra illetve eml´ekeztet˝onek. (P´eld´aul az adatanal´ızis sor´an ezen be´all´ıt´as f´aljokb´ol k¨onnyebben inicializ´alhat´oak a f˝obb ´ert´ekek, illetve program szinten kiolvashat´oak a fontos fesz¨ ults´eg- ´es poz´ıci´obe´all´ıt´asok.) Ezek ut´an ut´an a m´er´es alapvet˝o parami´etereinek megad´asa k¨ovetkezik. A digit´alis kiolvas´asn´al a kiolvasand´o bitek sz´ama mellett megadhatjuk az invert´al´asi pontokat, illetve a holt csator´ak sorsz´am´at. A Camac t´ıpus´ u adatgy˝ uj´esn´el meg kell adni, hogy milyen t´ıpus´ u modul hol helyezkedik el a keretben, s annak mely csatorn´ait k´ıv´anjuk kiolvasni. A k´etf´ele kiolvas´asi m´od egyszerre is haszn´alhat´o, ekkor id˝orendben a digit´alis kiolvas´as az els˝o, mivel az azonnal k´eszen ´all, m´ıg a Camac rendszern´el meg kell v´arni az egys´eg LAM jel´et [77] (10.2.2. fejezet). A Camac kiolvas´as be´all´ıt´asain´al a modul kiv´alaszt´asa utan jelennek meg a modulspecifikus param´eterek (p´eld´aul a Caen 16 csatorn´as ADC [79] eset´en a digitaliz´aci´os nagys´agrendet meg kell
65
adni az egys´egnek). Itt adhatjuk meg azt is, hogy a kiolvasott adatok milyen form´aban ´es milyen gyakran jelenjenek meg a k´eperny˝on (a h´att´er termin´alon). A MainF rame-en a fentieken t´ ul h´arom gomb tal´alhat´o: Start, Stop, Quit. Legut´obbi kil´ep a programb´ol, a m´asik kett˝o a m´er´esi proced´ ur´at ind´ıtja illetve ´all´ıtja meg. A m´er´es mindek´eppen meg´all, ha el´erni a be´all´ıtott maxim´alis esem´enysz´amot, ´am el˝obbi megszak´ıt´as´at a Stop gombbal ´erhetj¨ uk el, mely a k¨ovetkez˝o enged´elyezett kil´ep´esi pontban (soha nem egy esem´eny k¨ozben) le´all´ıtja a m´er´esi proced´ ur´at. Az ind´ıtott m´er´es egy u ´ j sz´alon fut, ´ıgy a grafikus fel¨ ulet a m´er´es ideje alatt v´altozatlanul haszn´alhat´o (p´eld´aul a kor´abbi m´er´esi erdem´enyek u ´ jb´oli megtekint´es´ere). A m´er´es ind´ıt´asakor el˝osz¨or p´ar rutin ellen˝orz´est v´egez (van-e be´all´ıtott felel˝os ember, l´etezik-e m´ar adott n´even kor´abbi f´ajl,...) majd m´ar az u ´ j sz´al ´ertelmezi a MainF rame-ben be´all´ıtott kiolvas´asi param´etereket ´es l´etrehozza az esem´enyszint˝ u kiolvas´asi rutint. Ezt k¨ovet˝oen indul az esem´eny-ciklus: v´arakoz´as a digit´alis LAM jelre (l´asd 10.2.2. fejezet), digit´alis adatok kiolvas´asa, majd minden Camac egys´eg eset´en v´arakoz´as a LAM jel¨ ukre (kiv´eve a sz´aml´al´okn´al), majd kiolvas´asuk; az adatok (esem´enysz´am, el˝oz˝o esem´eny ´ota eltelt id˝o, ´es a kiolvasott ´ert´ekek) f´ajlba ´ır´asa, majd a bea´all´ıt´asoknak megfelel˝oen a k´epreny˝on val´o megjelen´ıt´es¨ uk. A felvett adatok adott rend szerint ker¨ ulnek ki´ır´asra a futtat´ashoz tartoz´o f´ajlba. Minen futtat´ashoz h´arom f´ajl tartozik, nev¨ uk eleje ”YYYYMMDD runXX”, ahol ”YYYYMMDD” az adatfelv´etel kezdet´enek d´atum´at adja (´ev,h´onap,nap), illetve ”XX” a futtat´as sorsz´am´at. A h´arom f´ajl kiterjeszt´es´eben k¨ ul¨onb¨ozik: ”.sett” a be´all´ıt´asi param´etereket tartalmazza, a ”.ebe” az esem´enyenk´enti nyers adatokat, a ”.hists” a futtat´as v´eg´en a m´er˝oprogram ´altal l´etrehozott hisztorammokat tartalmazza a gyors vizsg´alatokhoz. A be´all´ıt´asokat tartalmaz´o f´aljban (.sett) tal´alhat´o a m´er˝oprogramban be´all´ıtott param´eterek ¨osszess´ege, valamint a m´er´es pontos ideje (d´atom,´ora,perc). A hisztogramm f´ajlban 1+1+N darab hisztogramm tal´alhat´o: els˝o az egyes digit´alis csatorn´ak megsz´olal´asi gyakoris´aga, m´asodik a megsz´olal´o digit´alis csatorn´ak sz´am´anak gyakoris´aga, v´eg¨ ul pedig minden kiolvasott Camac csatorna adatainak gyakoris´ag hisztogrammja. Ezen r´eszletes anal´ızis n´elk¨ ul l´etrehozhat´o indik´atorok kiv´al´oan mutatj´ak, ha valamif´ele probl´ema lenne az adatok min˝os´eg´evel (rossz csatorn´ak, nem bekapcsolt kamra, ...). A esem´enyf´ajlban t´arolom a futtat´as nyers adatait. (Az ”.ebe” v´egz˝od´es utal az ”event-by-event” azaz esem´enyenk´entis´egre.) Minden esem´eny k¨ ul¨on sorban foglal helyet. Minden esem´enyn´el n´egyf´ele adatot r¨ogz´ıtek. Els˝o: 66
az esem´eny sorsz´ama, mely ugyan elvileg azonos az adott sor sorsz´am´aval, az esetleges ki´ır´asi hib´ak kik¨ usz¨ob¨ol´es´ehez igen fontos; valamint az anal´ızis sor´an kiv´al´o debugol´o/ellen˝orz˝o param´etert biztos´ıt. M´asodik: az el˝oz˝o esem´eny ´ota eltelt id˝o mikroszekundumban, az ´ert´ekes id˝oinform´aci´o a m´er´es ut´an is rekonstru´alhat´ov´a teszi a triggerek, a m´er´esi id˝o, ´es a hossz´ u t´av´ u viselked´es vizsg´alat´at (mint l´athattuk p´eld´aul a 9.3.4. fejezetben). Harmadik csoport: a digit´alis adatok, a beolvas´as sorrendj´eben ”1” vagy ”0” karakterek sora, a nyers adat. Null-elnyom´asos adatt¨om¨or´ıt´es eset´en a digit´alis adatok strukt´ ur´aja m´as: els˝o sz´am megmutatja, hogy h´any ”1”-es van az adatsorban, majd ezek hely´enek felsorol´asa k¨ovetkezik. Negyedik csoport: a Camac adatok, a kiolvas´as sorrendj´eben a modulokb´ol kiolvasott eg´esz sz´amok sorozata.
67
10.2.2.
Haszn´ alt elektronikai egys´ egek
A m´es´eri ¨ossze´all´ıt´asokban a logikai egys´egek nagy r´esz´et a szok´asos NIM t´ıpus´ u modulokb´ol ´all´ıtottuk o¨ssze: - NIM LeCroy 465 Coincidence Unit [73], - NIM LeCroy 612A Amplifier Unit [74], - NIM Borer 341 Multiscaler, - NIM LeCroy 222 Dual Gate Generator [75], - NIM LeCroy 428F FIFO [76]. Valamint egy a csoport ´altal h´azilagosan gy´artott ”Trigger Unit” egys´egb˝ol. A ”Trigger Unit” NIM t´ıpus´ u trigger jeleket fogad, melyeket a LAM ´es BUSY tilt´as hi´any´aban tov´abb´ıt a kapuform´al´o r´esze fel´e, ahonnan az elk´esleltetett ´es megny´ ujott jelet kivehetj¨ uk. Az ´atjut´o trigger bebillenti a LAM-ot, amit csak a BUSY k¨ uls˝o felkapcsol´as´aval sz¨ untethet˝o meg. A m´er´esek sor´an ezen egys´eg adta az alapvet˝o LAM jelet a digit´alis m´er´esek eset´en. Az 39. a´bra mutatja fel´ep´ıt´es´enek v´azlat´at. dt = 500 ns w = 1000 ns
LAM
Trigger Out
Busy
Trigger In
39. ´abra. A ”Trigger Unit” egys´eg m˝ uk¨od´es´enek logikai rajza a megval´os´ıt´asn´al is haszn´alt NOT ´es NOR kapukkal. (A impulzus k´esleltet˝o ´es ny´ ujt´o egys´eg r´eszletez´es´et mell˝ozve.) A m´er´esek sor´an haszn´alt Camac egys´egek: Camac Caen C111 Ethernet Controller [80], Camac Caen C1205 QADC [79], Camac LeCroy 2249A ADC [78], Camac LeCroy 2551 Scaler [81]. A m´er´esekhez haszn´alt detektor oldali elektronik´ak a REGARD csoport saj´at fejleszt´esei. Ezen csal´ad tagjai k¨onnyen beszerezhet˝o ´es olcs´o alkatr´eszekb˝ol fel´ep¨ ul˝o, t¨obbnyire kis dinamikai tartom´any´ u, t¨obbcsatorn´as er˝os´ıt˝ok. A ny´akokat az Eagle [85] programmal tervezt¨ uk, melyek ”Eagle 5.7.0 for Ubuntu” verzi´oj´at haszn´altuk. A ny´akok marat´as´ast a BME -
68
40. a´bra. Az ”A.I.8.8.” nev˝ u anal´og er˝os´ıt˝o kapcsol´asi rajza (bal) ´es ny´akrajza (jobb). Az er˝os´ıt˝o n´egy 4069-es fokozatot tartalmaz mind a nyolc csatorn´aj´an. Elektrotechnikai Tansz´ekenek Nyomtatott Huzaloz´as Laborkomplexum´aban [86] t¨ot´ent. Egy invert´al´o t´ıpus´ u logikai IC reziszt´ıv visszacsatol´as´aval az IC logikai nulla ´es egyes ´allapota k¨oz¨ott tartjuk a kaput. Egy kis fesz¨ ults´egv´altoz´as hat´as´ara az ´atv´alt´asi meredeks´egnek megfelel˝o negat´ıv er˝os´ıt´est kapunk. Ezt az ”ON Semiconductor” ´altal gy´artott kommerci´alis CD4069-es inverterrel [83], illetve MC14001B [82] t´ıpus´ u NOR kapuval (m´asik bemenete f¨oldelve) val´os´ıtottuk meg. Az ilyen t´ıpus´ u er˝os´ıt˝o fokozatokat (tipikusan 3,4 fokozat) kondenz´atorokkal kapcsoltuk egym´ashoz. Egy ilyen t´ıpus´ u, nyolccsatorn´as, n´egy 4069-es fokozat´ u er˝os´ıt˝o kapcsol´asi- ´es ny´akrajza l´athat´o a 40. a´br´an. A legt¨obbet haszn´alt detektor oldali er˝os´ıt˝o, a ”D.IN.3.16.” nev˝ u 16 csatorn´as, invertert ´es NOR kaput is tartalmaz´o er˝os´ıt˝o, melyn´el az er˝os´ıtett jelek egy 74HCT165 [84] t´ıpus´ u PISO (Parallel In / Serial Out) shift regiszterbe ker¨ ulnek fesz¨ ults´egeltol´as ut´an. A k¨ ul¨obfesz¨ ults´eg megfelel˝o megv´alaszt´as´aval (a zajszint felett kicsivel) mind a 16 csatorna 1 bites digitaliz´aci´oja t¨ort´enik meg. A soros kiolvas´as´ u regiszter haszn´alat´anak nagy el˝onye, hogy sok ilyen t´ıpus´ u egys´eg l´ancra f˝ uzhet˝o, s a tejles rendszer kiolvas´as´ahoz csak egy ´orajel ´es egyetlen visszaj¨ov˝o adat k´abel sz¨ uks´eges (valamint egy id˝okijel˝ol˝o jel a mintav´etel id˝opillanat´anak megad´as´ahoz). A ”D.IN.3.16.”-os elektronika ny´akrajz´at, illetve a k´esz panelt a 41 a´bra mutatja.
69
41. ´abra. Az ”D.IN.3.16.” nev˝ u digit´alis 16 csatorn´as er˝os´ıt˝o ny´akrajza (bal) ´es az elk´esz¨ ult panel (jobb). Az er˝os´ıt˝o mind a 16 csatorn´aja egy 4069-es ´es egy 4001-es kapu ut´an fesz¨ ults´egeltol´assal jut a shift regiszterbe, ahonnan k´es˝obb sorosan kiolvashat´o az 1 bitre digitaliz´alt adatsor. .
70
10.3.
Az anal´ızis program
A m´er´esek ki´ert´ekel´es´ehez az anal´ızis programot C/C + + nyelven ´ırtam. A program m´er´esi f´aljok egy list´aj´aval dolgozik; ez praktikus a teszm´er´esek ki´ert´ekel´es´en´el, mivel gyakran k´ıv´anjuk az egyes hasnol´o (egy-k´et param´eterben elt´er˝o) futtat´asokat egym´ashoz hasonl´ıtani. A listaf´aljban megadhatunk egy ”alapf´ajlt” is, melyet a t¨obbi r´eszletes anal´ızise el˝ott megvizsg´al a program. Ez a f´alj szolg´al referenciak´ent p´eld´aul a kamr´ak finom poz´ıcion´al´as´ahoz, vagy a k¨ ul¨onb¨oz˝o ADC csatorn´ak kalibr´al´as´ahoz. A programban t¨obb anal´ızis m´odot implement´altam, mely a l´enyegenesen k¨ ul¨onb¨oz˝o k´ıs´erleti ¨ossze´all´ıt´asokhoz tartoznak (a tov´abbiakban az CCC m´er´esekhez leggyakrabban haszn´alt m´odot mutatom be). Az anal´ızis sor´an t¨obbf´ele feladatot (”AnalyseTask”) v´egezhet¨ unk el. Minden ilyen feladatk¨ornek h´arom alapvet˝o bin´aris param´etere van melyeket ki ´es be lehet kapcsolni parancssori kapcsol´okkal : a sz´am´ıt´as, a k´eperny˝ore ´ır´as ´es a f´ajlba ment´es. Az anal´ızis m´od ´es a feladatok be´all´ıtsa ut´an a fent eml´ıtett alapf´ajl beolvas´asa k¨ovetkezik, majd a f´ajllista minden elem´ere elv´egzi a program a k´ıv´ant anal´ızist. A futtt´asokat k¨ ul¨on kezeli, s azokon bel¨ ul is minden esem´eny f¨ uggetlennek van tekintve. Az esem´eny szint˝ u anal´ızis sor´an a futtat´as adott esem´enyhez toroz´o adatait kell el˝osz¨or kamrajelekk´e konvert´alni (ismerve a kiolvas´asi l´ancot). Ezut´an m´ar kamra illetve kamrarendszer szinten lehet dolgozni az adatokkal. Az anal´og ´es digit´alis jeleken v´egzett anal´ızisek bemutat´as´at a k¨ovetkez˝o alfejezetekben mutatom be. A program l´ep´eseinek sematikus v´azlata a k¨ovetkez˝o: Az anal´ızis program l´ ep´ esei: 1. Param´eterek beolvas´asa 2. Anal´ızis m´od kiv´alaszt´asa 3. Lista f´ajl beolvas´asa 4. Alapstrukt´ ura r¨ogz´ıt´ese 5. Alapf´ajl megnyit´asa, param´eterinek beolvas´asa 6. Esem´eny ciklus (minen esem´eny vagy limit´alt) (a) Adatok beolvas´asa, dek´odol´asa (b) Esem´eny preanaliz´al´asa 71
7. Eredm´enyek ¨osszes´ıt´ese, alap param´eterek kisz´am´ıt´asa 8. Ki´ırat´as k´eperny˝ore 9. Minden futtat´asra a list´aban (a) Futtat´as param´etereinek beolvas´asa (b) Anal´ızis inicializ´al´asa (c) Minden esem´enyre i. Adatok beolvas´asa, dek´odol´asa ii. Esem´eny analiz´al´asa (d) Eredm´enyek sz´am´ıt´asa (e) Alap´abra-szktiptek k´esz´ıt´ese (f) Ki´ırat´as f´ajlba (g) Ki´ırat´as k´eperny˝ore 10. Alap´abr´ak megjelen´ıt´ese .
Az egyes esem´ enyek anal´ızis´ enek l´ ep´ esei: 1. Kamrajelek fel¨olt´ese 2. Klaszterkeres´es 3. Hat´asfok ´es uniformit´as sz´am´ıt´asa 4. R´eszecskep´alya keres´ese 5. Relat´ıv poz´ıcion´al´as vizsg´alata 6. Id˝of¨ ugg´es friss´ıt´ese 7. Mint´azat ´ertelmez´ese 8. Egy´eb speci´alis anal´ızisek
72
10.4.
M´ er´ esi ¨ ossze´ all´ıt´ asok
A CCC kamr´akat a Wigner FK g´azdetektor laborat´orium´an k´ıv˝ ul a CERN PS gyors´ıt´o T10-es nyal´abter¨ ulet´en is volt szerencs´enk tesztelni. A T10-es z´ona r´eszecskenyal´abja a HPTD-CCC tesztek c´eljainak t¨ok´eletes nagy impulzus´ u (1-6 GeV /c) r´eszecskenyal´abot biztos´ıt, mely az egym´as m¨og¨ott elhelyezett kamr´ak sor´an k¨onnyed´en ´athatol. A laborat´oriumi m´er´esek k¨oz¨ott a 90 Sr b´eta forr´asos m´er´esek mellett kozmikus m´er´eseket is v´egezt¨ unk, mely a nyal´abn´al is eml´ıtett nagy ´athatol´ok´epess´eg miatt alkalmas t¨obb kamra egyszerre t¨ort´en˝o tanulm´anyoz´as´ara. Ez az´ert is fontos, mivel bizonyos param´eterek (hat´asfok, sz¨ogfelbont´as) legink´abb a´thalad´o r´eszecsk´ekkel vizsg´alhat´oak megfelel˝o biztoss´aggal. A forr´asos m´er´esek eset´en a forr´as, kamra, szcintill´ator elrendez´est haszn´altuk s a szcintill´ator adta diszkrimin´alt jelre, mint triggerre olvastuk ki a kamra (mind digit´alis, mind anal´og) jeleit a megfelel˝o k´esleltet´essel (hasonl´oan, mint a ??. fejezetben). A kozmikus illetve PS nyal´abm´er´esek eset´en tipikusan a p´arhuzamosan elhelyezett kamr´ak el´e ´es m¨og´e elhelyezett szcintill´atorok koincidenci´aj´ara triggerelve olvastuk ki a kamr´ak jeleit (hasonl´oan, mint a ??. fejezetben).
42. ´abra. M´es´ei ¨ossze´all´ıt´as a CERN PS T10-n´el 2009 augusztus´aban. N´egy p´arhuzamosan ´all´o CCC kamra, 1 dimenzi´os digit´alis kiolvas´assal. El˝otte-m¨og¨otte 1-1 szcintill´ator a nyal´ab defini´al´as´ahoz. A rendszer az alum´ınium kerettel egy¨ utt k¨onnyen forgathat´o volt. A PS-es m´er´esi ¨ossze´all´ıt´asokr´ol k´esz´ıtett egy-egy fotogr´afia a 42., 43. ´es 44. ´abr´an l´athat´o rendre a 2009, 2010 ´es 2011-es ´evekhez kapcsol´od´oan. 73
A vez´erl˝oteremben illetve a z´on´aban haszn´alt elektronikai egys´egekr˝ol (l´asd 10.2.2. fejezet) a 45. ´abr´an l´athat´o egy-egy fotogr´afia.
43. a´bra. M´er´esi ¨ossze´all´ıt´as a CERN PS T10-n´el 2010 nyar´an. H´et CCC kamra, melyekb˝ol h´arom darab k´etdimenzi´os kiolvas´as´ u. Valamint a kisebb kamr´ak m¨og¨ott l´athat´o egy 50 cm-es CCC kamra, az els˝o nagym´eret˝ u technol´ogiai protot´ıpus. A kamr´akat itt is szcintill´arotok fogj´ak k¨ozre.
44. ´abra. M´er´esi ¨ossze´all´ıt´as a CERN PS T10-n´el 2011 nyar´an. 2x2 darab MIP kamra k¨oz¨ott foglal helyet a k´et 1 × 0.5m2 -es L0 kamra, valamint a 2010-es 50cm-es kamra.
74
45. a´bra. A CERN PS T10-es m´er´esi ¨ossze´all´ıt´ashoz tartoz´o vez´erl˝o ´es adatgy˝ ujt˝o elektronik´ak. (bal) A vez´erl˝oteremben l´ev˝o nagyfesz¨ ult´es´eg egys´egek, oszcilloszk´op, jelk´abelek v´egei ´es NIM keret a trigger logik´ak ´ep´ıt´es´ehez. (jobb) A m´er´esi z´on´an bel¨ ul volt ´erdemes elhelyezni a kisfesz¨ ult´esg˝ u t´apegys´eget, a szinctill´atorok er˝os´ıt˝oj´et (NIM keretben) ´es a Camac ADC-t. .
75
10.5.
´ Altal´ anos kamravizsg´ alat
A CCC kamr´ak ´altal´anos m˝ uk¨od´es´ehez el˝osz¨or az anal´og jeleket praktikus megvizsg´alnunk, mind oszcilloszk´opon, mind ADC m´er´esekkel. A digit´alis m´er´esek eset´en ezt a hat´asfok m´er´ese v´altja fel, mely a 9.3.2. fejezethez hasonl´oan a nagyfesz¨ ults´eg ´es diszkrimin´aci´os szintek megfelel˝o be´all´ıt´as´at k¨oveteli meg. Mindemellett a feldesz´alas CCC kamra 10.1. fejezetben bemutatott tulajdons´ag´at is meger˝os´ıtettem r´eszecskenyal´abos m´er´esekkel is. 10.5.1.
Anal´ og jelek
A kamra anal´og jeleinek vizsg´alat´at legegyszer˝ ubben r´adi´oakt´ıv b´eta forr´assal tehetj¨ uk meg. Az ´altalunk haszn´alt 90 Sr forr´as a´ltal keletett elektron energi´aja (l´asd 9.3.1. fejezet) elegend˝oen nagy ahhoz, hogy p´ar millim´eternyi u ¨ vegsz´alasepoxin ´athaladjon, ´ıgy a kamra ”´atl˝ohet˝o” vele. (A sug´arz´asnak csak egy r´esze halad ´at a kamr´an, a t¨obbi meg´all a kamra belsej´eben, falaiban.) A kamr´an ´athalad´o r´eszecsk´eket szcinitll´atorral ´erz´ekelj¨ uk, s ezt a jelet haszn´aljuk triggernek. Az els˝o CCC kamra ilyen tesztj´enek fot´oja l´athat´o a 46. ´abra bal oldal´an, m´ıg jeleinek oszcilloszk´opos k´epe az ´abra jobb oldal´an.
46. a´bra. (bal) Az els˝o CCC kamra, felette b´eta forr´as, alatta egy szcintill´ator, hogy trigerelni lehessen az ´atmen˝o r´eszecsk´ekre. (jobb) A bal oldali ¨ossze´all´ıt´as jelei az oszcilloszk´opon, z¨olddel a trigger, k´ekkel ´es lil´aval a kamra sz´alainak ´es parkett´ainak jelei; mint l´athat´o, t¨obb esem´enyre kumul´alva. A CCC kamr´akon haszn´alt nagyfesz¨ ults´eg f¨ ugg a sz´alak a´tm´er˝oj´et˝ol, a t¨olt˝og´azt´ol, valamint a bels˝o geometriai elrendez´est˝ol (8. ´es 10.1. fejezetek, illetve p´eld´aul [25] ´es [?]). Az ´altalunk ´altal´aban haszn´alt param´eterek eset´en (øSW 15 − 21µm, øF W 100 − 120µm, g´az: Ar/CO2 : 80/20) az ´erz´ekeny sz´alak standard fesz¨ ults´ege ≈ 1000 − 1050V , a t´erfom´al´o sz´alak ´es a kat´od pedig ≈ −500V . 76
B´ar a laborm´er´esek sor´an is k¨ozel minimum ioniz´al´o r´eszecsk´ekkel tesztel¨ unk, a nyal´abm´er´esek alkalm´aval is igazolni illik a kamr´ak norm´al m˝ uk¨od´es´et. A 47. ´abr´an l´athat´o a 2009-es els˝o CCC-s HPTD nyal´abteszt alkalm´aval r¨ogz´ıtett oszcilloszk´op ´abra, melyen az egyik CCC kamra (CCC-7) anal´og jele l´athat´o n´eh´any ´athalad´o nyal´abr´eszecsk´ere. A jel ´es a zaj kiv´al´oan sz´etv´alaszthat´o egym´ast´ol, mely a kamra kifog´astalan m˝ uk¨od´es´ere utal.
47. ´abra. Oszcillosz´op k´ep egy CCC kamra anal´og jelir˝ol a rajta a´thalad´o PS nyal´abban. A s´arga jel a szcintill´atorok koincidenci´aja, a z¨old a CCC7-es kamra sz´alair´ol vett jel. A jel ´es zaj tartom´any j´ol sz´etv´alik, a kamra megfelel˝oen m˝ uk¨odik.
77
10.5.2.
CCC u ¨ zemm´ od vizsg´ alata
A nyal´abm´er´esek sor´an a ”ferdesz´alas kamr´at” (l´asd: 10.1. fejezet illetve 35. ´abra) is tudtuk tesztelni nagyenergi´as ´athatol´o r´eszecsk´ekkel. A poz´ıci´o´erz´ekeny L1-es kamr´ak (l´asd: 10.6. fejezet) k¨oz´e helyezt¨ uk el a ferdesz´alas kamr´at. A PS-n´el haszn´alt nyal´ab el´eg sz´eles ahhoz (≈ 10cm), hogy szinte a tejles ferdesz´alas kamr´at lefedje, ´ıgy egyetlen futtat´as alkalm´aval egyszerre lehetett tesztelni a k¨ ul¨onb¨oz˝o sz´als´ıkt´avols´agokat. A scintill´arotokra triggerelt esem´enyek felv´etele sor´an az L1-es kamr´akat digit´alisan, m´ıg a ferdesz´alast CamacADC-vel olvastuk ki. ´Igy az L1-es kamr´ak ´altal meghat´arozhattam minden ´athalad´o r´eszecske p´aly´aj´at (l´asd: 10.3. ´es 10.6. fejezetek), melyb˝ol kisz´am´ıtottam a ferdesz´alas kamr´an val´o ´athalad´as hely´et. Az ´athalad´as hely´enek monoton f¨ uggv´enye a sz´alt´avols´ag, ´ıgy val´odi MIP r´eszecsk´ekkel v´alt vizsg´alhat´ov´a a CCC koncepci´o m˝ uk¨od´ese. A m´er´es sor´an (a kamra csak r´eszleges lefedetts´ege miatt) az 1.6 − 2.0mm sz´alt´avols´ag tartom´any´at vizsg´alhattam. Egyetlen (hossz´ u) futtat´as alkalm´aval a teljes ´erz´ekeny tartom´any szinte egyidej˝ u vizsg´alata v´alt lehets´egess´e adott fesz¨ ults´egen. K¨ ul¨onb¨oz˝o fesz¨ ults´eg-be´all´ıt´asokn´al vett¨ unk fel adatokat, u ´ gy, hogy a g´azer˝os´ıt´es k¨ozel azonos legyen minden esetben. Az anal´ızisem sor´an a ferdesz´alas kamr´at r´eszegys´egekre bontottam ”x” ir´anyban (azaz sz´alt´avols´agban is), s az esem´enyenk´ent kiolvasott t¨olt´est az L1-es kamr´ak ´altal meghat´orozott p´alya adta r´eszegys´eghez rendeltem hozz´a. Az egyes r´eszegys´egek Landau eloszl´asaib´ol az er˝os´ıt´est meghat´aroztam minden esetben. A k¨ ul¨onb¨oz˝o fesz¨ ults´egbe´all´ıt´asok mellett felvett eredm´enyeket a 48. ´abra mutatja. Az er˝os´ıt´es v´altoz´as´at ilyen kis elt´er´esn´el egyenessel k¨ozel´ıtve kisz´am´ıtottam az er˝os´ıt´es sz´alt´avols´agt´ol f¨ ugg˝o v´altoz´as´at is az alkalmazott fesz¨ ults´egar´any f¨ uggv´eny´eben, melyet a 48. a´bra jobb als´o r´esze mutat. A m´er´esek egy´ertelm˝ uen igazolj´ak, hogy l´etezik olyan fesz¨ ults´egbe´all´ıt´as, mely eset´en az er˝os´ıt´es a sz´alt´avols´agt´ol els˝orendben nem f¨ ugg (CCC m´od). Az sz´amszer˝ u eredm´enyek megegyeznek a sz´am´ıt´og´epes kalkul´aci´okkal ´es a b´eta forr´asos m´er´esekkel (10.1. fejezet).
78
SW: 800, FW: -920
SW: 850, FW: -780 120 Erősítés [adc]
Erősítés [adc]
120 110 100 90
110 100 90
80
80 1.6
1.7 1.8 1.9 Száltávolság [mm]
2
1.6
SW: 900, FW: -640 120 Erősítés [adc]
Erősítés [adc]
2
SW: 1000, FW: -360
120 110 100 90
110 100 90
80
80 1.6
1.7 1.8 1.9 Száltávolság [mm]
2
1.6
SW: 1050, FW: -220 Erősítés változása [%]
110 100 90 80 1.6
1.7 1.8 1.9 Száltávolság [mm]
1.7 1.8 1.9 Száltávolság [mm]
2
Relatív változás 0.1 mm-enként
120 Erősítés [adc]
1.7 1.8 1.9 Száltávolság [mm]
9 6 3 0 -3 -6 0
2
0.3
0.6 0.9 - UFW / USW
1.2
48. a´bra. Ferdesz´alas kamra ´es a CCC koncepci´o k´ıs´erleti vizsg´alata a PS nyal´abbal. Az els˝o ¨ot ´abr´an az er˝os´ıt´es sz´alt´avols´agt´ol val´o f¨ ugg´ese figyelhet˝o meg k¨ ul¨onb¨oz˝o fesz¨ ults´eg-be´all´ıt´asokn´al. A hatodik ´abr´an az el˝oz˝oek line´aris k¨ozel´ıt´es´eb˝ol sz´amolt relat´ıv er˝os´ıt´esv´altoz´as l´athat´o a t´erform´al´o ´es ´erz´ekeny sz´alak fesz¨ ults´egeinek ar´any´anak f¨ uggv´eny´eben. L´athat´o, hogy 900V /640V felel meg legink´abb a CCC u ¨ zemm´odnak. .
79
10.5.3.
Hat´ asfok
Az el˝oz˝o fejezetben megmutattam, hogy a CCC kamr´ak kiv´al´oan m˝ uk¨odnek, legal´abbis ami az anal´og jeleiket illeti. A HPTD detektorban a CCC kamr´akat azonban digit´alisan fogjuk kiolvasni, ´ıgy igen fontos, hogy a parkett´akon keletkezett jelek illetve a digit´alis elektronik´ak is megfelel˝oek legyenek. A kamra m˝ ud¨od´es´enek egyik legfontosabb jellemz˝oje a hat´asfok, mely megmutatja, hogy az ´athalad´o r´eszecsk´ek mekkora r´esz´et ´eszlelj¨ uk. A 9.3.2. fejezethez hasonl´oan ezt a kis szcintill´atorokon ´athalad´o nagyenergi´as r´eszecse adta jel koincidenci´ak´ara triggerelve m´erhetj¨ uk. Ar/CO2 : 80%/20% 1
0.9
0.9
0.8
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
Hatásfok
Hatásfok
Ar/CO2 : 90%/10% 1
0.5 0.4
CCC-4 CCC-5 CCC-7 CCC-8
0.3 0.2 0.1 0
800
900
0.5 0.4
CCC-4 CCC-5 CCC-7 CCC-8
0.3 0.2 0.1 0
1000
900
Érzékenyszál feszültsége [V] Ar/CO2 : 90%/10% 1 0.8 0.7
0.8 0.7
0.6 0.5 0.4
0.6 0.5 0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1 0 -600
CCC-4 CCC-5 CCC-7 CCC-8
0.9
Hatásfok
Hatásfok
Ar/CO2 : 80%/20% 1
CCC-4 CCC-5 CCC-7 CCC-8
0.9
1000
Érzékenyszál feszültsége [V]
0.1 -500
-400
-300
-200
-100
0
0
Térformálószál feszültsége [V]
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
Térformálószál feszültsége [V]
49. a´bra. A 2009-ben a PS-n´el m´ert hat´asfokg¨orb´ek a vizsg´alt n´egy darab CCC kamr´ara az ´erz´ekeny illetve t´erform´al´o sz´alak fesz¨ ults´eg´enek f¨ uggv´eny´eben. Mindk´et g´azkev´ek eset´en j´o hat´asfokot ´erhet¨ unk el m´eg a biztons´agos tartom´anyban. Egy adott kamra vizsg´alat´ahoz az anal´ızis sor´an a a t¨obbi kamra a´ltal meghat´arozott r´eszecskep´ay´akat tekintettem. Amennyiben volt egyetlen egyertelm˝ u p´alya, mely ´athaladt a vizsg´aland´o kamr´an is, megn´eztem, hogy az extrapol´alt ´athalad´asi hely k¨orny´ek´en (±1 parketta) volt-e be¨ ut´es a vizsg´aland´o kamr´aban. Ezek ¨osszesz´amol´as´aval pontosan megadhat´o a hat´asfok. 80
Term´eszetesen a hat´asfok f¨ ugg a digit´alis elektronik´ak k¨ usz¨obszintj´enek be´all´ıt´as´at´ol is, mint ahogy azt a 9.3.2. fejezetben m´ar kifejtettem. A CCC kamr´ak eset´eben is term´eszetesen elv´egezt¨ uk a diszkrimin´aci´os szint f¨ ugg´es vizsg´alat´at, kozmikus r´eszecsk´ekkel ´es a PS-n´el is. Az eredm´enyek hasonl´oak a 9.3.2. fejezetben m´ar bemutatottakkal. A hat´asok jelent˝osen f¨ ugg az alkalmazott fesz¨ ults´egekt˝ol ´es a g´azt´ol. Mint azt az anal´og m´er´esekb˝ol l´attuk a kat´odfesz¨ ults´eg csak m´asodlagos szerpet t¨olt be az er˝os´ıt´es kialak´ıt´as´aban. Egy kritikus ´ert´ek felett (≈ −300V ) m´ar az ¨osszes elektront id˝oben eljuttatja az ´erz´ekeny sz´alakhoz, ´ıgy ezen ´ert´ek felett ”szinte” mindegy, mekkora fesz¨ ult´esget kap. A CCC kamra viselked´es´enek sz´am´ıt´og´epes kalkul´aci´oib´ol, valamint a kor´abbi laborat´oriumi m´er´esekb˝ol is l´athat´o, hogy az egyes elektr´odok fesz¨ ults´egei k¨or¨ ulbel¨ ul SW : F W : C = 10 : 3 : 1 ar´anyban j´arulnak hozz´a az er˝os´ıt´eshez. A kat´odfesz¨ ults´eg mindv´egig −500V -on r¨ogz´ıtett volt. Az ´erz´ekenysz´alak fesz¨ ults´egf¨ ugg´ese eset´en a t´erform´al´o sz´alak fesz¨ ults´ege volt fix, m´ıg ford´ıtott esetben ford´ıtva. A m´er´eseket t¨obbf´ele g´azkev´ekkel megism´etelt¨ uk (Ar+CO2 g´azkever´ekek, 90% + 10% illetve 80% + 20% ar´anyban). Az eredm´enyeket a 49. ´abra mutatja mind a n´egy vizsg´alt kamr´ara. L´athat´o, hogy egyes kamr´ak nem ´ernek el olyan j´o hat´asfokot, mint m´asok. Ennek els˝odleges oka ´altal´aban az egyedi elektronikai csatorn´ak meghib´asod´asa, s nem a kamra nem megfelel˝o m˝ uk¨od´ese; ezt majd a 10.6. fejezetben mutatom meg. Egyetlen kamr´ara (CCC-7) vonatkoz´o eredm´enyeket foglal o¨ssze a 50. a´bra, aholis l´athat´o, hogy mindk´et g´azkever´ek eset´eben kiv´al´o hat´asfok volt el´erhet˝o a kamr´akkal.
Hatásfok
Különböző gázkeverékek összehasonlítása 1
1
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
800 900 1000 Érzékenyszál feszültsége [V]
10% CO2 20 %CO2
-600 -400 -200 0 Térformálószál feszültsége [V]
50. a´bra. A CCC-7-es kamra hat´asfokg¨orb´ei a k´etf´ele Ar : CO2 g´azkever´ek eset´en.
81
10.6.
L1 kamr´ ak
A HPTD detektor egyik fontos r´esze a L1 szint˝ u triggert szolg´altat´o kamrarendszer (7.2. fejezet). A fejezetben bemutatom a CCC kamr´ak ilyet´en hasz´alhat´os´ag´at a HPTD-n´el. Ehhez elengedhetetlen a kiv´al´o hat´asfok ´es helyfelbont´as, valamint a kicsi klaszterm´eret. A t¨obb kamr´ab´ol a´ll´o rendszern´el a be´erkez˝o r´eszecsk´ek sz¨og´enek rekonstrukci´oja, valamint a kamr´ak relat´ıv poz´ıcin´al´asa mellett az el˝oz˝o fejezetben bemutatott hat´asfok uniformit´as´at is vizsg´altam. Az L1-es haszn´alathoz a kamrarendszeren el˝o´all´o mint´azatokat is r¨ogz´ıtettem. 10.6.1.
Klaszterek
A CCC kamr´akr´ol ´erkez˝o digit´alis jeleken a klasztereket t¨obbf´elek´eppen lehet defini´alni, jelen esetben az egybef¨ ugg˝o ”1”-esek sorozat´at fogom ´erteni ez alatt. A klaszter m´erete az azt alkot´o megsz´olal´o parkett´ak sz´ama, az ´athalad´o r´eszecsk´ehez rendelt hely pedig a klaszter k¨ozepe (ami egy f´eleg´esz sz´am a kamra lok´alis koordi´atarendszer´eben). A digit´alis jelek ascii vizualiz´aci´oj´at mutatja a 51. ´abra, melyen a nem z´erus sz¨ogben be´erkez˝o r´eszecsk´ek nyom´at szemmel is j´ol l´athatjuk.
51. ´abra. A m´er˝oprogram (l´asd 10.2.1. fejezet) a´ltal online, ASCII-ban vizualiz´alt, n´eh´any esem´eny. Az esem´eny sorsz´am´at ´es az mikroszekundumban eltelt id˝ot k¨ovet˝oen l´athat´oan a digit´alis jelek, ahol az ”X” karakter az 1-es a ”.” karakter a 0 bitnek felel meg. A n´egy L1 kamr´at tartalmaz´o m´er´esben j´ol l´athat´o minden esem´enyben a nagy sz¨ogben ´erkez˝o r´eszecsk´ek p´aly´aja. 82
A HPTD eset´en a CCC kamr´ak egyik nagy el˝onye, hogy a relat´ıv kis m´ert˝ u klaszterek seg´ıts´eg´evel a digit´alis kiolvas´as ellen´ere is kis bet¨olt¨otts´eget biztos´ıt. A klaszterek m´erete a sz´alt´avols´agon t´ ul a lavina m´eret´evel, s ´ıgy a hat´asfokkal f¨ ugg ¨ossze k¨ozvetlen¨ ul. A 52. ´abr´an l´athat´o, hogy mik´ent f¨ ugg az a´tlagos klaszterm´eret a hat´asfokt´ol. (A HPTD-n´el az ide´alis eset a 100 % hat´asfok ´es 1.0 ´atlagos klaszterm´eret lenne.) Valamint j´ol l´athat´o, hogy az hat´asfok-klaszterm´eret g¨orbe nem f¨ ugg a g´azkever´ek o¨sszet´etel´et˝ol (a vizsg´alt mint´an).
Átlagos klaszterméret
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1
0.5
0.6
0.7 0.8 Hatásfok
0.9
1
´ 52. a´bra. Atlagos klaszterm´eret a kamra hat´asfok´anak f¨ uggv´eny´eben, l´athat´o, hogy az alkalmazott g´azkever´ekek eset´en azonos. A k´et sz´ın a k´etf´ele haszn´alt g´azkever´enek felel meg Ar : CO2 90:10 illetve 80:20 ar´anyban. 10.6.2.
Nem mer˝ olegesen be´ erkez˝ o r´ eszecsk´ ek
Az ALICE m´agneses ter´eben halad´o t¨olt¨ott r´eszecsk´ek sz¨og alatt ´erik el a HPTD-t alkot´o CCC kamr´akat. B´ar az L1-et ad´o mint´azatok bonyolult strukt´ ur´ak, els˝odlegesen a bees´esi sz¨oggel k¨ozel´ıthet˝oek. A CERN PS T10-es z´on´aj´aban v´egzett m´er´esek sor´an az egym´as m¨og¨ott p´arhuzamosan elhelyezett CCC kamr´ak egy k¨oz¨os kerethez voltak r¨ogz´ıtve; ´ıgy a keretet a nyal´abir´anyhoz k´epest elforgatva k¨onnyen vizsg´alhat´ov´a v´alt a kamr´ak sz¨ogfelbont´asa illetve a kamr´ak hat´asfok´anak sz¨ogf¨ ugg´ese. A 2009-es, n´egy CCC kamr´ab´ol ´all´o ¨ossze´all´ıt´as fenti m´odon vett sz¨ogmeghat´aroz´o k´eszs´eg´et a 53. ´abra mutatja. A detekt´alt sz´or´as a kamra-rendszer felbont´as´anak ´es a nyal´ab ir´anysz´or´as´anak egy¨ uttese. L´athat´o, hogy a bees´esi sz¨og n¨oveked´es´evel a felbont´as jelent˝osen nem romlik. 83
16 14 Detektált szög [fok]
12 10 8 6 4 2 0 -2
0
2
4
6
8
10
12
14
Elforgatás szöge [fok]
53. a´bra. N´egy kamr´ab´ol a´ll´o CCC rendszer sz¨ogmeghat´aroz´o k´epess´ege. Az ´abr´an a detekt´alt sz¨og a be´all´ıtott f¨ uggv´eny´eben l´athat´o, a felt¨ untetett hib´ak az eloszl´as sz´or´as´at mutatj´ak (mely a nyal´ab ´es a kamr´ak egy¨ uttes bizonytalans´aga). A kamr´aban a bees´esi sz¨og n¨ovekedt´evel a r´eszeke adott parketta feletti p´alyadarabj´anak v´arhat´o hossza cs¨okken, ´ıgy a romlik a hat´asfok is. A 54. ´abr´an l´athat´o, hogy a VHMPID sz´am´ara ´erdekes tartom´anyban (10GeV /c → 2.1o ), s˝ot b˝oven azon t´ ul is a CCC kamr´ak detekt´al´asi hat´asfoka kit˝ un˝o. 100
Hatásfok [%]
98
96
94
92
90
0
2
4
6
8
10
12
14
Elforgatás szöge [fok]
54. ´abra. CCC kamr´ak hat´asfoka a bees´esi sz¨og f¨ uggv´eny´eben. A nagy impulzus´ u r´eszecsk´ekhez fontos p´ar fokos tartom´anyban (s azon t´ ul is) a hat´asfok kit˝ un˝o.
84
10.6.3.
Relat´ıv poz´ıcion´ al´ as
A t¨obb elemet tartalmaz´o detektorrendszerekn´el igen fontos az alrendszerek gol´ablis illetve lok´alis poz´ıcion´al´asa valamint deform´aci´oik ismeret. Term´eszetesen ezek id˝oben v´altozhatnak, valamint p´eld´aul az alkalmazott m´agneses t´ernek is f¨ uggv´enyei. Nagy k´ıs´erletekben ezek igen ¨osszetett feladatokk´a v´alnak [87], ak´ar t¨obb ezer szabads´agi fokkal. Az optikai m´er´eseken t´ ul maguk a m´ert adatok, rekonstru´alt r´eszecskep´aly´ak is seg´ıthetik prec´ız a poz´ıcion´al´ast. A csup´an neh´any p´arhuzamos kamr´ab´ol ´all´ u L1-es tesztm´er´es eset´en ezen probl´ema nagyban leegyszer˝ us¨odik. Mivel detektorunk felbont´asa a millim´eteres sk´al´an mozog, ´ıgy a kamr´ak keret´eu ¨ l szolg´al´o ´allv´any pontosank tekinthet˝o, s a kamr´ak ”x” (padekre mer˝oleges) ir´any´ u igaz´ıt´asa k´erd´eses. Ezen param´etert a haszn´alt ¨ossze´all´ıt´asban egy k´ezzel ´all´ıthat´o csavar fix´alta, mellyel 10 mm-en bel¨ ul ´all´ıthat´o volt a kamr´ak helyzete. A r´eszecskep´aly´ak seg´ıts´eg´evel vizsg´aljuk a detektorok param´etereit, valamint a r´eszecskenyomok mint´azat´anak vizsg´alat´ahoz is igen fontos az x ir´any´ u poz´ıcion´al´as. M´agneses t´er hiny´aban a r´eszecsk´ek (mind a kozmikus, mind a nyala´abtesztesk eset´en) egyenes vonal´ u p´aly´an haladnak. A r´eszecskep´aly´at a kamr´akon l´ev˝o klaszterekre illesztett egyenessel azonos´ıtjuk. Minden kamr´an meghat´arozhat´o a p´alya illetve a klaszter t´avols´ag´anak eloszl´asa. Ezen eloszl´as sz´eless´ege a kamra helyfelbont´as´at adja, m´ıg ´atlag´anak null´at´ol val´o elt´er´ese a nem megfelel˝o relat´ıv poz´ıcion´al´asra utal. Ezen ´ert´ek ugyan nem maga a kamra relat´ıv poz´ıci´oja, hiszen a t¨obbi kamra helyzet´et˝ol is f¨ ugg, a´m nem rossz k¨ozel´ıt´est ad a k´erd´eses ´ert´ekre. ´Ily m´odon n´eh´any iter´aci´o ut´an megkaphatjuk a megfelel˝o poz´ıci´okat. Term´eszetesen ez azt jelenti, hogy a pontos poz´ıcion´al´ashoz m´ar az elej´en rendelkez´es¨ unkre ´allt minden inform´aci´o, azaz l´etezik egyl´ep´eses m´odszer is: ha a kamr´ak fenti poz´ıcion´al´asi pontatlans´ag´at egyszerre k´ıv´anjuk minimaliz´alni. Legyen N p´arhuzamos kamra, nyal´abir´anyban z n t´avols´agban, relat´ıv x-ir´any´ u poz´ıci´ojuk: dn , ahol: n = 1..N. A m´ert I darab N-pontos esem´enyn´el a klaszterek k¨oz´eppontjai: yin , az illesztett egyenes pedig: mi · z n + bi , ahol i = 1..I. A minimaliz´aland´o mennyis´eg: a dn -ek figyelembe v´etel´evel kapott hib´ak a teljes esem´enysoron: ERR =
XX i
n
(mi · z n + bi + dn − yin )2
(16)
ennek minimum´at keresve a megfelel˝o parci´alis deriv´altak bi , mi , dn szerint 85
rendre: X ∂ERR ⇒ (mi z n + bi + dn − yin ) = 0, ∀i ∂bi n X ∂ERR ⇒ (mi z n z n + bi z n + dn z n − yin z n ) = 0, ∀i ∂mi n X ∂ERR (mi z n + bi + dn − yin ) = 0, ∀n ⇒ ∂dn i
(17) (18) (19)
Mivel a rendszer invari´ans a x-ir´any´ u eltol´asra illetve elforgat´asra, ´ıgy a ha dn n n n megold´as, akkorD = d + A0 z + B0 is megold´as, ahol A0 ´es B0 tetsz˝oleges val´os konstansok. Ez´ert tehet¨ unk m´eg k´et megszor´ıt´ast a rendszerre, legyenek ezek a k¨ovetkez˝ok: a teljsen detektorrendszer ”maradjon a hely´en” : X
dn = 0
(20)
n
valamint feltehetj¨ uk, hogy a kozmikus illetve nyal´abr´eszecsk´ek a´tlagos bees´esi sz¨oge z´erus : X mi = 0 (21) i
Az (17) egyenletb˝ol mi -t kifejezve, s be´ırva (18) egyenletbe kapjuk: P
n
X X X yin − Nbi X n n n n n z z + b z + z d − z n yin = 0 i n nz n n n n
P
(22)
Az egyszer˝ ubb ´ır´asm´od kedv´e´ert bevezetem az k¨ovetkez˝o jel¨ol´eseket: P P P P n P Z = n z , B = i bi , Y n = i yin , Yi = n yin , UV = n un v n . ´Igy az el˝oz˝o egyenletb˝ol a nevez˝ot elt¨ untetve kapjuk: ZZYi + ZDZ − XZYi = bi (NZZ − ZZ)
(23)
Valamint (19) egyenlet a kezdeti megszor´ıt´asok miatt egyszer˝ uen Idn = Y n − B
(24)
Ezt z n -en szorozva ´es szumm´azva minden n-re a kapott kifejez´esb˝ol DZ-et be´ırva (23) egyenlet i-re szumm´azott v´altozat´aba kapjuk: ZZY + IZ(
ZZY − ZZB ) − ZZY = B(NZZ − ZZ) IZ
(25)
abib˝ol azonnal ad´odik: BN = Y , amit be´ırva (24) egyenletbe: NY n − Y d = = IN n
P
86
i
I
yin
−
P P i
n
IN
yin
(26)
Az anal´ızis sor´an a fenti sz´am´ıt´asok alapj´an az ”el˝oanal´ızis” r´eszben (l´asd 10.3. fejezet) kisz´amolom a relat´ıv poz´ıcion´al´ast egy adott futtat´ashoz. Ezt haszn´alom az anal´ızis sor´an a kamr´ak lok´alis ´es a rendszer glob´alis koordin´atarendszere k¨oz¨otti v´alt´azhoz; p´eld´aul a glob´alis p´alya meghat´aroz´asa a lok´alis klaszterkb˝ol, illetve a ford´ıtott ir´anyban a hat´asfokok sz´am´ıt´as´ahoz. A 55. ´abr´an a 2010-es tesztm´er´es egyik futtat´as´ara l´athatjuk a fenti igaz´ıt´as hat´as´at h´arom v´eletlenszer˝ uen v´alasztott kamr´ara. J´ol l´athat´o (s az a´br´an l´ev˝o sz´amok is mutatj´ak), hogy az igaz´ıt´as ut´ani a´tlagos v´arhat´o elt´er´es a parkettam´eret sz´azadr´esze pontoss´aggal z´erus, ami igazja a fenti m´odszer haszn´alhat´os´ag´at ezen egyszer˝ u rendszeren.
Átlag: -0.0151
Gyakoriság
MT3Sw
-1
0
1
CCC8Pad
-1
Gyakoriság
dX [parketta]
-1
0 dX [parketta]
0
1
MT2Pad
-1
dX [parketta]
Átlag: -0.0005
MT3Sw igazítva
Átlag: -0.1026
1
CCC8Pad igazítva
-1
0
0
1
dX [parketta]
Átlag: -0.0027
dX [parketta]
Átlag: -0.5574
1
MT2Pad igazítva
-1
Átlag: -0.0021
0
1
dX [parketta]
55. a´bra. Egyes kamr´akon tal´alt klaszterek ´es a teljes rendszerrel meghat´arozott r´eszecskep´alya adta pont elt´er´ese. A fels˝o sorban a nyers adatokb´ol, az als´o sorban a fejezetben kifejtett poz´ıcion´al´as ut´an.
87
10.6.4.
Helyfelbont´ as
Az egyedi CCC kamr´ak helyfelbont´as´ast megkaphatjuk a kamr´an hagyott be¨ ut´es/klaszter hely´enek ´es az igazi p´alya metsz´esi pontj´anak k¨ ul¨onbs´eg´enek az eloszl´as´asnak sz´or´as´ab´ol. Az igazi p´aly´at term´eszetesen nem ismerhetj¨ uk, ´am megfelel˝oen sok kamra eset´en az ¨osszesre illesztett egyenes igen j´ol k¨ozel´ıti az igazi p´aly´at. A m´er´eshez egy relat´ıve sok r´eteget tartalmaz´o HPTD elrendez´est (2011. ny´ari teszt m´er´esek: 7 p´arhuzamos kamra) haszn´altam. A 55. ´abr´an l´atszik h´arom kamra eset´ere az illesztett egyenes be¨ ut´est˝ol m´ert t´avols´ag´anak eloszl´asa. A felbont´ast az el˝obbi eloszl´as sz´or´asa adja, mely mindegyik karma eset´en ≈ 0.3 parketta azaz ≈ 1.3mm. A fenti eredm´eny digit´alis kiolvas´as eset´en a v´art ´es kiv´al´o ´ert´ek. Term´eszetesen anal´og kiolvas´assal a CCC kamr´ak felbont´asa is javul, ezt r´eszletesen a [?] cikkben t´argyaljuk. A helyfelbont´asb´ol ad´od´oan a na´ıv sz¨ogfelbont´as is meghat´arozhat´o a p´ar kamr´ab´ol ´all´o rendszerekre. Ekvidiszt´ans L t´avols´ag´ u N elem˝ u rendszern´el: √ ∆α ≈ ∆x/L/ N Azonban az L1 trigger eset´en nem egyszer˝ uen a rekonstru´alt bees´esi sz¨ogb˝ol, hanem a kamrarendszeren hagyott teljes mint´azatb´ol k¨ovetkeztet¨ unk a be´erkez˝o r´eszecske impulzus´ara (l´asd az 7.2. ´es 10.6.6. fejezetekben). Valamint a val´os k¨or¨ ulm´enyek k¨oz¨ott megjelen˝o m´as r´eszecsk´ekt˝ol sz´armaz´o be¨ ut´esek (h´att´er) jelent˝osen elbonyol´ıtan´ek a sz¨ogrekonstrukci´ot.
88
10.6.5.
Uniformit´ as
A uk¨od´es´enek a hat´asfok az egyik legjobb indik´atora, . kamra megfelel˝o m˝ a´m a lok´alis hib´akra igen ´erz´ekeny (p´eld´aul elektronik´ak meghib´asod´asa). A kamra jeleinek helyf¨ ugg´es´et is figyelembev´eve defini´alhatjuk a kamra hat´asfok t´erk´ep´et, uniformit´as´at. A hat´asok sz´am´ıt´as´ahoz hasonl´oan a vizsg´alt kamra kiv´etel´evel a t¨obbire illesztett egy´ertelm˝ uen meghat´arozott egyenes p´aly´ab´ol indultam ki. Amennyiben a kamra a megfelel˝o helyen megsz´olalt, j´o esem´enyk´ent regisztr´alom, ellen kez˝o esetben nem. Ezen esem´enysz´aml´al´ast nem a tejles kamr´an, hanem annak egy tetsz˝olegesen v´alasztott teljesen diszjunk felbont´as´an (part´ıcion´al´as´an) vizsg´alva megkaphatjuk a hat´asfok t´erk´ep´et. A part´ıci´okat az anal´ızis sor´an a parkett´akhoz (azaz az elemi elektronikai csatorn´akhoz) igaz´ıtottam.
Hatásfok [%]
Uniformitás 100
100
100
90
90
90
80
80
70
80
70
MT-3
60
60
50 16
32
48
50 0
Parketta
16
32
48
0
Parketta 100
100
90
90
90
80
80 CCC-7
60
50 0
16
32
Parketta
48
48
MT-1
70
60
50
32
80 CCC-8
70
60
16
Parketta
100
70
CCC-5
60
50 0
Hatásfok [%]
70
CCC-4
50 0
16
32
Parketta
48
0
16
32
48
Parketta
56. a´bra. Az ´abr´ak az egyes kamr´ak helyf¨ ugg˝o hat´asfok´at (uniformit´as´at) mutatj´ak, a bizonytalans´agi hat´arok a 95%-os val´osz´ın˝ us´eget (likelihood) jelzik. A folytonos k´ek vonal a teljes kamra hat´asfok´at mutatja. L´atszik, hogy a kamr´ak 95-98-99%-os hat´asfokot hoznak hib´an bel¨ ul egyenletesen. A 56. ´abr´an l´athat´o hat kamra hat´asfok t´erk´epe / uniformit´asa, a 95%-os likelihood hat´arokkal, valamint a teljes kamra hat´asfok´aval. Az ´abr´an kiv´al´oan l´aszik, hogy a kamra hat´asfoka igen egyenletes. A nyal´ab ´es szcintill´atorok m´eret´eb˝ol ad´od´oan az eg´esz kamr´at nem lehetett egyszerre vizsg´alni, a nyal´ab sz´el´en megjele˝o kisebb statisztika okozza a kamr´ak sz´elein a nagy ´ert´ekbizonytalans´agot. Egyes kamr´akn´al l´athat´o, hogy n´eh´any csatorn´ahoz jelent˝osen kisebb hat´asfok tartozik, mint a t¨obbihez (p´eld´aul: CCC-5: 33,34). Ezek az er˝os´ıt˝o elektronik´ak egyes csatorn´ainak elroml´as´at mutatj´ak (´es az elektronika cser´ej´evel kezelhet˝oek). 89
10.6.6.
Min´ azatok
A HPTD L1-es trigger´enek egyik igen fontos r´esze az esem´enyv´alogat´as. A detektor r´etegeiben hagyott r´eszecskenyomok bin´aris jeleib˝ol kell kital´alni, hogy volt-e nagy impulzus´ u r´eszecske. Ha a bin´aris lehet˝oseget B = 0, 1 halmaznak nevezz¨ uk, akkor a teljes detektorban keletkez˝o mint´azatok (”teljes mint´azatok”) halmaza T = B N ·L·K , ahol N a r´etegek sz´ama, L a φ ir´any´ u m´ıg K az η ir´any´ u parkettafelbont´as. Mivel ezen teljes mint´azathalmaz t´ ul nagy, m´eg a jelen sz´am´ıt´asi kapacit´asok sz´am´ara is (sz´amoss´aga k¨or¨ ulbel¨ ul 106000 egy egy n´egyzetm´eteres darabra) ez´ert mindenk´eppen ´erdemes a feladatot a matematikai oldal´ar´ol is megk¨ozel´ıteni. Bevezethetj¨ uk az ”egyr´eszecske nyom” fogalm´at, mely egyelen r´eszecske keltette mint´azat a detektroban. Term´eszetesen ezek T egy r´eszhalmaz´at adj´ak (E). Ezen t´ ul fontos bevezetni egy R rendez´est (nem teljes rendez´es, csak r´eszleges rendez´es) mint rel´aci´ot a fenti T halmazon, mely a megmutatja, hogy egy mint´azat tartalmazza-e egy m´asik mint´azatot. Legyen a rendez´esi el a k¨ovetek˝o: a, b ∈ T : R(a, b) ⇐⇒ ∀l, n, k anlk ≤ bnlk
(27)
Fogalmazzuk meg a keres´esi feladatot a fenti fogalmakkal. Legyen adott a sz´amunkra ´erdekes egyr´eszecskemint´azatok halmaza (p´eld´aul jelen esetben a 10 GeV/c-n´el nagyobb impulzus´ u r´eszecsk´ek ´altal hagyott lehets´eges nyomok), jel¨olj¨ uk S≥10 . A k´erd´es, hogy van-e ´erdekes r´eszecsk´ekre utal´o mint´azatdarab a detekt´alt a ∈ T teljes mint´azatban: ∃?s ∈ S≥10 R(s, a)
(28)
A teljes mint´azatok egy kommutat´ıv monoidot (egys´egelemes f´elcsoport) alkotnak ha m˝ uveletk´ent a egym´asra szuperpon´al´ast ´ertj¨ uk. a, b ∈ T : (a + b)nlk = max(anlk , bnlk )
(29)
Ennek legfontosabb haszna, ha egy mint´azatot az egyr´eszecske nyomokkal szeretn´enk le´ırni. J´o fizikai k¨ozel´ıt´es ugyanis, ha a teljes mint´azatot mint az azt kelt˝o egyedi r´eszecsk´ek mint´azatainak szuperpon´al´as´aval ´ırjuk le. Term´eszetesen el˝ofordul, hogy az egyetlen r´eszecske a´ltal a detektorban hagyott energi nem elegend˝o a parkettajel megsz´olaltat´as´ara, ´am t¨obb r´eszecske azonos helyen m´ar megsz´olaltatja az adott bitet, ´am ez a gyakorlatban (k¨ ul¨on¨osen a jelen nagy hat´asfok´ u detektorokn´al) elhanyagolhat´o. 90
Az egyedi r´eszecsk´ek szuperpoz´ıci´oja: 1 2 a(r 1 , r 2 , ..)nlk = rnlk + rnlk + ...
(30)
rel´aci´oban ´all az r 1 , r 2 , .. r´eszecsk´ek ´altal egy¨ uttesen keltett mint´azattal, ez az esetek nagyr´esz´eben azonos is, ´ıgy a tov´abbiakban ezeket egyen´ert´ek˝ unek tekintem. A fenti strukt´ ura m´eg nem egyszer˝ us´ıti a mint´azatkeres´est, csak a m´odj´at adja meg. Az egyszer˝ us´ıt´esekhez a jelens´eg fizik´aj´ahoz kell visszafordulnunk. Az u ¨ tk¨oz´esben keletkez˝o els˝odleges r´eszecsk´ek η ir´anya nem v´altozik mozg´asuk sor´an, ´ıgy els˝o k¨ozel´ıt´esben a el´eg a ”s´ık mint´azat”-okat (B N L ) vizsg´alnunk. Tov´abb´a a 7.2. fejezetben is ismertetett radi´alisan n¨ovekv˝o parkett´ak haszn´alat´aval a parkett´ak mint egy l´atsz´olagos g¨omb/gy˝ ur˝ u strukt´ ur´at kapnak, ´ıgy a egyes r´eszecsk´ek a´ltal keltett mint´azatok forg´asszimmetri´aja a detektorban egy eltol´asi ekvivalenci´at hoz l´etre. Defin´alva a fentieknek megfelel˝o ekvivalencia rel´aci´ot a T halamzon: a, b ∈ T , a ∼ b ⇐⇒ ∃dl, dk ∈ Z : anlk = bn l+dl k+dk
(31)
l´athatjuk, hogy ez val´oban ekvivalencia rel´aci´o, hiszen szimmetrikus, tranzit´ıv ´es trivi´alisan reflex´ıv. Ezzek az ekvivalenci´aval mint maggal faktoriz´alhatjuk a teljes mint´azatok halmaz´at T -t, s˝ot, ami m´eg jelent˝osebb, az egyr´eszecske mint´azatokat is. ´Igy a keresend˝o mint´ak egy kicsi, S/ ∼ faktorhalmazra reduk´al´odnak. Mivel nagy impulzus´ u r´eszecsk´ek csak kiss´e g¨orb¨ ulnek, ´ıgy maximaliz´aljuk az ´ert´ekes egyr´eszecske-minta L beli ”sz´eless´eg´et”, ´ıgy |S≥10 / ∼ | = 2N ·M axL . A fenti faktorhalmazokon is ´ertelmezhet˝o az ¨osszead´as ´es tartalmaz´as, de ez nem a T belinek homomorf k´epe. A keresend˝o mintahalmaz faktor´ahoz ´erdemes igaz´ıtani a vizsg´aland´o m´ert detektorv´alasz egyes darabjait, ´ıgy defini´alhatjuk a : Fdl,k : T → B N ·M axL , F (a)n,l = an,l+dl,k
(32)
f¨ uggv´enyt, mely a teljes mint´azatb´ol egy η szeletben a dl-lel elt´olt MaxL hossz´ u r´eszt v´egja ki. Ezen fogalmakkal a mintakeres´es a k¨ovetkez˝ok´eppen alakul: Minen η szeletre (k) p´arhuzamosan v´egezhet˝o. A finom felbont´as´ u φ ir´anyban (l) folyamatosan l´epnek be az adatok a CCC kamr´ak digit´alis elektronik´air´ol. Mindig vegy¨ uk az utols´o MaxL sz´eles darabot, s n´ezz¨ uk meg, hogy van-e benne a keresett mintahalmazb´ol. Teh´at a m´ert mint´azaton (m ∈ T ) ´ıgy n´ez ki: ∀k ∀l ∃? s ∈ S≥10 / ∼ : R∼ (s, Fl,k (m)) (33) 91
A PS nyal´abm´er´esek alkalm´aval a kamrarendszer elforgat´as´aval j´ol lehetett a sz¨og alatt ´erkez˝o r´eszecsk´eket vizsg´alni (l´asd 10.6.2. fejezet). Ezen m´er´esek tudnak azonban alapul szolg´alni a mint´azatvizsg´alatoknak is. A szimul´aci´os mint´azatvizsg´alathoz hasonl´o m´odszerrel kell a k´ıs´erleti adatokkal is elj´arni. Az anal´ızis programomban lehet˝os´eg van a mint´azatok vizsg´al´as´ara ´es oszt´alyoz´as´ara is. A m´er´esekn´el fix´altam MaxL ´ert´ek´et, s minden el˝ofordul´o mint´azatot (melyek egyr´eszecskemint´azatok) r¨ogz´ıtettem, s sz´amoltam el˝ofordul´asi gyakoris´agukat. Az ´ıgy kapott gyakoris´ageloszl´as a szimul´aci´os koll´eg´aknak igen fonots input, mivel ez seg´ıthet a realisztikus detektorparam´etereket a szimul´aci´oban be´all´ıtani. Az esem´enyciklus v´eg´en az R∼ rendez´es seg´ıts´eg´evel kiv´alasztottam az legelemibb egyr´eszecskemint´azatokat, s a ritk´akat elhanyagolva (mint a 7.2. fejezetben) megkaphatjuk az adott sz¨oget reprezent´al´o mint´azathalmazt. Az ALICE k´ıs´erletben az L1-es mint´azatkeres´es egy FPGA egys´egen lesz implement´alva. Egy ilyen FPGA labortesztjeihez, detektorkommunik´aci´oj´anak ´es mint´azatkeres˝o k´epess´eg´enek vizsg´alat´ahoz is ide´alis volt a val´os mint´ak r¨ogz´ıt´ese. Ezek seg´ıts´eg´evel emul´alhattuk a detektor k´es˝obbi m˝ uk¨od´es´et mind pr´obaadatokon, mind pedig val´os esem´enyeken. Az FPGA egys´eg fejleszt´ese ´es funci´oinak implement´al´asa jelenleg is akt´ıv munka a csoportban, jelenleg Lipusz Csaba kor´abbi munk´ait Melegh Hunor ´es Monostroti Bal´azs folytatja ´es fejleszti tov´abb [65] [66].
92
10.7.
L0 kamr´ ak
A HPTD detektornak proton-proton u ¨ tk¨oz´esekn´el L0 triggert is kell szolg´altatnia (l´asd 7.3. fejezet). Az L0 triggerhez sz¨ uks´eges nagy m´eret˝ u ”szuperparkett´akat” (SuperPad), k´ıs´erletileg ´erz´ekeny sz´alak csoportos´ıt´as´aval ´erj¨ uk el. A szimul´aci´oknak megfelel˝oen [62] a p´ar cm sz´eles csoportokat k´ıv´antuk tesztelni. A meg´ep´ıtett kamr´akon a 4 mm-re l´ev˝o ´erz´ekeny sz´alakb´ol k´etf´ele csoprotot is realiz´altunk: 5 sz´al (20 mm) illetve 12 sz´al (48 mm) ¨osszek¨ot´es´evel. Az ´ep´ıtett kamr´ak megfeleltek az elv´art felt´eteleknek, az L0 triggerel´eshez megfelel˝o id˝oz´ıt´es, a kiv´al´o hat´asfok, s a nagy m´eretben is igen kis holt t´er igazolta a kamr´ak ´es a techol´ogia haszn´alhat´os´ag´at.[107] A meg´ep´ıtett kamr´ak voltak a CCC technol´ogi´aval k´esz¨ ul˝o els˝o 1 m´eteres kamr´ak, ´ıgy a nagy m´eretb˝ol ad´od´o probl´em´akat ´es megold´asaikat is itt t´argyalom. 10.7.1.
Kamra´ ep´ıt´ es
A CCC kamr´ak ´ep´ıt´esi technol´og´aj´anak k´epes bemutat´oj´at a 57. a´bra fot´osorozata mutatja. B´ar a kamra´ep´ıt´est a nagy m´eret˝ u L0 kamr´akon mutatom be, a kisebb m´eret˝ u L1-es kamr´ak is hasonl´oan k´esz¨ ultek. A kamra´ep´ıt´es els˝o l´ep´ese az alapny´ak megtervez´ese ´es legy´art´asa ut´an, hogy az alapny´akra felragasszuk a grav´ırozott sz´altart´okat, melyek a sz´alakat sz´epen egym´ast´ol 4-4 mm t´avols´agban tartja a kamra k´et v´eg´en. A elemek ragaszt´as´ahoz, s a k´es˝obb taglalt ragaszt´asi folyamatok mindegyik´ehez araldit alap´ u ragaszt´ot (Uverapid 20 [63]) haszn´altunk. Nagy m´eret˝ u kamr´ak eset´en (mint ezen L0 kamr´ak is) a hossz´ u sz´alak jelent˝os bel´og´as´at t´avtart´ok elhelyez´es´evel cs¨okkentj¨ uk, ´ıgy kisebb h´ uz´oer˝o is el´egs´eges a sz´alak fesz´ıt´es´ehez. A t´avtart´ok a sz´alvezet˝okkel p´arhuzamosan helyezkednek el a kamr´aban, 15-20 cm t´avols´agban egym´ast´ol. A t´avtart´okn´al term´eszetesen nem lesz ´erz´ekeny a kamra, a´m igen kicsi (k¨or¨ ulbel¨ ul 2 %) effekt´ıv kies´est jelent (l´asd 10.7.3. fejezet). Az egym´ast´ol adott t´avols´agban elhelyezked˝o sz´alak s´ıkj´at az alapny´akt´ol f¨ uggetlen¨ ul ´all´ıtjuk el˝o. Egy sz´etszerelhet˝o kett˝os keretet egy forgathat´o tengelyre r¨ogz´ıt¨ unk. A keretnek er˝os anyagb´ol kell lennie (jelen esetben 20x20x2-es ac´el z´artszelv´eny), hogy a sz´alak fesz´ıt˝o erej´et megtartsa. A keret tengellyel p´arhuzamos r´esz´et, amire a sz´alak tekerednek, u ´ gyszint´en er˝os, s g¨omb¨oly´ıtett ´el˝ u anyagb´ol (jelen esetben alum´ıniumlap: 20,R5) kell k´esz´ıteni. A sz´alakat teker´es k¨ozben folyamatosan megfesz´ıtve kell tartani fix er˝ovel. Ezt r´egebben csig´ara k¨ot¨ott s´ uly r´ahelyez´es´evel ´est¨ uk el; az L0 kamr´ahoz haszn´alt sz´alteker˝o g´epen ezt egy m´agnesesen csatolt motor biztos´ıtotta. 93
57. a´bra. Az L0 kamr´ak ´ep´ıt´es´enek f´azisai (balr´ol jobbra haladva). 1. T´avtart´ok ´es sz´alr¨ogz´ıt˝ok ragaszt´asa az alaplapra. 2. Sz´alteker´es. 3. Sz´alak felhelyez´ese. 4. Sz´alak ragaszt´asa, v´ag´asa, forraszt´asa. 5. Kamrafal ´es oszlopok ragaszt´asa. 6. Kat´od ragaszt´asa, lez´ar´as. Miut´an a feltekert¨ uk a t´erform´al´o, majd az ´erz´ekeny sz´alakat is, azokat a kett˝os keret mindk´et v´eg´en ragaszt´assal r¨ogz´ıtj¨ uk. A ragaszt´o megk¨ot´ese ut´an (egy nap) a kett˝os keret sz´etszedhet˝o, s levehet˝o a sz´alteker˝og´epr˝ol; ´ıgy kapunk k´et keretre r¨ogz´ıtett sz´als´ıkot. A sz´als´ıkot az prec´ızi´os asztalra kik´esz´ıtett alapny´akra helyezz¨ uk, hogy a sz´alak a sz´alvezet˝ok megfelel˝o 94
v´ajataiba ker¨ uljenek, s a felesleges sz´alakat elt´avol´ıtjuk. A sz´alakat a sz´alvezet˝okn´el ´es a t´avtart´okn´al megragasztjuk. A ragaszt´o k¨ot´ese ut´an (egy nap) ki kell alak´ıtani a sz´alak elektromos kontakus´at. Az ´altalunk haszn´alt elrendez´esben a t´erform´al´o sz´alakat az egyik, az ´erz´ekeny sz´alakat a m´asik oldalt vezetj¨ uk ki. ´Igy a kamra mindk´et v´eg´en az egyik fajta sz´alakat forrasztani a m´asikakat pedig v´agni kell. Az esetlegesen ki´all´o elv´agott sz´aldarabok ´es a forraszt´asb´ol esetleg ki´all´o t¨ usk´ek nem k´ıv´ant cs´ ucshat´ast ´es koronaeffektust okozhatnak, ´ıgy ezen ter¨ uleteket a folyamat v´egezt´evel be¨ontj¨ uk ragaszt´oval. Miut´an a kamra detekt´al´as´ert felel˝os r´esze elk´esz¨ ult, le lehet z´arni a kamr´at. Az oldalai plexirudakb´ol, a teteje pedig a kat´odk´ent is szolg´al´o ny´aklemezb˝ol k´esz¨ ul. Nagy m´eret˝ u kamr´ak eset´en a g´azt¨olt´es˝ u kamr´aban l´ev˝o kis t´ ulnyom´as (∼ mbar) is nagy er˝ot k´epviselne a kat´odon ´es az alapny´akon, ez´ert az L0 kamr´akn´al t¨obb oszlopot helyezt¨ unk el a kamr´aban a t´avtart´ok mellett, melyek ´ıgy sok pontban ¨osszefogj´ak az alapny´akot ´es a kat´odot, cs¨okkentve a fel¨ uleti er˝ohat´ast. Utols´o l´ep´esk´ent a kat´od ker¨ ul a kamr´ara mint fed˝olap. Az L0 kamr´ak igen nagy m´eret˝ uek, ez´ert a mechanikai stabilit´as ´erdek´eben p´ar alum´ınium profillal er˝os´ıtett¨ uk meg a kamr´akat (10x10x1-es z´artszelv´eny keresztbe ´es 20x20x1-as T profil hossz´aban). A kamr´ak akt´ıv fel¨ ulete 1000 x 560 mm2 , melyben a sz´alak hossza 1000 mm. K´et kamra k´esz¨ ult, melyekn´el az alapny´ak ´es a kat´odny´ak vastags´aga 0.5+1.0 mm, illetve 1.0+1.5 mm volt. A kamra oldal´aul 4x10-es plexirudak szolg´altak. A kat´odny´ak fels˝o ´es az alapny´ak als´o r´esze r´ezzel bor´ıtott volt, melyet a zajok cs¨okkent´ese ´erdek´eben f¨oldpotenci´alra k¨ot¨ott¨ unk. A v´ekonyabb kamra t¨omege csup´an 2.0 kg volt, mely extr´em k¨onny˝ unek sz´am´ıt soksz´alas kamr´ak k¨oz¨ott.
95
10.7.2.
Hat´ asfok
Az L0 kamr´ak hat´asfok´at a szuperparkett´aik digit´alis kiolvas´as´aval vizsg´altam. A m´er´es sor´an az L0 kamr´ak el´e ´es m¨og´e elhelyezett MIP kamr´ak (l´asd 10.8. fejezet) seg´ıts´eg´evel meghat´aroztam az ´athalad´o r´eszecske hely´et (a 10.5.2. ´es 10.6.5. fejezetben le´ırtakhoz hasonl´oan), s megn´eztem, hogy mely superparkett´ak sz´olaltak meg. Ezek egyszer˝ u korrel´aci´oja megadja az L0 kamra t´erk´epez´es´et s parkettahat´asfok´at; az eredm´enyeket a 58. ´abra mutatja. Az a´br´an j´ol l´athat´oak a 2 cm-es ´es a 4,8 cm-es szuperparkett´ak, s kiv´al´o hat´asfokuk.
10 L0 SuperPad (szálcsoport)
Hatásfok [%]
100 100 80 60 40 20 0
80 60 40 20 0 12 10 8 20
6 4 L0 SuperPad (szálcsoport)
2 0 0
100 80
8
60 6 40 4
20
25 2
15 10 5 Átmenő részecske helye [cm]
0 5
10
15
20
Átmenő részecske helye [cm]
58. ´abra. Az L0 kamra t´erk´epez´es´et is mutat´o szuperparkett´ank´enti hat´asfokt´erk´ep, perspektivikus ´es fel¨ uln´ezeti m´odban. A szuperparkett´ak hat´ar´an, vagy ahhoz k¨ozel ´atmen˝o r´eszecsk´ek ak´ar t¨obb csatorn´at is megsz´olaltathatnak (mint a nagyobb klaszterek az L1-n´el), b´ar l´enyegesen ritk´abban. Az egyes szuperparkett´ak helyf¨ ugg˝o megsz´olal´asi val´osz´ın˝ us´ege kvantitat´ıven is mutatja ezt az effektust a 59. a´bra fel˝o r´esz´en. B´ar l´athattuk, hogy az egyes superparkett´ak hat´asfoka j´o, a kamr´anak a szuperparkett´ak hat´ar´an is j´onak kell lennie. A kamra helyf¨ ugg˝o hat´asfok´at (uniformit´as´at) a 59. ´abra als´o r´esze mutatja. L´athat´o, hogy a kamra j´oval 99.5% feletti ´atlagos hat´asfokkal rendelkezik, a bizonytalans´agok a statisztik´ab´ol erednek.
96
Hatásfok [%]
100 80 60 40 20
Hatásfok [%]
0 100 99 98 97 96 95 5
10
15
20
Átmenő részecske helye [cm]
59. ´abra. Az L0 kamra superparkett´ainak helyf¨ ugg˝o megsz´olal´asi val´osz´ın˝ us´ege (fent) mutatja a szuperparkett´ak hat´ar´anak kis m´ert´ek˝ u elmodos´odotts´ag´at. A teljes L0 kamra uniformit´asa (lent) kiv´al´o hat´asfokot mutat (a sk´ala 95%-t´ol indul). A felt¨ untetett bizonytalans´ag a 90%-os likelihoodhoz tartoz´o ´ert´ekeket mutatja. .
97
10.7.3.
Nagy fel¨ ulet, a CCC elrendez´ es el˝ onyei
A hossz´ u sz´alak behajl´asa miatti t´erer˝oss´eg v´altoz´as igen jelent˝os lehet. B´ar a CCC t´ıpus´ u elrendez´es egyik el˝onye, hogy ez kev´esb´e jelent probl´em´at, a nagyon hossz´ u (m´eteres) sz´alakat t´avtart´okkal t´amasztjuk al´a a kamr´aban, ezzel is cs¨okkentve a sz¨ uks´eges h´ uz´oer˝ot. Ezen t´avtart´ok a sz´alvezet˝ok magass´ag´aban r¨ogz´ıtik a sz´als´ıkot n´eh´any egyenes ment´en a kamr´aban. Egy t´avtart´o fot´oj´at mutatja a 60. ´abra. A t´avtart´o hely´en s k¨or¨ ul¨otte term´eszetesen a kamra nem lesz ´erz´ekeny. Az ´altalunk haszn´alt 2 mm sz´eles t´avtart´ok eset´en az ´erz´eketlen r´esz effekt´ıve 4 mm-nek felel meg (l´asd al´abb). A k¨or¨ ulbel¨ ul 20 cm-enk´ent elhelyezett t´avtart´ok eset´en ez 2% kies´est jelent; ez jelent˝osen kevesebb, mintha t¨obb egym´as mell´e helyezett kamr´ab´ol k´ene ¨ossze´all´ıtani a nagy akt´ıv fel¨ uletet, mivel a kamra sz´ele t¨obb cm-t is elfoglalhat (plussz a r¨ogz´ıt˝o elemek). A t´avtart´ok hat´as´anak m´er´es´ehez sz¨ uks´eg¨ unk van a r´eszecske a´thalad´asi hely´ere valamint a kamr´aban leadott energia ´ert´ek´ere egyar´ant (hasonl´oan, mint a 10.5.2. illetve a 10.6.5. fejezetben). A helymeghat´aroz´ashoz nem haszn´alhatjuk a vizsg´aland´o kamra parkett´ainak jel´et, mivel az nem f¨ uggetlen a leadott energi´at´ol. (Az L0 eset´en a szuperparkett´ak ´altal adott felbont´as am´ ugy sem lenne elegend˝oen finom a vizsg´alathoz, s az is a t´avtart´ora mer˝oleges.) A m´er´eshez a k´et dimenzi´oban is poz´ıci´o ´erz´ekeny MIP kamr´akkal (10.8. fejezet) v´egeztem a p´alyameghat´aroz´ast, a vizsg´aland´o t´avtart´os kamr´ahoz. R´eszecskenyal´abban ´es kozmikus ¨ossze´all´ıt´asban is vizsg´altuk ezen elrendez´est. Ut´obbir´ol k´esz¨ ult fotogr´afia a 62. ´abr´an l´athat´o. El˝obbi a finomabb strukt´ ur´akr´ol, m´ıg ut´obbi a hossz´ u t´av´ u illetve integr´alt viselked´es meghat´aroz´as´ahoz praktikus. Szálak
Oszlop Távtartó
Parkettázott katód Szálrögzítõ
60. a´bra. (bal) V´azlatos rajz, mely mutatja, hogy a nagy fel¨ ulet˝ u kamr´at oszlopokkal ´es t´avtart´okkal l´attuk el a sz´alak behajl´as´at illetve a t´ ulnyom´as fesz´ıt´es´enek ellens´ ulyoz´as´ara. (jobb) F´enyk´ep egy 2 mm sz´eles t´avtart´or´ol, melyhez a sz´als´ık hozz´a van ragasztva, hasonl´oan, mint a sz´alvezet˝okh¨oz.
98
Erősítés [adc]
3000
2000
1000
0 15
16
17
18
19
20
X [cm]
61. ´abra. A m´ert anal´og jel ´atlag´anak poz´ıci´of¨ ugg´ese, azaz az effekt´ıv er˝os´ıt´es. J´ol l´athat´o, hogy a sz´altart´o p´ar mm-es effekt´ıv kies´est jelent. A m´er´esben szcintill´ator triggereket alkalmaztunk a pontos id˝okijel¨ol´eshez. A digit´alisan kiolvasott MIP kamr´ak jelei alapj´an meghat´arozhat´o a r´eszecske p´aly´aja, ´ıgy annak L0-lal val´o d¨of´espontja sz´amolhat´o. Az L0 kamra szuperparkett´ainak anal´og jel´et m´erve (Camac ADC-vel, 10.2.2. fejezet) meghat´arozhat´o a leadott energia; a fentiekb˝ol ad´od´oan poz´ıci´of¨ ugg˝oen. ´Igy egy hossz´ u m´er´es seg´ıts´eg´evel az er˝os´ıt´es poz´ıci´of¨ ugg´ese sz´amolhat´o. A m´er´es sor´an a a k´etdimenzi´os er˝os´ıt´est´erk´epen j´ol l´athat´oak a t´avtart´ok okozta hat´asfokcs¨okken´esek. Ilyen t´erk´epeket l´athatunk a (k¨ovetkez˝o szakaszban l´ev˝o) 63. ´abr´an. A kamr´an a t´avtart´ora mer˝olegesen (egy adott tartom´anyra) integr´alva a be¨ ut´es ´es m´ert t¨olt´es´ert´ekeket kvantifik´alhatjuk a t´avtart´o hat´as´at. A 61. ´abr´an l´athat´o az kamra er˝os´ıt´ese a r´eszecske a´thalad´asi helye t´avtart´ora mer˝oleges koordin´at´aj´anak f¨ uggv´eny´eben. A fenti g¨orbe konstanst´ol val´o elt´er´es´enek integ´alja adja a t´avtart´o effekt´ıv vastags´ag´at, mely 4 mm-nek ad´odik. (L´athatjuk, hogy m´eg k¨ozvetlen¨ ul a t´avtart´o felett sem cs¨okken null´ara az ´erz´ekenys´eg, mivel az elektronok egy r´esze a t´avtart´o melletti ´erz´ekeny sz´alak fel´e sodr´odhatnak, melyekn´el m´ar kialakulhat a lavina, s ´ıgy azt detekt´alhatjuk.)
99
A nagy fel¨ ulet˝ u g´azt¨olt´es˝ u detektorok m´asik alapvet˝o probl´em´aja, hogy a t¨olt¨og´az kis t´ ulnyom´asa hat´as´ara nagy fel¨ uletek eset´en az alap ´es fed˝olapokat nagy er˝o nyomja kifel´e. Ez merev lapokat, vagy strukt´ ur´aval meger˝os´ıtett lapokat k´ıv´an melyek nagy anyagmennyis´eget jelentenek. Az nagy er˝o hat´as´ara (1 m bar t´ ulnyom´asn´al n´egyzetm´eterenk´ent 100 N) a lapok deform´al´odnak, mely a klasszikus MWPC kialak´ıt´asn´al jelent˝os v´altoz´ast jelent a kamra er˝os´ıt´es´eben, azt is a lok´alisan v´altoz´o kidagad´as f¨ uggv´eny´eben. Egy szokv´anyos soksz´alas kamr´an´al, ahol az s t´avols´agra l´ev˝o sz´alak a kat´odokt´ol d t´avols´agban vannak az er˝os´ıt´es v´altoz´asa [25]: ∆Q C∆d = Q 2ǫ0 s
(34)
A k¨ozelkat´odos elrendez´es mentes a deform´aci´o mell´ekhat´asait´ol, a´m mechanikailag minim´alisan er˝os´ıteni ´erdemes a nagy fel¨ ulet˝ u kamr´akat. 3 Az L0 kamr´akban kis plexi oszlopokat (3x3x10 mm ) ragsztottunk a kamrafel¨ ulet egyes pontjaiba, ´ıgy osztva el a t´ ulnyom´asb´ol ered˝o er˝ot kisebb fel¨ uletekre. Az oszlopok a t´avtart´okhoz hasonl´oan hat´asfokkies´esk´ent jelentkeznek, ´am m´eret¨ uk a teljes kamr´ahoz k´epest elhanyagolhat´o. Az effektus cs¨okkent´ese ´erdek´eben az oszlopokat a t´avtart´ok mellett helyezt¨ uk el. Az L0 kamra t´avtart´okat ´es oszlopokat bemutat´o sematikus rajza a ??. ´abr´an l´athat´o.
62. a´bra. A nagy m´eret˝ u L0 kamra kozmikus tesztj´enek fot´oja. Az alul elhelyezett MIP kamr´ak v´egezt´ek a r´eszecskep´alya meghat´aroz´as´ast.
100
MWPC : 0 m bar
MWPC : 2 m bar 1.2
1.2 40 Y [cm]
Y [cm]
40
1
30
20
20
0.8 0
10 X [cm]
1
30
20
0.8 0
CCC : 0 m bar
10 X [cm]
20
CCC : 2 m bar 1.2
1.2 40 Y [cm]
Y [cm]
40
1
30
20
0.8 0
10
20
1
30
20
0.8 0
X [cm]
10
20
X [cm]
63. a´bra. Er˝os´ıt´est´erk´ep MWPC ´es CCC m´odban t´ ulnyom´assal valamint a n´elk¨ ul. L´athat´o, hogy a t´ ulnyom´as hat´as´ara kidagad´o kamralap csak az MWPC fesz¨ ults´egkioszt´asn´al okoz jelent˝os er˝os´ıt´esv´altoz´ast, m´ıg CCC kamra toler´ans ilyen effektusokkal szemben. Az MWPC ´es a CCC elrendez´es ¨osszehasonl´ıt´asa ´erdek´eben v´egezt¨ unk m´er´eseket az L0 kamr´aval k´etf´ele fesz¨ ults´egkioszt´as mellett, t´ ulnyom´assal (2 m bar) s a n´elk¨ ul egyar´ant. Az MWPC m´odot a CCC kamr´akban jelen l´ev˝o t´erform´al´o sz´alak f¨old potenci´alra k¨ot´es´evel defini´altuk. (Ezen elrendez´es nem azonos a t´erform´al´o sz´alak n´elk¨ uli MWPC-vel, a´m csak kiss´e, s sz´amolhat´oan t´er el [106] [34] [32].) Az anal´ızos a t´avtart´okn´al megmutatott m´odon foly, az er˝os´ıt´est´erk´epeket a 63. ´abra mutatja. J´ol l´athat´o az MWPC ´es CCC m´od k¨oz¨otti k¨ ul¨onbs´eg: az oszlopok ´es a kamra oldala ´altal bez´art r´eszen a ny´aklemezek kis kip´ upsod´asa miatt az MWPC eset´en jelent˝os er˝os´ıt´escs¨okken´est tapasztalunk, mely a CCC m´od eset´en nem jelentkezik.
101
CCC : 2 m bar
Erősítés [t.e.]
1.5
1 MWPC mód
0.5
0 m bar 2 m bar 0 20
30
40
Y [cm] CCC : 2 m bar
Erősítés [t.e.]
1.5
1 CCC mód
0.5
0 m bar 2 m bar 0 20
30
40
Y [cm]
64. ´abra. A 63. ´abra k¨oz´eps˝o szeleteinek projekci´oja. A 64. ´abr´an az er˝os´ıt´est´erk´ep k¨oz´eps˝o szelet´et (k¨oz´eps˝o 4 cm sz´eles tartom´anyra integr´alva) l´athatjuk, hogy az MWPC eset´en k¨ozel 30% az elt´er´es, m´ıg a CCC esetben az elt´er´es nem ´eri el a p´ar sz´azal´ekos m´er´esi pontatlans´agot sem. A fenti sz´am´ıt´asokn´al a kip´ uposod´as miatti driftt´er ´es s˝ ur˝ us´eg v´altoz´ast, illetve az E/p effektust nem vettem figyelembe, mivel gyakorlatban a m´ert teljes t¨olt´es a haszn´alatos, valamint a fenti effektusok elhanyagolhat´oan kis m´ert´ek˝ uek jelen esetben. Ezzel igazoltuk, hogy a k¨ozelkat´odos technol´ogia alkalmas ak´ar nagy m´eretben is kis anyagmennyis´eggel, kiv´al´o uniformit´as´ u, mechanikailag toler´ans kamr´ak ´ep´ıt´es´ere.
102
10.7.4.
Id˝ oz´ıt´ es
A HPTD detektor L0 kamr´ainak igen gyors ´es megb´ızhat´o jelet kell adniuk az ALICE trigger rendszer´enek, m´eg az L0 k¨ uld´esi idej´en bel¨ ul (600 ns) (l´asd 7.3. fejezet ´es [24]). Az L0 kamr´ak id˝oz´ıt´esnek vizsg´alat´ara a PS nyal´ab kiv´al´o k¨ornyezetet biztos´ıtott. Az L0 kamra csatorn´ait a ”D.I.5.2.”-es digit´alis elektronik´akkal l´attuk el, mely az ”A.I.8.8.”-as anal´og elektronika egy bitre digitaliz´alt v´altozata (l´asd 10.2.2. fejezet). Technikai okok miatt az id˝oz´ıt´est egyszerre csak egy csaton´an vizsg´alhattuk, ´ıgy a nyal´abdefini´al´o kis m´eret˝ u szcintill´atorokat az L0 kamra egy adott szuperparkett´aja el´e ´es m¨og´e helyeztem el. A szcintill´atorok er˝os´ıtett jel´et a m´er˝oszob´aban diszkrimin´aci´o ut´an koincidenci´aba k¨otve kaptunk triggert az adott L0 szuperparkett´an a´tmen˝o r´eszecsk´ekre. Ezen szcintill´ator-koincidencia jel k´esleltetettj´et (NIM Dual Gate Genrator LeCroy model 222 [?]) vizsg´altam koincidenci´aban az L0 kamra digit´alis jel´evel. A szcintill´atorok koincidenci´aja ´ıgy olyan, mintha az LHC/ALICE k´ıs´erletbeli u ¨ tk¨oz´esi jelz´esnek (Bunch Crossing) felelne meg. Term´eszetesen a szcintill´ator, az szcintill´ator jel´enek er˝os´ıt˝oje, a k´abelek ´es a koincidencia egys´eg id˝oz´ıt´es´et figyelembe kellett venni az abszol´ ut k´esleltet´es meghat´aroz´as´ahoz. (Ez´ert is nem indulhat a m´er´esi g¨orbe 0 ns k´esleltet´est˝ol az ´abr´akon.) Az id˝oz´ıt´es m´er´es ¨ossze´all´ıt´as´ahoz tartoz´o id˝orajzot az 65. a´bra mutatja. Koinc.
Koinc.
Diszkr.
Reszecske
Kesleltetes
Meroszoba
Kabel PreAmp.
Szcint.
Kabel ( 110 ns )
Nyalabterulet L0
Jel hossza
t [ns] Igazi kesleltetes +
Kabel
t = 0 ns
65. ´abra. Az L0 kamr´ak id˝oz´ıt´es´enek m´er´esekor haszn´alt ¨ossze´all´ıt´as id˝orajza. A vez´erl˝oteremben a haszn´alt egys´eg k´esleltet´es´enek a´ll´ıt´as´aval megvizsg´altam, hogy az L0 kamr´ak a ”D.I.5.2.”-es elektronik´aval milyen id˝oz´ıt´es mellett ´erik el maxim´alis hat´asfokukat. A jelform´as´ali id˝ot k´et alapvet˝o param´eter hat´arozza meg. Els˝o sorban term´eszetesen meghat´aroz´o az elektronok begy˝ ujt´esi ideje, mely a sordr´od´asi 103
t´erer˝oss´egt˝ol f¨ ugg (´es a g´azt´ol is jelent˝osen, de ezt a m´er´esek sor´an nem v´altoztattuk), melyet a kat´odfesz¨ ults´eggel ´all´ıthatunk. A digit´alis elektronika eset´en azonban igen fontos az is, hogy a kamr´aban keletkez˝o anal´og jel er˝os´ıtettje mikor ´eri el a diszkrimin´aci´os k¨ usz¨ob¨ot, (nagyobb jel eset´en kor´abban), ´ıgy a teljes er˝os´ıt´es is fontos az id˝oz´ıt´esben. Ez´ert a standard be´all´ıt´ason t´ ul (USenseW ire =1050 V , UF ieldW ire =-500 V , G = 5, 6 · 103 ), megvizsg´altam kisebb er˝os´ıt´es (950 V , -500 V , G = 1, 0 · 103 ) valamint norm´al er˝os´ıt´es ´am nagyobb kat´odfesz¨ ults´eg (980 V , -710 V , 3 G = 6.6 · 10 ) eset´en is a hat´asfok k´esleltet´esf¨ ugg´es´et. Az eredm´enyeket a 66. ´abra foglalja ¨ossze, melyen j´ol l´athat´oak a fenti kat´odfesz¨ ults´egt˝ol ´es teljes er˝os´ıt´est˝ol val´o f¨ ugg´esek. Nomin´alis be´all´ıt´as eset´en is el´ert¨ uk az ALICE-L0 triggerhez val´o 600 ns-os k¨ usz¨ob¨ot, hiszen m´ar 500 ns ut´an is maxim´alis hat´asfokot kapunk.
Trigger hatásfok [%]
100
80
60
40
SW: +1050V, FW: -500V SW: +980V, FW: -710V SW: +950V, FW: -500V
20
0 0
200
400 600 Kiolvasási idő [ns]
800
1000
66. ´abra. Az L0 kamr´ak digit´alis jel´enek hat´asfok´anak id˝of¨ ugg´ese; m´ar 400 ns ut´an nagy hat´asfokot ´er el a kamra triggerel´esi hat´asfoka, ´ıgy megfelel ALICE L0 kamr´anak. Mindezek alapj´an kijelenthetj¨ uk, hogy a technol´ogia illetve a detektor megfelel az ALICE/HPTD L0 kamr´ak k¨ovetelm´enyeinek.
104
10.8.
MIP kamr´ ak
A HPTD egyik igen fontos funkci´oja az ´atmen˝o r´eszecsk´ek p´aly´aj´anak a VHMPID el˝otti ´es m¨og¨otti r´esz´enek m´er´ese. Ennek h´arom f˝o oka a k¨ovetkez˝o: A TPC trajekt´ori´ak extrapol´al´as´aval kapott p´alya a VHMPID t´avols´ag´aban m´ar csak cm pontoss´ag´ u, ´am a gy˝ ur˝ u rekonstrukci´ohoz kb. 5 mrad felbont´asra lenne sz¨ uks´eg. A t¨obbsz¨or¨os sz´or´as k¨ovetkezt´eben a r´eszecsk´ek p´aly´aja v´altozhat (k¨ozel 40% X0 -nal megfelel˝o anyag van a TPC ´es a VHMPID k¨oz¨oztt), ´ıgy fontos a pontos p´aly´at m´erni, s t¨obb pontban meger˝os´ıteni. Valamint egy ilyen p´alyak¨ovet´essel v´alik csak teljess´e a r´eszecskeazonos´ıt´asi paletta, hiszen ´ıgy a gy˝ ur˝ ut nem hagy´o r´eszecsk´ekr˝ol is lehet pozit´ıv ´all´ıt´asokat mondani (pl: egy 10 GeV /c impulzus´ u, gy˝ ur˝ ut nem hagy´o r´eszecsk´er˝ol csak akkor ´all´ıthatjuk, hogy proton, ha tudjuk (detekt´aljuk), hogy val´oban ´athaladt a g´azradi´atoron). A HPTD-ben a MIP kamr´ak feladata lesz az ´athalad´o r´eszecsk´ek k´etdimenzi´os hely´enek meghat´aroz´asa. Ezen kamr´ak is CCC kamr´ak, csup´an a kiolvas´asi szegment´aci´ojuk ´es elhelyezked´es¨ uk t´er el az L1-es kamr´akt´ol (l´asd ??. fejezet). A k´etdimenzi´os helymeghat´aroz´ashoz a legegyszer˝ ubb term´eszetesen a klasszikus m´odon apr´o parkett´akra val´o feloszt´as lenne, ´am ´ıgy a csatorn´ak sz´ama igen nagy lenne. (A k¨ozel 2 × 20 m2 fel¨ uleten digit´alis elektronik´akkal 4 mm× 4 mm-es parkett´akkal sz´amolva ez 2.5 milli´o csatorn´at jelentene.) ´Igy ´ermes (ha lehets´eges) ter¨ uletegys´egenk´enti projekt´ıv feloszt´ast haszn´alni. Mivel a HPTD az u ¨ tk¨oz´esi pontt´ol messze (4-5 m) helyezkedik el, ´ıgy a rajta ´atmen˝o r´eszecskefluxus relat´ıve alacsony. A jelenlegi ALICE m´er´esekb˝ol [20] sz´am´ıtva centr´alis u ¨ tk¨oz´esekben n´egyzetm´eterenk´ent u ¨ tk¨oz´esenk´ent k¨or¨ ulbel¨ ul 50 r´eszecsk´et v´arunk. A projekt´ıv kiolvas´asn´al a t¨obbsz¨or¨os (n) be¨ ut´esek eset´en a HPTD ¨onmag´aban nem tudhatja eld¨onteni, hogy az n × n metsz´espont k¨oz¨ ul pontosan mely n darab felel meg r´eszecsk´enek (l´asd ??. fejezet 16. a´bra). Viszont a TPC ´altal adott trajekt´oria extrapol´aci´oja seg´ıts´eg´evel k¨onnyen ki lehet majd v´alogatni a val´odi r´eszecskenyomokat. A CCC kamr´akban nem csak a parkett´akon, hanem az ´erz´ekeny- ´es t´erform´al´o sz´alakon is jelent˝os jel keletkezik (a kat´odon keletkez˝o jel k¨ozel tizede a t¨obbinek ´ıgy azt nem ´erdemes haszn´alni) [107]. A legegyszer˝ ubben a sz´alakra mer˝olegesen parkett´azva kaphatunk projekt´ıv kiolvas´asi elrendez´est. A v´egs˝o detektorban k´et L1 t´ıpus´ u kamra lesz egym´ashoz k´epest 90 fokkal elforgatva, ´ıgy cs¨okkentve az egy egys´eget alkot´o elemi projekt´ıv kiolvas´asi fel¨ uletek m´eret´et, s ezzel a t¨obbsz¨or¨os be¨ ut´eseket. 50 mm hossz´ u parkett´akkal sz´amolva a projekt´ıv fel¨ uletdarabokon centr´alis u ¨ tk¨oz´esekben is csak ´atlagosan 0.125 r´eszecske halad ´at. 105
67. a´bra. F´enyk´ep egy MIP kamr´ar´ol, m´eg f´elig ¨osszeszeret a´llapotban. J´ol l´athat´o, hogy sz´alak ´es a hossz´ uk´as parkett´ak egym´asra mer˝olegesen ´allnak. A tesztek sor´an a parkett´aton t´ ul a sz´alakat is egyes´evel kiolvasva val´os´ıthattuk meg a 2x1 dimenzi´os projekt´ıv m´er´eseket ak´ar egyetlen kamr´aval. Az els˝o MIP kamr´ak protot´ıpusain a sz´alak+parkett´ak t´ıpus´ u kioszt´assal mutattuk meg, hogy a rendszer val´oban k´epes a k´et dimenzi´os detekt´al´asra. 2010-ben ´es 2011-ben is volt szerencs´enk m´erni a PS nyal´abn´al MIP kamr´akkal, l´asd: ??. fejezet, 43. ´es 44. ´abra. Mind a kor´abbi (2010) kisebb m´eret˝ u (160x192 mm2 ), mind a 2011-es nagy m´eret˝ u (320x320 mm2 ) kamr´ak kiv´al´oan szerepeltek a labor ´es nyal´abm´er´esek alkalm´aval. A dolgozat ´ır´as´anak idej´eben meg´ep¨ ult egy 512x512 mm2 akt´ıv fel¨ ulet˝ u kamra is, melyben a HPTD-hez tervezett (a 10.2.2. fejezetben eml´ıtettn´el u ´ jabb) v´arhat´oan v´egs˝o digit´alis kiolvas´o k´arty´ak csatlakoznak a kamra alaplapj´ara integr´alt buszokra. A kamr´ar´ol k´esz¨ ult f´enyk´ep a 68. a´br´an l´athat´o. A kamr´ak hat´asfoka, mint az L1 esetben a 10.6. fejezetben is megmutattam kiv´al´o. Az uniformit´as vizsg´alat´at a t´erform´al´o sz´alakon ´es a r´ajuk mer˝olegesen h´ uz´od´o parkett´akra a 10.6.5. fejezetben mutattakal anal´og m´odon v´egeztem, s a kapott eredm´enyek azokhoz hasonl´oak. (Mivel a t´erform´al´o sz´alakon keletkez˝o jel kisebb a parkett´akon keletkez˝on´el, ´ıgy az optim´alis u ¨ zemi fesz¨ ults´eg kiss´e magasabb.) Ezen kamr´akat a REGARD csoportban a k´es˝obbiekben alkalmazott fizikai kutat´asokban is felhaszn´altuk. A kozmikus m¨ uonokkal t¨ort´en˝o tomogr´afia, melynek alapja a t¨olt¨ott m¨ uon k¨ozegbeli energiavesztes´ege ´es a sz´eles energiatartom´anyon nagy fluxust ny˝ ujt´o kozmikus eredet˝ u m¨ uon sug´arz´as, ma igen akt´ıvan kutatott hat´arter¨ ulete a r´eszecske- ´es geofizik´anak. A m´odszert els˝ok´ent piramis rejtett kamr´ainak keres´es´ere haszn´alt´ak [91], ma 106
68. ´abra. F´enyk´ep az 512 mm-es MIP kamr´ar´ol. Az u ´ j t´ıpus´ u digit´alis elektronik´ak a kamra alj´ara r¨ogz¨ ulnek, ´ıgy nem foglalnak el t¨obbletfel¨ uletet. Ennek megfelel˝oen egy integr´alt buszrendszer viszi a digit´alis jeleket a kiolvas´asi sorrendnek megfelel˝oen a kamra egyetlen szerel´esi oldal´ahoz. m´ar sokf´ele alkalmaz´asa ismert, egyik leg´erdekesebb p´eld´aul vulk´anok bels˝o strukt´ ur´aj´anak felt´erk´epez´ese [93] [92]. Az ´altalunk k´esz´ıtett detektor els˝osorban f¨oldalatti u ¨ regek keres´es´ere ´ep¨ ult, melyhez elengedhetetlen a mechanikai tolerancia ´es a kis t¨omeg, melyekhez a CCC ide´alis kandid´at volt. T¨obb sikeres m´er´est is elv´egezhett¨ unk a detektorral a labor, mesters´eges u ¨ reg ´es val´odi barlangi k¨or¨ ulm´enyek k¨oz¨ott egyar´ant [109] [108] [110] [111] [35]. A fenti cikkek is egy´ertelm˝ uen mutatj´ak a CCC kamr´akkal val´o MIP detekt´al´as realiz´alhat´os´ag´at.
107
r´ esz IV
VHMPID m´ er´ esek 11.
VHMPID tesztm´ er´ esek ´ es anal´ızis¨ uk
A VHMPID Kollabor´aci´o tagjak´ent t¨obb nyal´abteszten is r´eszt vettem, valamint az adatanal´ızisben is akt´ıv szerepem volt. Ezen m´er´esek s eredm´enyei meghat´aroz´o fontoss´ag´ uak a detektor megfelel˝o tervez´es´ehez, valamint elengedhetetlenek a szimul´aci´ok ellen˝orz´es´ehez is fejleszt´es´ehez. A nyal´abtesztek sor´an a detektor alapvet˝o funkcionalit´asi tesztjein t´ ul fontos hangs´ ulyt kapott a k¨ ul¨onb¨oz˝o ¨osszetev˝o r´eszegys´egek vizsg´alata. A haszn´alni k´ıv´ant UV-´atereszt˝o u ¨ veg, a t¨ uk¨or, a soksz´alas kamra m˝ uk¨od´ese valamint a CsI bevonat foton kihozatala fontos ´ep´ıt˝ok¨ovei a teljes detektornak (l´asd 6.2. fejezet). Igen k´ıv´anatos, hogy a detektor egyes alkot´or´eszeinek ne csak egy¨ uttes effektus´at, hanem lehets´eg szerint egyes elemeit k¨ ul¨on is tesztelhess¨ uk.
11.1.
Nyal´ abtesztek 2008-2010 k¨ oz¨ ott
A VHMPID Kollabor´aci´o megalakul´asa ´ota folynak a kutat´asi ´es fejleszt´esi munk´alatok, a detektor tervezett elemeinek ´es protot´ıpusainak m´er´esei. A laborat´oriumi teszteken a r´eszegys´egeket speci´alis k¨or¨ ulm´enyek k¨oz¨ott vizsg´alhatjuk, ´am a k´erd´eses m´er´esi pontok nagy r´esz´et csak val´odi nagy energi´as r´eszecsk´ekkel lehet tesztelni. Ennek egyik legfonotsabb r´esze a gyors r´eszecsk´ek keltette Cserenkov f´eny detekt´al´asa, melynek prec´ız m´er´es´ehez sz¨ uks´eges egy r´eszecskegyors´ıt´o haszn´al´ata. A csoportba val´o bel´ep´esem ´ota j´op´ar laborat´oriumi, s t¨obb nyal´abteszten is r´eszt vettem. Ut´obbiak ´altal´aban a CERN PS T10-es z´on´aj´aban foglaltak helyet, ´am nagyobb impulzus´ u r´eszecskkkel val´o teszthez a CERN SPS H4-et is haszn´altuk. A 2008-2010-es ´evek legfontosabb tesztjei sor´an egy relat´ıve kis m´eret˝ u CsI-dal bor´ıtott MWPC detektort haszn´altunk fotondetektork´ent. A Cserenkov f´eny detekt´al´as´ara val´o alkalmass´agot a HMPID-n´el is haszn´alt C6 F14 Cserenkov k¨ozeggel [56] lehetett leg´eletszer˝ ubben vizsg´alni. A tesztek egyik legfontosabb r´esze a g´azradi´ator (C4 F10 ) vizsg´alata, illetve a gy˝ ur˝ uk´epez˝o t¨ ukr¨ok haszn´alata volt. Ezen m´er´eseken ugyan akt´ıvan r´eszt vettem a m´er˝orendszer ¨ossze´all´ıt´as´an´al ´es a m´er´esek lebonyol´ıt´as´aban, az adatok anal´ızise nem az ´en feladatom volt. 108
11.2.
Nagy m´ ert˝ u protot´ıpus tesztje
2010 ˝osz´en folytak a VHMPID els˝o nagym´eret˝ u protot´ıpus´anak tesztm´er´esei. A m´er´es hivatott volt teszteli k´etf´ele ablak kandid´atot, a visszaver˝o t¨ ukr¨oket s azok f´okusz´al´as´at, a radi´ator g´az foton produkci´oj´at, a sz¨ uks´eges radi´atorhosszat, a fotondetekt´al´as hat´asfok´at, valamint a k¨ ul¨onb¨oz˝o m´ert˝ u Cserenkov gy˝ ur˝ uk detekt´alhat´os´ag´at. Ez ut´obbi indokolta, hogy a m´er´eseket k¨ ul¨onb¨oz˝o energi´akon v´egezz¨ uk el, ´ıgy a CERN PS ´es SPS gyors´ıt´oin´al is v´egezt¨ unk m´er´eseket alacsony (2-6 GeV/c) ´es magasabb (30-180 GeV/c) implulzustartom´anyokon egyar´ant. 11.2.1.
A nagy m´ eret´ u protot´ıpus
A VHMPID detektorban a f´okusz´al´o t¨ uk¨or technik´anak k¨osz¨onhet˝oen a keletkez˝o gy˝ ur˝ u helye els˝o k¨ozel´ıt´esben f¨ uggetlen a nagy sebess´eg˝ u r´eszecske ´athalad´as´anak hely´et˝ol; ezt kihaszn´alva jelent˝osen cs¨okkenthet˝o a foto´erz´ekeny detektorfel¨ ulet [?]. A nagy m´eret˝ u protot´ıpusban k´et parabolat¨ uk¨or kapott helyet, amelyeknek felfogat´asi profilja mozgathat´o. Az egyik t¨ uk¨or mer˝olegesen lett be´all´ıtva, m´ıg a m´asik kis sz¨ogben d¨ontve, pont u ´ gy, hogy az els˝o t¨ uk¨orrel azonos helyre f´okusz´aljon. A radi´atort´er fot´oja a 69. k´epen l´athat´o.
69. ´abra. VHMPID nagy m´eret˝ u protot´ıpus´anak radi´ator t´erfogata. L´athat´o az mer˝oleges ´es az elforgatott t¨ uk¨or, valamint a radi´ator effekt´ıv hossz´anak reduk´al´as´ara sz´ant alum´ımium lemezek. 109
A radi´ator t´erfogat k¨ozel 500 literes volt, hogy a teljes detekt´al´asi fel¨ ulet felett biztos´ıtsa az egy m´eteres radi´atorhosszat. B´ar t¨obb radi´atorhosszat k´ıv´antunk tesztelni, nem volt lehet˝os´eg t¨obb k¨ ul¨onb¨oz˝o m´ert˝ u kamra cser´elget´es´ere, melynek f˝obb okai a k¨ovetkez˝ok: - Egy ilyen nagy t´arol´o tiszt´ıt´as ´es felt¨olt´ese igen id˝oig´enyes. - A a g´az speci´alis volta miatt igen dr´aga lett volna a gyakori csere. - Valamint a t¨ ukr¨oket is ´at kellett volna szerelni minden cser´en´el. Egy ravasz tr¨ ukk seg´ıts´eg´evel m´egis tudtunk k´et k¨ ul¨onb¨oz˝o Cserenkov u ´ thosszal m´erni: a g´azt´erfogat egy-egy sark´aba az el˝olapt´ol 20 cm-t´avols´agban elhelyeztek kis aluminium lapokat, melyet blokkolj´ak a r´eszecske u ´ tj´anak elej´en keltett fotonokat, m´ıg a nagy impulzus´ u t¨olt¨ott r´eszecske tov´abb tud haladni, ez a lap l´athat´o a 69. ´abr´an l´ev˝o f´enyk´ep bal ´es jobb als´o sarkaiban. B´ar t¨ uk¨ort˝ol visszafel´e halad´o fotonoknak ´ıgy is a teljes hosszon kell ´athaladniuk, ezen elnyel˝od´esi effektus l´enyegesen kisebb hat´as´ u az kelt´esi hossz cs¨okkent´es´ehez viszony´ıtva. A fotondetekt´al´as a HMPID egy kor´abbi protot´ıpus kamr´aj´aval t¨ort´ent. A kamra egy HMPID t´ıpus´ u soksz´alas proporcion´alis kamra, 8.4mm×8.0mm m´eret˝ u CsI bor´ıtotta parkett´akkal. Mivel az CsI bevonatot rong´alja a g´az oxig´en ´es v´ız szennyez´ese, ´ıgy a fenti kamr´an (ahogyan a t¨obbi hasonl´ot is) az ´evek sor´an folyamatosan tiszta g´az ´arama alatt kellett tartani. Term´eszetesen a m´er´ese el˝ott u ´ jra megvizsg´alt´ak a bevonat ´eps´eg´et, amit szerencs´ere rendben tal´altak. A m´er´es sor´an t¨olt˝og´azk´ent a fotondetektorokn´al igen kedvelt met´ant (CF4 ) haszn´altuk (l´asd ??. fejezet). A met´anban a fotoelektronok fel¨ uletb˝ol val´o kil´ep´esi val´osz´ın˝ us´ege megk¨ozel´ıti a v´akuum´ert´eket, s a t¨olt¨ott r´eszecske ´altal hagyott els˝odleges ioniz´aci´o is relat´ıve kicsi m´as g´azokhoz k´epest. Term´eszetesen a fotondetektort a radi´ator t´erfogatt´ol is megfelel˝oen szepar´alni kell, az esetlegesen bejut´o ¨osszetett molekul´ak cs¨okkenten´ek a fotonkil´ep´esi val´osz´ın˝ us´eget ´es az er˝os´ıt´est (ut´obbi kompenz´alhat´o lenne, a´m az el˝obbi nem). A keletkez˝o fotonok egy albalkon ´at jutnak ´at a radi´ator t´erfogatb´ol a detekt´al´asi t´erbe. A nagy m´eret˝ u ptotor´ıpusban k´et ilyen ablaknak volt helye. Az eredeti tervek szerint a kvarc¨ uveg ´es a CaF2 ablakokat tudtuk volna tesztelni ´am technikai probl´em´ak miatt (nem ´erkezett meg id˝ore a gy´art´ot´ol a CaF2 ) csak a kvarc¨ uveget pr´ob´altuk ki. Az els˝o tesztekhez a Delphit˝ol kapott u ¨ vegeket haszn´altuk, melyeken a fel¨ ulet¨ ukre mindk´et oldalt cs´ıkokban felp´arologtatott f´emcs´ıkok (Cu − Ni − Cu) szolg´altak kat´odk´ent.
110
11.2.2.
K´ıs´ erleti ¨ ossze´ all´ıt´ as
A nagym´eret˝ u protot´ıpus els˝o tesztj´et a CERN PS gyors´ıt´oj´an´al v´egezt¨ uk a T10-es m´er˝ohelyen, mely az ALICE k´ıs´erlet ´altal´anos tesztz´on´aja. A PS-b˝ol ´erkez˝o protonok egy ber´ılium (Be) c´elt´arggyal u ¨ tk¨oznek, s a keletkez˝o m´asodlagos r´eszecsk´eket impulzusuk szerint v´alogatj´ak, majd a k¨ ul¨onb¨oz˝o impulzustartom´anyoknak geometriailag megfelel˝o tesztz´on´aba k¨ uldik. A T10-es z´on´aba az 1.5-6.0 GeV/c impulzustatom´any tartozik. Ezen m´asodlagos nyal´ab kezel´ese az adott z´on´ahoz tartozik, ´ıgy lehet˝oseg¨ unk volt be´all´ıtani a haszn´alni k´ıv´ant r´eszecskenyal´ab impulzus´at, valamint intenzit´as´at, f´okusz´al´as´at ´es t´erbeli ir´any´at is. A nyal´ab viszonylag nagy kiterjed´es˝ u (kb. 10-15 cm a´tm´er˝oj˝ u), jelent˝os m¨ uon gl´ori´aval. A kamra el˝ott ´es m¨og¨ott k´et-k´et kis m´eret˝ u (1-2 cm) szcintill´ator koincidenci´aj´aval defini´altuk az ´altalunk haszn´alni k´ıv´ant nyal´abr´eszt. A k´ıs´erleti ¨ossze´all´ıt´ast a 70 ´abra szeml´elteti. Mivel a VHMPID szempontj´ab´ol a r´eszecsk´ek sebess´ege a k¨ozponti k´erd´es, ´ıgy fontos volt, hogy az adott impulsuz´ u kevert nyal´abon bel¨ ul meg tudjuk k¨ ul¨onb¨oztetni a m´as-m´as fajt´aj´ u r´eszecsk´eket. A nyal´ab potenci´alisan elektronokat, m¨ uonokat, pionokat ´es protonokat tartalmazhat, illetve a nyal´ab t¨olt´es´et˝ol f¨ ugg˝oen ezek antir´eszecsk´eit. (A relat´ıv elektronhozam jelent˝osen f¨ ugg az imoulzust´ol, alacsony impulzus eset´en a 20 sz´azal´aot is el´erheti ber´ılium c´elt´argy eset´en.) Asztal
SB kvarc ablak
SL
S3 S4
MWPC+CsI
VHMPID Proto4 Fe
Cserenkov cso S1 S2
70. a´bra. A VHMPID nagy m´eret˝ u protot´ıpus nyal´abteszt o¨ssze´all´ıt´as´anak v´azlatos rajza. A detektor egy mozgathat´o asztalon foglalt helyet, a nyal´ab a jobb oldalr´ol j¨on. A k¨ usz¨ob-Cserenkov detektor (z¨old) ´es a n´egy kis m´eret˝ u szcintill´ator (S1-S4) defini´alja a nyal´ab haszn´alt r´esz´et. A detektor egy mozgathat´o asztalon (r´ozsasz´ın) helyezkedett el. A nagy kiterjed´es˝ u teljes nyal´ab ´erz´ekel´es´ere k´et nagy m´eret˝ u szcintill´atort helyezt¨ unk el, az egyiket egy vast¨omb m¨og´e, a pion/m¨ uon szepar´aci´ot seg´ıtend˝o. Az elektronokat egy a PS ´altal biztos´ıtott g´azt¨olt´es˝ u k¨ usz¨ob-Cserenkov detektor [15] seg´ıts´eg´evel sz˝ urhett¨ uk ki. Ezen CO2 t¨oltet˝ u Cserenkov detektorban a bels˝o g´az nyom´as´aval lehetett ´all´ıtani a t¨or´esmutat´ot a k´ıv´ant 111
´ert´ekre, majd a keletkez˝o f´enyjelet egy fotoelektronsokszoroz´oval olvastuk ki; az ´altalunk haszn´alt be´all´ıt´asban csakis az elektronok adhattal jelet. A m¨ uonok sz˝ ur´es´ehez nem volt lehet˝os´eg u ´ jabb seg´ed detektort elhelyezni; a z´ona v´eg´eben fel´all´ıtott vast¨omb¨ot mint abszorbens haszn´alhattuk azonban, ´ıgy el´e ´es m¨og´e egy-egy nagy m´eret˝ u szcintill´atorral megfelel˝o m¨ uon v´et´ot alak´ıtottunk ki. A nyal´ab protontartalma igen alacsony, s az adott impulzustatom´anyban nem is kelt gy˝ ur˝ ut a VHMPID-ben, ´ıgy erre nem kellett k¨ ul¨on ´erz´ekel˝ot be´ep´ıteni. 11.2.3.
Adatgy˝ ujt˝ o rendszer
A adatkiolvas´asi rendszert az ALICE intergr´aci´onak megfelel˝o, szimul´alt ALICE k¨ornyezetben val´os´ıtottuk meg. Az elektronik´ak, mint a HMPID-ben haszn´alatos k´arty´ak, term´eszetesen megfeleltek ezen k¨ovetelm´enyeknek [?]. A 8x10 darab Gassiplex k´artya mindegyik´ere h´arom t´ıpus´ u k´abelcsokor ´erkezett: t´apfesz¨ ults´eg, trigger (LEMO-n) ´es kommunik´aci´o (a ”RowController”-en kereszt¨ ul). A szcintill´arotok koincidenci´aj´ab´ol el˝o´all´ıtott triggert megfelel˝o k´esleltet´es ut´an az ALICE CTP [24] szimunl´atornak adtuk ´at, ami az elektronik´akat ell´atta a megfelel˝o ( L0 ´es L2 ) trigger jelekkel. Az m´er´esek sor´an k¨ ul¨onb¨oz˝o trigger kombin´aci´okat haszn´altunk, az aktu´alis feladatnak megfelel˝oen, ´am leggyakrabban a n´egy kis szcintill´ator koincidenci´aja szolg´alt triggerk´ent. Az elektronok kisz˝ ur´es´e´ert be´all´ıtott Cserenkov detektor kis jelei miatt elektron v´et´ok´ent nem volt el´eg j´o (??), ´am elektron minta el˝o´all´ıt´as´ara igen. Valamint a feladatnak kiss´e v´ekony vast¨omb v´eg¨ ul pion kijel¨ol´esre volt alkalmas. Az elmentett adatok az ALICE szabv´anyokat k¨ovet˝o nyers f´ajlform´atumot (alicerawdata) tartott´ak. A f´ajl ezen from´atum´aban a kiolvas´asi koordin´at´ak szerepeltek: a DDL, a RowController, a k´artya, a csatorna ´es a digitaliz´alt t¨olt´esmennyis´eg. Az adatfolyamban m´ar csak a nullelnyom´asos ´ert´ekek ker¨ ultek tov´abb´ıt´asra. Egy egyszer˝ u ROOT szkripttel a nyers adatform´atumot ASCII-olvashat´o val´os koordin´at´akk´a konvert´altam, s a tov´abbiakban ezen kisebb ´es egyszer˝ ubb strukt´ ur´aj´ u f´ajlokkal tudtam dolgozni. Ezen met´odus nagy el˝onye nemcsak a kisebb f´ajlm´eret, hanem a tov´abbi ROOT ´es ALIROOT rekonstrukci´os l´ep´esek kihagy´as´aval nagys´agrendekkel gyorsabban, k´esleltet´es n´elk¨ ul tudtam az adatokhoz ny´ ulni ´es szinte online inform´aci´ot kapni az adott fut´as alapvet˝o param´etereir˝ol. (Egy 100.000-es minta rekonstrukci´oja, mely az ALIROOT anal´ızis nulladik l´ep´ese, k¨ozel egy napig tartott (volna), m´ıg ´ıly m´odon perceken bel¨ ul megvolt a konverzi´o, s az anal´ızis is kevesebb, mint egy percet vett ig´enybe.)
112
11.2.4.
MIP detekt´ al´ as
A detekt´al´as alapvet˝o eleme a protot´ıpus el¨ uls˝o r´esz´en elhelyezked˝o soksz´alas kamra. A HMPID detektor specifik´aci´oit´ol csup´an kis m´ert´ekben elt´er˝o detektort haszn´altuk ezen tesztekhez; a soksz´alas kamr´aban egy kor´abbi HMPID-es fotokat´od ´es sz´als´ık foglalt helyet. A soksz´alas r´esz optimiliz´al´as´at ´es elemi vizsg´alatait az a´thalad´o t¨olt¨ott nyal´abr´eszecsk´ekkel v´egeztem. Els˝ok´ent a kiolvas´as id˝oz´ıt´es´et kellett be´all´ıtani. A haszn´alt detektoroldali Gassiplex elektrnonika [57] [58] a k¨or¨ ulbel¨ ul egy mikroszekundumon ´at v´egez integr´al´ast, ´ıgy m´erve a t¨olt´est a parkett´akon. A jelalak id˝olefut´as´at a haszn´alt el˝oer˝os´ıt˝o hat´arozza meg, a´m a k´esleltet´esn´el a m´er´esi z´ona (Beam Area) ´es a vez´erl˝oterem (Counting House) k¨oz¨ott oda-vissza fut´o jelek id˝ok´esleltet´ese is befoly´asolja. A szintill´atorok jel´enek k´es´ese (kb. 20-50 ns) nagys´agrenddel kisebb a soksz´alas kamra jelform´al´as´ahoz k´epest, ´ıgy ezzel ezen esetben nem kellett k¨ ul¨on sz´amolni, illetve ezen id˝oz´ıt´esi param´etert hozz´a´erthett¨ uk a teljes jelk´esleltet´eshez. A 71. ´abr´an l´athat´o az ´athalad´o r´eszecsk´ek detekt´alt jel´enek a´tlaga k¨ ul¨onb¨oz˝o k´esleltet´esek eset´en. A k´esleltet´es param´eter a nyal´ab ter¨ uleten elhelyezett szcintill´atorok koincidenciajel´enek m´er˝oh´az beli k´esleltet´es´et mutatja, ´ıgy ezen param´eter a r´eszecske ´athalad´as´ahoz k´epest kb. 300 ns-al van eltolva. A g¨orb´en l´athat´o optim´alis 700 ns k´esleltet´es be´all´ıta ut´an ezen param´etert az ¨osszes tov´abbi m´er´esre r¨ogz´ıtett¨ uk.
Átlagosan leadott MIP töltés [ADC egység]
Késleltetés függés, 2010 PS 1000
800
600
400
200
0 0
500
1000 1500 Késleltetés [ns]
2000
2500
71. ´abra. A MIP-b˝ol sz´armaz´o jelek ´atlag´anak ´ert´eke k¨ ul¨onb¨ uz˝o kiolvas´asi id˝oz´ıt´esek eset´en.
113
K¨ovetkez˝o l´ep´es a met´an t¨olt˝og´az´ u soksz´alas kamra nagyfesz¨ ults´eg´enek optim´alis be´all´ıt´asa. Az ´athalad´o r´eszecsk´ek ´altal leadott energia eloszl´asa a Landau-eloszl´at k¨oveti. Ilyen m´ert MIP-jel eloszl´as l´athat´o a 72. a´br´an h´arom k¨ ul¨onb¨oz˝o nagyfesz¨ ults´eg eset´en. 240
240 220
200
Run 2451
200
Run 2452
180
1900 V
180
2000 V
160
Átlag: 155 adc
160
Átlag: 238 adc
140
Effektivitás: 18.7 %
140
Effektivitás: 69.4 %
Beütések
Beütések
220
120 100
120 100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0 0
1000 2000 MIP klaszter töltése [ADC egység]
3000
0
1000 2000 MIP klaszter töltése [ADC egység]
3000
240
Beütések
220 200
Run 2453
180
2100 V
160
Átlag: 856 adc
140
Effektivitás: 98.1 %
120 100 80 60 40 20 0 0
1000 2000 MIP klaszter töltése [ADC egység]
3000
72. a´bra. MIP ´altal leadott t¨olt´esel´eszl´as k¨ ul¨onb¨oz˝o nagyfesz¨ ult´esg eset´en. Az ´athalad´o r´eszecske ´altal leadott energia relat´ıve igan nagy is lehet, ´ıgy fontos, hogy az er˝os´ıt´es m´eg a kamra sz´am´ara biztons´agos tartom´anyban legyen. Viszony´ıt´asi alapnak a HMPID detektorn´al szok´asos ´ert´ekeket tekintett¨ uk, ahol a MIP jel ´atlaga a p´ar sz´az adc egys´eg k¨or¨ ul szokott lenni, s ezzel ´erik el a 99%-os MIP detekt´al´asi hat´asfokot. Ez a standard HMPID kamr´akban a 2000V-2050V fesz¨ ults´egn´el val´osul meg [56]. Mivel jelen esetben a kamra bels˝o strukt´ ur´aja kiss´e elt´er az u ¨ vegre p´arologtatott kat´od miatt, ´ıgy term´eszetesen a konkr´et fesz¨ ults´eg ´ert´ek is elt´er a szok´asost´ol. Soksz´alas proporcion´alis kamr´akn´al a sz´alak prec´ız helyzete, feszess´ege, valamint a kat´ods´ıkok laposs´aga igen fontos. Ezen param´eterek p´ar sz´azal´ekos elt´er´ese az er˝os´ıt´esben k¨ozel t´ızszer akkora elt´er´est okozhat [25]. Ezen fel¨ ul a vizsg´alt rendszerben az ablakn´al, a m´asik ablak hely´en ´es a kamra egy´eb r´esz´en mer˝oben k¨ ul¨onb¨oz˝o kat´odrendszer volt kialak´ıtva, ´ıgy az uniformit´as vizsg´alata igen fontos volt.
114
Pozícófüggés, 2010 Oct PS, HV = 2100 V
MIP effektivitás a detektor különböző régióiban 100
Átlag = 439 Medián = 232 Effektivitás = 48.8%
Átlag = 741 Medián = 564 Effektivitás = 92.5%
Átlag = 445 Medián = 274 Effektivitás = 85.4%
Átlag = 823 Medián = 641 Effektivitás = 98.0%
Átlag = 989 Medián = 809 Effektivitás = 98.0%
Átlag = 823 Medián = 634 Effektivitás = 96.7%
Átlag = 824 Medián = 611 Effektivitás = 93.5%
Átlag = 698 Medián = 493 Effektivitás = 84.7%
95
36
85
2100 V
160
2100 V
120 X parketták [padx = 8.0 mm]
2200 V
80
2240 V
75
0
2330 V
80 2240 V
12
90
2100 V
24
2115 V
Effektivitás [%]
Y parketták [pady = 8.4 mm]
48
Q4R
Q3R
Q2R
Q1R
Q1L
Q2L
Q3L
Q4L
70
73. a´bra. (bal) A kamra nyolc szegmens´en´el m´ert MIP t¨olt´es a´tlaga, medi´anja ´es a sz´amolt effektivit´as. L´athat´o, hogy a kamra egyes ter¨ uletei k¨oz¨ott jelent˝os elt´er´esek voltak. . (jobb) A kamra nyolc szegmens´ehez tartoz´o nagyfesz¨ ults´eg m´er´es sorozatok effektivit´as g¨orb´eje. Minden szegmensen m´as-m´as fesz¨ ults´egbe´all´ıt´asokat kellett haszn´alni az egyenletes er˝os´ıt´es el´er´es´ehez. (A QN jelek az 1..4 kvadr´ansokat jel¨olik (N = int(Y /12) + 1), az R, L bet˝ uk a bal illetve jobb oldalt.) Az uniformit´as m´er´ehez a MIP jeleket haszn´altam. A mozgathat´o asztalon elhelyezett kamr´at nyolc k¨ ul¨onb¨oz˝o poz´ıci´oba a´ll´ıtva v´egeztem m´er´eseket, melyekn´el a kis szcintill´atorok koincidenci´aj´ara triggerelve a MIP az adott nyolcad k¨ozep´en p´ar parkett´anyi helyre volt koncentr´alva. A t¨olt´eseloszl´as ´atlaga, medi´anja ´es a kamra effektivit´asa a 73. a´bra bal oldali r´esz´en l´athat´o a nyolc szegmensre. (Az effektivit´asn´al akkor fogadtam el egy esem´enyt j´onak, ha a teljes fut´as ´altal defini´alt MIP r´egi´on bel¨ ul volt megtal´alt klaszter az adott esem´enyben.) Sajnos j´ol l´athat´o, hogy a kamra kor´antsem ´eri el a k´ıv´ant uniformit´ast. Ennek kompenz´al´as´ara u ´ jabb m´er´essorozatban pr´ob´altam meghat´arozni a kamra munkapontj´at a nyolc k¨ ul¨onb¨oz˝o r´egi´oban. L´athat´o a 73. a´bra jobb oldali r´esz´en, hogy minden r´egi´ohoz tal´alhat´o megfelel˝o nagyfesz¨ ult´es´eg be´all´ıt´as. Mivel a sz´alak az ”X” ir´anyban fek¨ udtek a kamr´an s n´egy szegmensre voltak osztva ´ıgy csup´an a kamra egy-egy fele volt egyszerre uniform´a tehet˝o. A tov´abbiakban az ´altalam ´ıgy meghat´arozott be´all´ıt´asokat haszn´altuk az ¨osszes tov´abbi m´er´eshez.
115
11.2.5.
F´ okusz´ al´ as
A VHMPID f´okusz´al´o geometri´aj´anak egyik nagy el˝onye, hogy a gy˝ ur˝ u helye els˝o k¨ozel´ıt´esben f¨ uggetlen a r´eszecske hely´et˝ol, s be´erkez´esi sz¨og´et˝ol f¨ ugg csak els˝o rendben. A t¨obbf´ele be´erkez´esi helyet k´ıs´eletileg u ´ gy val´os´ıtottam meg, hogy a nyal´abdefin´ıci´oban szerepl˝o kis szcintill´atorok helyett a kamra m¨og¨otti nagy fel¨ ulet˝ u szcintill´ator adta a trigger jelet a kiolvas´ashoz (l´asd 11.2.2 r´esz). (Term´eszetesen ekkor a triggerek egy r´esze nem tartozik nyal´abr´eszecsk´ehez, ´am ezen esetekben a detektor is csak zajt l´at, teh´at k¨onnyen sz˝ urhettem r´a az anal´ızis sor´an.) A fenti felt´etelekkel felvett futtat´as integr´alt t¨olt´est´erk´ep´et a 74. a´bra mutatja. A bal als´o r´eszben l´athat´o rajta a szcintill´ator t´eglalapos alakja, valamint a nyal´abprofil hossz´ uk´as form´aja. L´athat´o, hogy a r´eszecsk´ek k¨ozel 10 cm x 5 cm -es ter¨ uleten ´erkeztek, ´am a gy˝ ur˝ u poz´ıci´oj´aban ez nem mutatkozik meg. A gy˝ ur˝ u helyzet´enek prec´ız f¨ ugg´es´et k´et m´odon is vizsg´alhatjuk. Kis szcintill´atorokkal defini´alt nyal´abot poz´ıcion´alva k¨ ul¨onb¨oz˝o helyeire a kamr´anak, vagy a nagy szcintill´atoros m´er´esb˝ol a MIP hely´ere val´o megfelel˝o v´ag´asokkal. Mindk´et esetben haszn´alhatunk integr´alt eloszl´ast, ´ıgy a kev´es foton (l´asd 11.2.6. fejezet) okozta bizonytalans´agot elker¨ ulhetj¨ uk (´am a be´erkez´esi sz¨ogt˝ol val´o f¨ ugg´est beleinteg´aljuk). Az els˝o m´odszerhez sz¨ uks´eges m´er´esek ut´an meg´allap´ıthattam, hogy a gy˝ ur˝ u k¨oz´eppontj´anak (l´asd 11.2.6. fejezet) mozg´asa egy parkett´an´al kevesebb a 10 cm-es be´erkez´esi pontbeli elt´er´es eset´en is.
40
180 160 140
30 Y [cm]
120 100
20
80 60
10
40 20
0
0 70
80
90 X [cm]
100
110
74. a´bra. Klaszterek eloszl´asa a kamr´an. Szemmel is j´ol l´athat´o, hogy a gy˝ ur˝ u helye szinte f¨ uggetlen a be´erkez˝o r´eszecske hely´et˝ol.
116
11.2.6.
Foton detekt´ al´ as
A VHMPID detektorban a soksz´alas kamra els˝o sorban a keletkez˝o Cserenkov fotonok detekt´al´as´ert lesz felel˝os. A MIP jelek seg´ıts´eg´evel megtal´alhattuk a kamra munkapontj´at, ´am ezt a fotonikus r´eszen is ellen˝orizni kell. Mivel a gy˝ ur˝ u k¨ozepe a VHMPID-n´el els˝o rendben nem f¨ ugg a bel´ep˝o r´eszecske hely´et˝ol ´ıgy a gy˝ ur˝ ut mindig ugyanazon a helyen, az ablakn´al, v´arjuk (l´asd 11.2.5. fejezet ´es 74. ´abra). A 75. ´abr´akon az ablak r´egi´or´ol l´athatunk be¨ ut´eseloszl´asokat: A teljes ablak r´egi´oban illetve a gy˝ ur˝ u v´art hely´en a parkett´ak megsz´olal´as´at, illetve a megtal´alt klaszterek sz´am´at. A gy˝ ur˝ u r´egi´on k´ıv¨ ul kev´es be¨ ut´es van, ezeket ezen t´ ul zajnak tekintem. Sz´armaz´asukat tekintve j¨ohetnek az elektronik´ab´ol, a lavin´an´al keletkez˝o ut´olagos f´enyfelvilln´asokb´ol vagy kor´abban a´thaladt r´eszecsk´ek maradv´anyjel´eb˝ol. Ablak : beütés térkép
Gyűrű : beütés térkép
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
50
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
50
120 40 Y [pad]
120 40
110 100
30 90
Y [pad]
110
20 80
100
30 90
X [pad]
X [pad]
20 80
Ablak : klaszter térkép
Gyűrű : klaszter térkép
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
50
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
50
120 40 Y [pad]
120 40
110 100
30 90 20 80
Y [pad]
110 100
30 90
X [pad]
20 80
X [pad]
75. a´bra. Az ablak (bal oldaliak) ´es a gy˝ ur˝ u r´egi´oban (jobb oldaliak) tal´alt be¨ ut´esek (fels˝ok) ´es klaszterek (als´ok) sz´ameloszl´asa. Az ablak r´egi´ora val´o v´ag´as trivi´alis az adatsoron, hiszen ismert a pontos geometriai helye. A gy˝ ur˝ u k¨ozep´enek defini´al´as´ahoz az anal´ıs sor´an (opcion´alisan ak´ar minden fut´asra) megkerestem az a pontot az ablak 117
Sugár eloszlás beütésekből a gyűrű régióban 140
100
120 100
80 Beütések
Klaszterek száma
Sugár eloszlás klaszterekből 120
60 40
80 60 40
20
20
0
0 0
4
8
12
16
20
Sugár [padx=8mm]
0
4
8
12
16
20
Sugár [padx=8mm]
76. a´bra. A foton be¨ ut´eseknek a megtal´alt v´art gy˝ ur˝ u k¨oz´eppontj´at´ol sz´am´ıtott t´avols´ag´anak sug´areloszl´asa az ablak (bal) - valamint a megtal´alt k¨oz´eppontt´ol val´o t´avols´ag a v´ag´as ut´an ´ertelmezett gy˝ ur˝ u r´egi´oban (jobb). r´egi´oban ahonnan a be¨ ut´esek t´avols´ag-eloszl´as´anak sz´or´asa minim´alis az fut´as integr´altj´an (vagy annak egy vizsg´alt megfelel˝o statisztik´aj´ u r´esz´en, mint a 10.3. fejezetben az alapf´ajl preanal´ızis´en´el). A gy˝ ur˝ u r´egi´ora val´o v´ag´ast ebben a param´eterben v´egeztem, mint a legval´osz´ın˝ ubb ´ert´ek k¨or¨ uli ∆R v´ag´ast, ahol ∆R a cs´ ucs k¨or¨ uli be¨ ut´esek eloszl´as´aban a sz´or´as h´aromszorosa. Egy tipikus futtat´asra az ablak- ´es a gy˝ ur˝ u r´egi´o be¨ ut´eseloszl´as´at a 76. a´bra mutatja. A detektor m˝ uk¨od´ese szempontj´ab´ol mindenk´eppen meg kell vizsg´alni, hogy a foton illetve MIP kandid´at klaszterek t¨olt´eseloszl´asa megfelel˝o-e, azaz j´o-e az anal´ızisemben a kandid´atok meghat´aroz´asa. Az ´athalad´o r´eszecsk´ek eset´en ezt a ??. fejezetben m´ar l´athattuk, hogy a MIP kandid´atok jeleloszl´asa k¨ozel van a k´ıv´ant Landau eloszl´ashoz. Az egy foton ´altal ki¨ ut¨ott egyetlen elektron keltette jel a lavinastatisztika eloszl´as´at kell hogy mutassa, mely nem t´ ul nagy er˝os´ıt´esek eset´en exponenci´alis eloszl´as [32]. (Jelen esetben az ett˝ol val´o Polya t´ıpus´ u elt´er´est nem vizsg´altuk, mivel ez nem volt a k¨ozponti k´erd´es.) A gy˝ ur˝ u r´egi´oban l´ev˝o klasztereket joggal tekinthetj¨ uk foton jel¨olteknek. B´ar a fotoelektron klaszterek ´altal´aban 1-2 parkett´anyi nagys´ag´ uak, a prec´ız gy˝ ur˝ u rekonstrukci´ohoz a HMPID-n´el megk¨ ul¨onb¨oztetnek t¨obb fotonkandid´at-klaszteroszt´alyt a klaszterek fom´aja alapj´an is[?]. A 77. ´abra bal fels˝o r´esz´en l´athat´o a foton kandid´at klaszterek t¨olt´eseloszl´asa. Mivel a fotonikus be¨ ut´esek t¨obbs´ege csak egy parkett´at sz´olaltat meg, ´ıgy ut´obbi nem sokban k¨ ul¨onb¨ozik a gy˝ ur˝ u r´egi´oban l´ev˝o be¨ ut´esek t¨olt´eseloszl´as´at´ol (77. ´abra jobb fels˝o r´esze). Egyik legjobb k¨ozel´ıt´est az egyetlen parketta m´eret˝ u klaszterek adhatj´ak (77. a´bra jobb als´o r´esze), melyen u ´ gyszint´en l´atszik a v´art exponenci´alis eloszl´as. 118
Klaszterek töltéseloszlása
Beütések töltéseloszlása 100
Gyakoriság
Gyakoriság
100
10
0
200
400 600 Töltés [ADC egység]
800
10
1000
0
200
Klaszterk száma
400 600 Töltés [ADC egység]
800
1000
800
1000
Kis klaszterek töltéseloszlása 100
Gyakoriság
Gyakoriság
1000
500
10
0 0
1
2
3
4 5 6 Klaszterk száma
7
8
9
10
0
200
400 600 Töltés [ADC egység]
77. a´bra. A gy˝ ur˝ u r´egi´oba es˝o klaszterek (bal fels˝o) ´es be¨ ut´esek (jobb fels˝o) valamint a kis klaszterek (jobb als´o) t¨olt´eseloszl´asa. A gy˝ ur˝ u beli klasztersz´am eloszl´asb´ol (bal als´o) l´athat´o, hogy az ¨osszeolvad´o klasztercsoportok igen ritk´ak lehetnek. A standard HMPID-k¨ozeli be´all´ıt´asokkal (l´asd 11.2.4. fejezet) felvett esem´enyekben, b´ar l´athat´o volt a Cserenkov gy˝ ur˝ u, az azt alkot´o detekt´alt fotoelektron be¨ ut´esek sz´ama igen alacsonynak bizonyult (∼ 0.5-1.2 esem´enyenk´ent), ami az esem´enyszint˝ u rekonstrukci´ohoz nem el´egs´eges. Ez eredhet a radi´ator vagy az MWPC g´az esetleges szennyezetts´eg´eb˝ol (bejut´o oxig´en ´es v´ız), vagy a soksz´alas kamra nem megfelel˝o m˝ uk¨od´es´eb˝ol. Ut´obbi vizsg´alat´ara u ´ jabb nagyfesz¨ ults´eg˝ u m´er´es sorozatot kezdem´enyeztem, melyn´el a MIP r´egi´o fesz¨ ults´eg´et v´altozatlanul hagytam (szikr´akat elker¨ ulend˝o), s csak az ablakn´al h´ uz´od´o sz´alak fesz¨ ults´eg´et v´altoztattam. Megvizsg´altam, hogy mik´ent v´altozik ez az er˝os´ıt´es f¨ uggv´eny´eben a´tlagos fotoelektronsz´am. a kezdeti n¨oveked´est 2380 V k¨or¨ ul szatur´aci´o v´altotta fel ∼ 2 foton/esem´eny ´ert´ek k¨or¨ ul. A szatur´aci´o azt jelenti, hogy a soksz´alas kamr´aban keletkez˝o fotoelektronok sz´ama val´oban messze a v´art alatt van. ´ az, hogy a szatur´aci´os fesz¨ Am ults´eg t¨obb sz´az volttal a HMPID u ¨ zemi fesz¨olts´ege f¨ol¨ott helyezkedik el, annak legval´osz´ın˝ ubb oka az az u ´ j t´ıpus´ u (alakra p´arologtatott) kat´od, pontosabban az ablak felt¨olt˝od´ese. A m´asik k´ezenfekv˝o gyanus´ıtott a radi´ator g´az volt. A g´az szennyezetts´eg´et a nyal´abteszt alatt nem volt m´odunk m´erni; a´m a 119
C4F10 gázáramlás vizsgálata
Beütések száma a gyűrű-régióban
2 1.75 1.5 1.25 1 0.75
Lassú áramlás
0.5 Gyors áramlás 0.25 0 2100
2150
2200
2250
2300
2350
2400
HV (Q1 = Bal oldali ablak) [V]
78. a´bra. L´athat´o, hogy a g´az´araml´as sebess´ege nem befoly´asolja jelent˝osen a fotonhozamot, teh´at a radi´ator t´er megfelel˝oen g´azz´ar´o. haszn´alt C4 F10 g´azt el˝oz˝oleg t¨obbsz¨or¨os tiszt´ıt´as ´es m´er´es ut´an vitt¨ uk a´t a nyal´abter¨ uletre, melyek alapj´an a palackban l´ev˝o g´az megfelel˝onek bizonyult. Az esetlegesen bejut´o oxig´en- ´es v´ıztartalom u ´ gy juthat be a radi´atort´erbe, ha az nem el´egg´e g´azz´ar´o. Ezt u ´ gy vizsg´altam, hogy a nomin´alishoz k´epesti h´aromszoros g´az´araml´asi sebess´egn´el is elv´egeztem a fent eml´ıtett m´er´esi sorozatot (78. ´abra). L´athat´o, hogy a nagy ´araml´as eset´en is ugyanolyan detekt´alt fotonsz´am ´ert´ekeket kaptam, mint kor´abban, ´ıgy a g´azban keletkez˝o fotonok ”elt˝ un´es´enek” nem a radi´ator tart´aly a forr´asa. A fotoelektronok sz´am´anak alacsony volta term´eszetesen eredeztethet˝o m´as forr´asokb´ol is. A CsI bevonat el¨oreged´ese drasztikusan cs¨okkentheti a kvantumhat´asfokot. A haszn´alt CsI bevonat´ u parkett´azott ny´akot technikai okok miatt nem lehetett ellen˝orizni a m´er´es el˝ott; valamint a m´er´es sor´an is bejuthatott az ´erz´ekeny r´eteget roncsol´o v´ız ´es oxig´en a met´an t´erbe. A t¨ ukr¨ok f´enyvisszaver´esi hat´asfok´at csak magasabb hull´amhossz tartom´anyon tudt´ak vizsg´alni kor´abban a gy´arban; a t¨ ukr¨ok fel¨ ulet´enek egyenetlens´egeib˝ol ad´od´o f´enysz´or´od´ast pedig nem is ´allt m´odukban felt´erk´epezni. A t¨ uk¨or ellen˝orz´es´enek ´es a Cserenkovfotonok hossz´ u g´azt´erben val´o elnyel˝od´es´enek vizsg´alat´ahoz javasoltam egy m´er´est, melyben a teljes detektort 180o -kal megforgattuk. ´Igy a fotonok t¨ ukr¨oz˝od´es n´elk¨ ul egy k¨orlapra ´erkeznek, aholis a k¨oz´eppontt´ol m´ert t´avols´aguk korrel´al az ´altaluk a g´azban megtett u ´ ttal. B´ar a m´er´est siker¨ ult v´egrehajtni, a kvantitat´ıv eredm´enyek a nagy m´er´esi bizonytalans´agon bel¨ ul megfeleltek az elv´ar´asoknak. 120
11.2.7.
Els˝ o r´ eszecskeazonos´ıt´ as a VHMPID protot´ıpussal
B´ar a VHMPID nagyobb energi´akra lett tervezve, a PS T10 impulzustartom´any´aban is lehet r´eszecskeazonos´ıt´as-k¨ozeli m´er´eseket v´egezni. Az elektronok minim´alis PS energi´an is m´ar a maxim´alis sugar´ u gy˝ ur˝ ut adj´ak. A Cserenkov limit k¨ozel´eben gyorsan v´altozik a gy˝ ur˝ u sugara, ´ıgy a hat´ar´ert´ek k¨ozel´eben a pionok ´es a m¨ uonok is sz´etv´alaszthat´oak. A 3.0 GeV/c impulzus´ u m´er´esn´el az ablakbeli be¨ ut´eseknek a gy˝ ur˝ u v´art k¨oz´eppontj´at´ol m´ert t´avols´ag´at (gy˝ ur˝ u sugara) a´br´azoltam a 79. a´br´an. A nagy h´att´er ellen´ere j´ol kivehet˝o h´arom gy˝ ur˝ u, melyek az elektronok, m¨ uonok ´es pionok ´altal keltend˝o gy˝ ur˝ uk elm´eletileg sz´amolt sugar´aval sz´epen korrel´alnak. (A kor´abbi fejezetekben is eml´ıtett probl´em´ak miatt a fenti ´all´ıt´asn´al t¨obbet a detektor ezen st´adiumban sajnos nem a´ll´ıthattam.) Sugár eloszlás 3.0 GeV/c momentumnál 200
Pion
Beütések
150
Müon Elektron
100
50
0 0
2
4
6
8 10 12 Sugár [padx=8mm]
14
16
18
20
79. ´abra. Be¨ ut´esek sug´ar ir´any´ u eloszl´as 3.0 GeV/c impulzusn´al, valamint az elektron, m¨ uon ´es pion Cserenkov gy˝ ur˝ uk sugarainak elm´eleti ´ert´ekei.
11.3.
Tob´ abbi tesztm´ er´ esek
Term´eszetesen a fentieken t´ ul voltak m´eg VHMPID-hez kapcsol´od´o teszm´er´esek, melyek nagy r´esz´en ´en is r´eszt vettem, ´am mivel ezen m´er´esek anal´ızise nem az ´en k¨ozvetlen feladatom volt, ´ıgy r´eszletesen nem sz´amolok be r´ola a dolgozatban. A 2011 ´es 2012-es m´er´esek f˝obb vizsg´alatai a k¨ovetkez˝ok voltak: A k´et radi´atorg´az (C4 F 10,cC4F8 O) ¨osszehasonl´ıt´asa, k¨ ul¨onb¨oz˝o ablakt´ıpusok (kvarc, CaF 2, zaf´ır) ¨osszehasonl´ıt´asa, valamint a nagy nyom´as´ u rendszer tesztje. R´eszletesebben ezekr˝ol a [?], illetve a k´esz¨ ul˝oben l´ev˝o VHMPID tesztnyal´abokr´ol sz´ol´o cikk sz´amol be. 121
12.
TCPD detektor
A 8.3. fejezetben ismertetett modern mikrostrukt´ ur´as g´azt¨olt´es˝ u detektok csal´adja a t¨olt¨ott r´eszecsk´ek detekt´al´as´an t´ ul, a soksz´alas proporcion´alis kamr´ahoz hasonlatos m´odon, u ´ j lehet˝os´egeket nyit a fotondetekt´al´asban is. Az els˝o mikrostrukt´ ur´as technol´ogi´an alapul´o fotondetektor a PHENIX k´ıs´erlet HBD (Hadron Blind Detector, Hadronokra vak detektor) nev˝ u Cserenkov detektor´aban val´osult meg [50] [51]. Ezen egyszer˝ u k¨ usz¨obszintes Cserenkovdetektorban tripla GEM-et haszn´altak a szok´asos CsI bor´ıt´assal. Ezen ter¨ uleten a GEM technol´ogi´an t´ ul a kor´abbi fejezetekben (8.3. ´es ??. fejezet) is eml´ıtett TGEM technol´ogia is igen ´ıg´eretes. A COMPASS [52] ´es a VHMPID detektorokn´al is jelenleg akt´ıvan kutatott k´erd´es, hogy TGEM alap´ u fotondetektorral kiv´althat´o-e a kor´abbi soksz´alas technol´ogia [?] [61] [?]. B´ar a soksz´alas alap´ u fotondetektorok (a norm´al MWPC-khez hasonl´oan) r´eg´ota kiv´al´oan m˝ uk¨odnek, a speci´alis feladat maitt az MWPC-kn´el el˝oker¨ ult konstrukci´os neh´ezs´egeken t´ ul u ´ j probl´em´akkal is szembe kell n´ezni¨ uk [16] [53]. Az elektronlavin´akban keletkez˝o UV-fotonok nemk´ıv´ant u ´ jabb ioniz´aci´oj´at a g´azban a kiolt´o g´azok hozz´aad´as´aval ´erj¨ uk el, azonban a fotoszenzit´ıv r´eteggel bevont fel¨ uletb˝ol nagyobb val´osz´ın˝ us´eggel lehet u ´ jabb elektronokat ki¨ utni, s u ´ jabb lavin´akat ind´ıtani. Ezen effektus a lavina m´eret´evel ar´anyos, ´am az egyetlen fotoelektron detekt´al´as´ahoz a szok´asos (MIP-nek megfelel˝o) er˝os´ıt´es sokszoros´ara van sz¨ uks´eg, ´ıgy a fenti ”feedback photon” j´arul´ek probl´em´akat okozhat. Offline lev´elaszt´asukn´al probl´ema, hogy a val´odi fotonokkal azonos jelet hagynak a detektorban, a´m nem k´ıv´ant helyen. A lavin´aban keletkez˝o elektronok mellett ugyanannyi ion is megjelenik, melyek lassan a kat´odok fel´e sodr´odnak, s u ¨ lnek ki annak fel¨ ulet´ere. M´er´esek bizony´ıtj´ak [16], hogy a CsI fel¨ uletet az ionok nagy mennyis´egben rong´alj´ak, ´ıgy a foto´erz´ekeny fel¨ ulet fel´e vissza´araml´o ionok sz´ama illetve sz´amar´anya (IBF, ion backflow, ion vissza´araml´as) minn´el kisebb kell, hogy legyen. Ez az ar´any egy klasszikus soksz´alas kamr´aban 50%. A Cserenkov detektorok nagy r´esz´en´el azonban nem csak fotonok, hanem ´athalad´o r´eszecsk´ek is kereszt¨ ulhaladnak a detektoron, melyek az egyedi fotoelektronokhoz k´epes 1-2 nagys´agrenddel nagyobb t¨olt´est jelentenek a detektor sz´am´ara. Ez´ert nem csup´an nagy dinamikai tartom´any´ u (ez´ert dr´aga) elektronik´akat kell alkalmazni, hanem a g´azer˝os´ıt´es ´ert´ek´et is ´ az alacsony er˝os´ıt´es moder´altan kell tartani a szikr´ak elker¨ ul´es´ehez. Am a fotonok eset´eben az exponenci´alis lavinastatisztika miatt egy´ertelm˝ u hat´asfokcs¨okken´est eredm´enyez. 122
Mikrostrukt´ ur´as detektorok haszn´alat´aval mindh´arom felmer¨ ult jelens´eg keltette hat´as cs¨okkenthet˝o, a´m term´eszetesen ezzel egy¨ utt u ´ j probl´em´ak is megjelenhetnek. Az ´altalunk (REGARD csoport) javasolt TCPD (TGEM + CCC Photon Detector, TGEM + CCC foton detektor), mint a nev´eben is benne foglaltatik egy hibrid technol´ogia, melyben a mikrostrukt´ ur´as ´es a soksz´alas technol´ogia egyszerre szerepel. Mentes a m´asodlagos fotonokt´ol, m´ers´ekelt ionvissz´araml´assal rendelkezik, valamint az ´athalad´o t¨olt¨ott r´eszecsk´ek jele a fotonjelek nagys´agrendj´ebe esik (ezen tulajdons´agokat a k¨ovetkez˝o fejezetekben mutatom be). A TGEM technol´ogia miatt azonban a fotoeffekt´ıv fel¨ ulet valamivel kisebb mint egy MWPC-n´el (ennek r´eszleteit a 13. fejezet taglalja). Mindezen tulajdons´agaival a javasolt u ´ j kamrat´ıpus a VHMPID egy lehets´eges fotondetektor jel¨oltje lett [?].
12.1.
A detektor fel´ ep´ıt´ ese
A TCPD detektor v´azlatos rajz´at mutatja a 80. ´abra. Az UV-t is ´atereszt˝o kvarcablak oldal´ar´ol ´erkez˝o fotonok a TGEM fel¨ ulet´en konvert´al´odnak elektronokk´a. A kat´odot egy sz´als´ıkkal v´altottuk ki (30µm vastag sz´alak 1 mm t´avols´agban), ´ıgy a fotonok 97%-a a´tjut rajta. A TGEM fels˝o fel¨ ulet´et fotoszenzit´ıv r´eteggel kell bevonni, ami Cserenkov sug´arz´as detekt´al´as´asa eset´en a szok´asos CsI. A labor tesztek alkalm´aval a dr´aga ´es ´erz´ekeny CsI helyett arany bevonatot haszn´altunk; az arany kvantumhat´asfoka nagys´agrendekkel alacsonyabb, ´ıgy t¨obb kezdeti fotont kellett csup´an haszn´alni (ami technikailag egyszer˝ ubben kivitelezhet˝o). A TGEM fel¨ ulet´eb˝ol kil´ep˝o fotoelektron a TGEM legk¨ozelebbi lyuj´ahoz v´andorol (l´asd 13. fejezet), ahol a TGEM g´azer˝os´ıt´es´enek k¨oszonhet˝oen a´tlagosan m´ar GT GEM darab elektron folytatja u ´ tj´at a TGEM alatt; az ´altalunk haszn´alt er˝os´ıt´es ´ert´eke tipikusan 10-100 k¨or¨ uli. A TGEM alatt elhelyezett CCC kamra a TGEM fel˝ol ´erkez˝o (szinte MIP-nek megfelel˝o mennyis´eg˝ u) 10-100 elektront er˝os´ıti tov´abb, s a CCC-n´el m´ar megismert jelet eredm´enyezi. Term´eszetesen az als´o kat´od szegment´al´as´aval itt is k´et dimenzi´oban hely´erz´ekeny rendszert hozhatunk l´etre, amint azt a ??. fejezetben ki is haszn´aljuk val´odi Cserenkov gy˝ ur˝ uk m´er´es´en´el. Vizsg´aljuk meg a TCPD elrendez´est a fenti fejezetben megeml´ıtett h´arom fotondetekt´al´asi probl´ema oldal´ar´ol. A m´asodlagos fotonok, melyek a gondot okozhatnak az MWPC-k eset´en, a lavina hely´en keletkeznek; azaz a TCPD eset´en kis m´ert´ekben a TGEM ´ ezen pontokb´ol lyukj´aban, nagy r´eszben pedig a CCC ´erz´ekeny sz´alain´al. Am (az egyenesen terjed˝o fotonok) nem tudj´ak megvil´ag´ıtani a TGEM fels˝o 123
Kvarc ablak (4mm vastag)
Katod szalak (atlatszosag 97%) ~ 6.0 mm TGEM Erzekeny szalak
Terformalo szalak Foldelt lap
~ 4.5 mm ~ 1.5 mm
80. ´abra. A TCPD v´azlatos rajza. fel¨ ulet´et, ´ıgy els˝o k¨ozel´ıt´esben a probl´ema teljesen megsz˝ unt. Term´eszetesen a kvarc¨ uveg illetve a f´emfel¨ uletekr˝ol visszaver˝od˝o m´asodlagos fotonok el´erhetik a foto´erz´ekeny r´eteget, de ennek val´osz´ın˝ us´ege elhanyagolhat´o. A nagy lavina a CCC r´eszben keletkezik, ´ıgy az ionok nagy r´esze is. A TGEM-n´el keletkez˝o n´eh´any ion egy r´esze a kat´odra, m´asik r´esze a TGEM fels˝o fel¨ ulet´ere u ¨ l ki (a pontos ar´any a kat´odt´er ´ert´ek´et˝ol f¨ ugg), de ez a −1 teljes ionmennyis´egnek szinte elhanyagolhat´o (GCCC ) r´esze. A CCC sz´alain´al keletkez˝o ionok nagyr´eszt a t´erform´al´o sz´alakhoz, egy r´esz¨ uk a parkett´akhoz illetve a TGEM als´o fel¨ ulet´ehez illetve a kat´odhoz v´andorolnak, s csak kis r´esz¨ uk (∼ 20%) jut a TGEM fels˝o fel¨ ulet´ehez. Term´eszetesen nem csak a fotonok, hanem az ´athalad´o t¨olt¨ott r´eszecsk´ek is hagynak jelet a kamr´aban a TGEM alatti ´es feletti g´azteret egyar´ant ionoz´alva. Amennyiben a TGEM feletti t´erben az elektromos t´erer˝oss´eget oly m´odon ´all´ıtjuk be, hogy onnan az elektronok a kat´od ir´any´aba sodr´odjanak (reverse field, ford´ıtott t´er) a MIP ´altal keltett jelet er˝osen cs¨okkentj¨ uk (MIP suppression, MIP elnyom´as). Ilyen m´odszert haszn´altak m´ar a HBD eset´eben is[?]. Ennek kvantitat´ıv hat´as´at a 12.4. fejezetben illetve a 86. a´br´an mutatom majd be. Egy 20x20 cm2 akt´ıv fel¨ ulet˝ u TCPD kamra konstrukci´oj´anak p´ar kiemelt l´ep´eseit mutatj´ak a 81. ´abra k´epei. Az ´altalunk haszn´alt TGEM-ek 400µm vastagok voltak, a lyukak m´erete 300µm, t´avols´aguk 800µm, s a perem sz´eless´ege 60µm. A CCC r´esz a szok´asos param´eterekkel lett ki´ep´ıtva, azaz a sz´als´ık 1.5mm volt a parkett´ak felett, 21 µm ´es 100 µm vastag sz´alakkal, ahol az azonos potenci´al´ u sz´alak t´avols´aga 4mm volt.
124
81. a´bra. K´epek a TCPD kamra ´ep´ıt´es´eb˝ol (balr´ol jobbra haladva). 1. CCC kamra kialak´ıt´asa. 2. TGEM ´es kat´od lapok elhelyez´ese. 3. Kamradozoba integr´al´as. 4. Kvarc¨ uveg ablak behelyez´ese. 5. Kis m´eret˝ u radi´atorral ell´atott ¨osszeszerelt kamra. 6. A CsI bor´ıt´as´ u TGEM behelyez´es´ehez keszty˝ us dobozos oper´aci´ora van sz¨ uks´eg. .
125
12.2.
Labor ¨ ossze´ all´ıt´ as
A g´azt¨olt´es˝ u Cserenkov detektorokban a haszn´alt CsI bevonat a kem´eny UV fotonok detekt´al´as´at teszi lehet˝ov´e. Ennek laborat´oriumi el˝o´all´ıt´asa nem olcs´o, valamint a CsI bevonat is igen ´erz´ekeny, ez´ert a laborat´oriumi tesztekhez m´as megold´ast kerest¨ unk. A LED technol´ogia folyamatos fejl˝od´es´enek eredm´enyek´ent, m´ar most is l´etezik a piacon a kem´eny UV tartom´anyban m˝ uk¨od˝o LED. A m´er´esek sor´an a Sensor Electronic Technology Inc. c´eg ´altal gy´artott UVTOP240 [?] jelz´es˝ u f´enyforr´ast haszn´altuk. A LED 248nm-es ´atlagos hull´amhosszal rendelkezik, 10nm sz´eless´eggel. ´Igy a labortesztekhez haszn´alt arany bevonatb´ol, ugyan csak kis h´anyadban, de k´epes egyedi fotoelektronokat ki¨ utni. A LED impulzus¨ uzem˝ u meghajt´as´aval a triggerel´es k´erd´es´et is megoldottuk. A h´azi k´esz´ıt´es˝ u meghajt´oban az impulzus hossza (50−1000ns) ´es peri´odusa (1 − 100kHz) egyar´ant ´all´ıthat´o volt a m´er´esi k´ıv´analmaknak megfelel˝oen. A LED a szimmetriz´alt impulzust k´et ellen´all´ason kereszt¨ ul kapta meg, melyekkel a f´enyintenzit´ast lehetett be´all´ıtani. 0.35 PE/event 0.11 PE/event 0.03 PE/event Background noise
10000
Entries
1000
0.35
0.11 100
0.03
PE/ev
ent
PE/e
vent
PE/e
vent
10 Background noise 1 0
500
1000 1500 Q [adc units]
2000
2500
82. a´bra. Detekt´alt t¨olt´eseloszl´as k¨ ul¨onb¨oz˝o f´enyintenzit´asok eset´en. L´athat´o, hogy a g¨orb´ek alakja azonos, mely meger˝os´ıti, hogy egyfoton esem´enyekr˝ol van sz´o [?]. A nem ide´alis f´enyhull´amhossz ´es az arany igen alacsony kvantumhat´asfoka miatt nagy f´enyintenzit´ast kellett haszn´alni, amikoris fontos volt megvizsg´alni (s kontroll´alni) hogy egyedi fotoelektronokat m´er¨ unk-e. A m´ert spektrum ismeret´eben ez k¨onnyen megtehet˝o; az ´atlagos fotonsz´amot az 1 − 10% nagys´agrendj´eben tartva ez biztos´ıtottnak tekintehet˝o, hiszen a t¨obbfoton-esem´enyek val´osz´ın˝ us´ege elhanyagolhat´o. (Mivel ha az egyetlen fotoelektron kelt´es´enek val´osz´ın˝ us´ege 126
P1 = N · p(1 − p)N −1 ≈ N· p ahol N a fotonok sz´ama, p ≪ 1 az konverzi´o val´osz´ın˝ us´ege, akkor P2 = N2 · p2 (1 − p)N −2 ≈ 12 P12 .) A k¨ ul¨onb¨oz˝o intenzit´asok eset´en m´ert spektrum l´athat´o a 82. a´br´an. Az egyetlen elektront´ol sz´armaz´o jel az MWPC-khez hasonl´oan a lavinastatisztik´at k¨oveti, azaz exponenci´alis (nagy er˝os´ıt´esekn´el elt´erhet ett˝ol). Ezt kihaszn´alva a m´ert spektrumra exponenci´alis f¨ uggv´eny illeszt´es´evel meghat´arozhat´o az ¨osszes fotoelektronok sz´ama. Detekt´alt fotoelektronok sz´ama defin´ıci´o szerint legye egy adott v´ag´as (´altal´aban a zaj sz´or´as´anak h´aromszoros´aval a pedeszt´al felett) feletti be¨ ut´esek sz´ama. Az ers˝os´ıt´es defin´ıci´o szerint nem m´as, mint az ´atlagos lavinam´eret, mely matematikailag megegyezik az exponenci´alis inverz meredeks´eg´evel, illetve egy tetsz˝oleges v´ag´as feletti a´tlagnak ´es a v´ag´as ´ert´en´enek k¨ ul¨onbs´eg´evel. Zaj n´elk¨ uli esetben az S(Q) spektrumot fel´ırva ´ıgy ad´odnak a fent eml´ıtett mennyis´egek: S(Q) = Nγ = Ndet = G =
12.3.
Nγ −Q/G ·e ZG S(Q)dQ
Z0
S(Q)dQ
Q3σ
R
QS(Q)dQ − Qcut Qcut S(Q)dQ
Q
R cut
(35) (36) (37) (38)
Er˝ os´ıt´ es m´ er´ ese
A TCPD m˝ uk¨od´es´ehez el˝osz¨oris ismerni kell a TGEM ´es a CCC r´esz er˝os´ıt´esg¨orb´ej´et. Ford´ıtott kat´odteret ´es z´erus TGEM fesz¨ ults´eget haszn´alva az a´thalad´o t¨olt¨ott r´eszecsk´eknek csak a TGEM alatti t´erben ioniz´alt energiavesztes´eg´et m´erj¨ uk, ´ıgy a CCC r´esz k¨onnyen m´erhet˝o. Kis er˝os´ıt´esek ´ıly m´odon nem m´erhet˝oek, ´am k¨ozvetve igen: Nagy TGEM er˝os´ıt´es mellett k´etf´ele CCC fesz¨ ults´egbe´all´ıt´as relat´ıv er˝os´ıt´esar´anya m´erhet˝o, mint az ´atlagos MIP jelek ar´anya. A 83. ´abra mutatja a CCC r´esz abszol´ ut er˝os´ıt´es´et, ahol a piros pontok a csak CCC-t tartalmaz´o direkt m´er´esek, m´ıg a k´ek pontok a relat´ıv MIP jelek ar´any´ab´ol sz´amolt er˝os´ıt´esek. Egy TGEM abszol´ ut er˝os´ıt´es´enek meghat´aroz´as´ahoz ´erdemes a norm´al ´es ford´ıtott kat´odtereket is m´erni, mivel ekkor az ´athalad´o t¨olt¨ott r´eszecske keltette jel ´ıgy alakul: QN ormal ∼ dCCC · GCCC + dCathode · GT GEM · GCCC QReverse ∼ dCCC · GCCC 127
(39) (40)
CCC rész abszolút erősítése metánban 100000
Erősítés
10000
1000
Direkt Közvetett Exponenciális fit
100 1100
1200 1300 1400 1500 Érzékeny szál feszültsége [V]
1600
83. a´bra. A TCPD detektor CCC r´esz´enek abszol´ ut er˝os´ıt´esg¨orb´eje met´anban. A piros pontok a direkt, m´ıg a k´ekek a k¨ozvetett m´er´eseket jel¨olik. L´athat´o, hogy az er˝os´ıt´es j´ol k¨ozel´ıthet˝o egy exponenci´ali f¨ uggv´ennyel.
TGEM Erősítés
100
10
1
CH4
0.1
0.01 0
500
1000 UTGEM [V]
1500
2000
84. ´abra. TGEM abszol´ ut er˝os´ıt´esg¨orb´eje met´anban. ahol dCCC a TGEM alja ´es a parkettas´ık t´avols´aga, m´ıg dCathode TGEM teteje ´es a kat´ods´ık t´avols´aga. A fent eml´ıtett m´ert jelek ar´any´ab´ol a CCC er˝os´ıt´ese is kiesik, ´ıgy k¨onnyen m´erhet˝o a TGEM er˝os´ıt´ese. Nagy TGEM er˝os´ıt´es´ert´ekek eset´en a fenti ar´anyk´epz˝o m´odszer nem alkalmazhat´o tov´abb, ´am l´epcs˝ozetes fesz¨ ults´eg´all´ıt´assal a relat´ıv jelnagys´agokb´ol tov´abb is m´erhet˝o. A haszn´alt TGEM abszol´ ut er˝os´ıt´es´et mutatja a 84. ´abra. 128
12.4.
Kat´ odt´ er hat´ asa
A GEM ´es TEGM alap´ u fotondetektorok egyik jelent˝os el˝onye a kor´abban is eml´ıtett MIP elnyom´as. A ford´ıtott kat´odt´er hat´as´ara az a´tmen˝o r´eszecske TGEM feletti t´erben keltett elektronjai a kat´odra v´andorolnak, ´ıgy nem adnak j´arul´ekot a detekt´alt jelhez. Azonban a TGEM felett p´arsz´az mikronban keltett elektronokat m´eg k´epes befogni a TGEM elektromos tere, ´ıgy ezen esetekben az als´o t´erben keltett jelen t´ ul igen nagy jelek is keletkeznek. A 85. ´abr´an l´athat´o a csak CCC r´eszb˝ol (ford´ıtott kat´odt´er ´es z´erus TGEM er˝os´ıt´es mellett) sz´armaz´o jel sk´al´azva; valamint a TCPD-n´el szok´asos elnyomott MIP jel eloszl´asa. Ut´obbit a Landau eloszl´assal o¨sszehasonl´ıtva megfigyelhetj¨ uk a v´artn´al gyakoribb relat´ıve nagy jelek megjelen´es´et.
3000
Skálázott normális MIP jel Elnyomott MIP jel
Gyakoriság
2500 2000 1500 1000 500 0 0
50
100
150
200
Detektált töltés [ke]
85. ´abra. Norm´alis (Landaus) ´es elnyomott MIP jel detekt´alt spektruma. Ut´obbi eset´en n´eha a TGEM feletti r´eszb˝ol egy-egy elektront er˝os´ıt a TGEM s a na´ıvan v´art´al nagyobb t¨olt´est detekt´alunk. A MIP elnyom´ast az ´atlagos MIP jel kat´odt´errel val´o v´altoz´as´an´al figyelhetj¨ uk meg, melyet a 86. ´abra mutat. A elnyom´as m´ert´eke a TGEM er˝os´ıt´es nagys´agrendj´eben van, a fenti effektus miatt azonban ann´al valamivel kisebb. A kat´odt´er nem csak a MIP-re, hanem a detekt´aland´o fotoelektronokra is nagy hat´assal van. Nagy ford´ıtott kat´odt´er eset´en a keletkez˝o fotoelektronok a kat´odhoz v´andorolnak, m´ıg nagy norm´al t´er eset´en nem tudnak kil´epni a fel¨ uletb˝ol; az optimum a z´erus t´er k¨or¨ ul van. A detekt´alt fotoelektronok 129
sz´am´at, illetve er˝os´ıt´es´et a MIP elnyom´assal egy¨ utt a 86. ´abra mutatja. J´ol l´athat´o, hogy nagy terek eset´en val´oban cs¨okken a detekt´alt fotoelektronok sz´ama. A fenti, ugyan kvalitat´ıv, m´er´es prec´ızebb, mikrostrukt´ ur´as vizsg´alat´ara a ??. fejezetben t´erek majd r´a. A MIP elnyom´ast ´es a maximaliz´alni k´ıv´ant fotoelektronsz´amot szem el˝ott tartva a fentiek alapj´an a ´altalunk leggyakrabban haszn´alt (sz´amunkra optim´alis) megold´as a kis ford´ıtott t´er, mint azt a HBD-n´el is haszn´alt´ak [50] [51].
Átlagosan detektált fotonok száma [t.e.]
Detektált jel nagysága [ke]
MIP jel átlagos nagysága Fotonjel átlagos nagysága Átlagosan detektált fotonok száma 1000
500
0 -1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
Katódtér [V/cm]
86. a´bra. Az ´atlagos MIP jel, valamint a fotoelektronok sz´ama ´es er˝os´ıt´ese a kat´odt´er f¨ uggv´eny´eben. J´ol megfigyelhet˝o a ford´ıtott t´ern´el a MIP elnyom´as.
130
12.5.
Cserenkov detektor
A nagy impulzus´ u r´eszecsk´ek sebess´eg´enek m´er´es´ere szolg´al´o gy˝ ur˝ u form´al´o Cserenkov detektorokn´al term´eszetesen a gy˝ ur˝ u rekonstrukci´oj´ahoz sz¨ uks´eges a fotondetektor k´etdimenzi´os felbont´asa. A TCPD-n´el a klasszikus soksz´alas kamr´akhoz, illetve a CCC-hez hasonl´o m´odon az als´o kat´odot parkett´aztuk fel. A kiolvas´o elektronik´akat ´es m´er˝o k¨ornyezetet a HMPID-es koll´eg´ak biztos´ıtott´ak, ´ıgy a parkett´ak m´eret´et ´es a csatlakoz´ok kioszt´as´at is ennek megfelel˝oen terveztem. ´Igy a parkett´ak 8.4mm × 8.0mm-esek volt, s egy front-end k´arty´ara 8 × 6 csatlakozott. A teljes detektor akt´ıv fel¨ ulete a v´art gy˝ ur˝ u m´eret´enek [?] ´es a fenti kvant´al´asnak megfelel˝oen 24×24 parketta lett, ami k¨ozel 20 × 20cm2 . A Cserenkov fotonok m´er´es´ehez az arany bor´ıt´as´ u TGEM-et ki kellett cser´elni a CsI bevonat´ ura. Mivel ut´obbi a v´ızre ´es az oxig´enre is ´erz´ekeny, a m˝ uveletet keszty˝ us dobozban kelett v´egrehajrani (l´asd: 81. a´bra jobb als´o k´epe). Ekkor ker¨ ult felszerel´esre a kor´abban a HMPID-es tesztekhez haszn´alt ´all´ıthat´o radi´ator is.
87. a´bra. Fot´o a CERN PS T10 z´on´aj´aban 2012-ben fel´all´ıtott TCPD nyal´abm´er´esr˝ol. LEHET, H MASIK KEP JON IDE, HA MEGLESZ AZ UJ 131
88. a´bra. N´eh´any sz´ep egyedi esem´eny be¨ ut´est´erk´epe. A sz´ınk´od a m´ert t¨olt´es nagys´ag´at jelenti a [0-400]ke-os sk´al´an. A koncentrikus piros pontokkal rajzolt k¨or¨ok a gy˝ ur˝ u v´art hely´et z´arj´ak k¨ozre. Val´odi Cserenkov sug´arz´assal a kamr´at a CERN PS gyors´ıt´oj´an´al tesztelt¨ uk, a m´ar kor´abban is haszn´alt T10-es z´on´aban. A m´er´esi o¨ssze´all´ıt´ast a 87. ´abra mutatja. A kis m´eret˝ u triggerel˝o szcintill´atorok k¨oz¨ott helyezt¨ uk el a TCPD-t. J´ol l´athat´o a TCPD-hez (l´egmentesen) r¨ogz´ıtett radi´ator egys´eg, melyben a HMPID-n´el is haszn´alt Cserenkov folyad´eket, C6 F14 , keringett¨ uk. A TCPD k¨or¨ ul l´athat´o a prec´ızi´os m´er´eshez felszerelt 2 × 2 BPD [?] mely a szcintill´arotokn´al pontosabb p´alyameghat´aroz´ast szolg´alta. A ??. fejezetben ismertetett ALICE k¨ornyezetet szimul´al´o adatgy˝ ujt˝o rendszerrel m´ert¨ unk, kiolvas´ashoz a standard HMPID-es Gassiplex alap´ u [57, 58] [56] elektronik´akat haszn´altuk. A szcintill´atorok koincidenci´aj´ara triggerelt¨ unk, majd megfelel˝oen elk´esleltetve ind´ıtottuk a t¨olt´esgy˝ ujt´est. A laborban met´ant biztons´agi okokb´ol nem haszn´alhattunk, ´ıgy a laborteszteket Ar/CO2 g´azban v´egezt¨ uk. A v´egs˝o detektorhoz azonban met´ant fogunk haszn´alni mivel az a legalkalmasabb fotondetektorokhoz [49], ´ıgy el˝osz¨or a CCC ´es TGEM er˝os´ıt´esg¨orb´eket m´ertem meg az u ´ j g´azban. A megfelel˝o id˝oz´ıt´es be´all´ıt´as´an t´ ul megm´ert¨ uk a kih´ uz´o t´er hat´as´at, illetve a kat´odt´er hat´as´at a MIP ´es a fotonjelekre (ezek eredm´enyeit az el˝oz˝o 132
fejezetekben bemutattam). A speci´alis ´all´ıthat´o radi´atorral a fotonok sz´am´at, illetve a gy˝ ur˝ u sugar´at is lehetett ´all´ıtani, ´ıgy fotonokkal is m´erhett¨ unk kamrauniformit´ast ´es zajh´atteret. Az alapvet˝o m˝ uk¨od´esi param´eterek kim´er´ese ´es be´all´ıt´asa ut´an r´at´erhett¨ unk a Cserenkov gy˝ ur˝ uk detekt´al´as´anak k´erd´es´ere. N´eh´any sz´ep egyedi esem´enyt mutat a 88. ´abra standard be´all´ıt´asok eset´en. A parkett´ank´enti be¨ ut´esek nagys´ag´at a sz´ınsk´ala k´odolja. L´athat´oak a form´al´od´o klaszterek, illetve a MIP elnyom´as hat´asa, aminek k¨osz¨onhet˝oen a MIP ´es fotonjelek azonos nagys´agrendben vannak. Az egy futtat´asra vett t¨olt´esekkel s´ ulyozott integr´alt be¨ ut´est´erk´epen (89. ´abra) j´ol l´atszik a k¨oz´epre ´erkez˝o MIP jel, valamint a k¨or¨ ul¨otte form´al´od´o Cserenkov gy˝ ur˝ u. Az ALICE k¨ornyezetet szimul´al´o m´er´esben a keletkez˝o nyers adatokat egy egyszer˝ u ROOT programmal ASCIII form´atumm´a alak´ıtottam a tov´abbi gyors feldolgoz´ast el˝oseg´ıtend˝o (hasonl´oan, mint a ??. fejezetben). Az anal´ızis sor´an a be¨ ut´esekb˝ol el˝osz¨or k´etdimenzi´os klasztereket alkotok, s a tov´abbiakban a klaszterek helye ´es t¨olt´ese alapj´an osztom o˝ket MIP illetve foton kandid´atok k¨oz´e (vagy zajnak nevezem).
Gyakoriság
3000
3000 2500 2000 1500 1000 500 0
2000 1000 0 24 18 y [pad]
12 24
6
16 0
8 0
x [pad]
89. a´bra. Integr´alt t¨olt´est´erk´ep, a kamra k¨ozep´ere f´okusz´alt nyal´ab hely´en az elnyomott MIP jel l´atszik, k¨or¨ ul¨otte pedig sz´epen kirajzol´odik a detekt´alt Cserenkov gy˝ ur˝ u.
133
10000
Gyakoriság
1000
100
10
1 0
100 200 Detektált töltés [ke]
300
90. ´abra. A TCPD-vel detekt´alt Cserenkovfoton-kandid´atok t¨olt´eseloszl´asa. Az elnyomott MIP-nek k¨osz¨onhet˝oen az er˝os´ıt´est k¨onnyed´en 103 f¨ol´e lehetett vinni. A klasztereket a k¨ovetkez˝ok´eppen form´alom: Szabadnak nevezem a klaszterhez nem tartoz´o be¨ ut´eseket, s amint hozz´aadtam egy klaszterhez, ´ kiveszem ezen csoportb´ol. Uj klasztert a legnagyobb t¨olt´es˝ u szabad be¨ ut´essel kezdek. Klasztert egy adott be¨ ut´es´et˝ol tov´abb b˝ov´ıtek a szomsz´edos, n´ala kisebb t¨olt´es˝ u szabad be¨ ut´esekkel. A fotonkandid´atok t¨olt´eseloszl´as´an (90. ´abra) j´ol l´atszik a v´artnak megfelel˝o k¨ozel exponenci´alis eloszl´as. Az elnyomott MIP-nek k¨osz¨onhet˝oen kell˝oen nagy er˝os´ıt´est is k¨onnyen el lehet ´erni a TCPD detektorral. A gy˝ ur˝ u rekonstrukci´oj´ahoz minn´el t¨obb szepar´altan detekt´alt foton az ide´alis, melyet egy folyad´ek k¨ozegben k¨onnyen lehet v´altoztatni a radi´ator vastags´ag´aval. Az ´altalunk haszn´alt radi´atorral ezt meg is m´erhett¨ uk, a´m egy g´azt¨olt´es˝ u Cserenkov detektorban az ´altal´aban limit´alt hely miatt a g´azt´er, s ´ıgy a fotonok sz´ama is er˝osen limit´alt; ez´ert is fontos a relat´ıve nagy fotoelektron detekt´al´asi hat´asfok. Ez t¨obb r´eszb˝ol tev˝odik o¨ssze: a konverzi´o kvantumhat´asfoka, mely mindk´et esetben a CsI-nak megfelel˝o; az elektronok fel¨ uletb˝ol val´o kih´ uz´as´anak hat´asfoka, mely a fel¨ uleti t´erer˝oss´egt˝ol monoton f¨ ugg; a haszn´alt g´azt´ol (met´an a legide´alisabb, ez´ert haszn´altuk mi is ezt); a fotoelektronok sokszoroz´asi t´erig val´o eljut´as´anak val´osz´ın˝ us´eg´et˝ol (g´azf¨ ugg˝o); illetve a detektor detekt´al´asi hat´asfok´at´ol. Term´eszetesen ezek egy r´esze helyr˝ol helyre v´altozhat (l´asd p´eld´aul a 13. fejezetet, vagy [59]) a´m sok esetben el´egs´eges az ´atlagot n´ezni. A TGEM ´es ´ıgy a TCPD egyik nagy h´atr´anya, hogy a lyukak miatt a CsI-dal bor´ıtott fel¨ ulet az akt´ıv fel¨ uletn´el p´art´ız sz´azal´ekkal kevesebb, mely egy´ertelm˝ uen ¨osszhat´asfok cs¨okken´eshez vezet. B´ar ez a parkett´az´as miatt a 134
Gyakoriság
1000
500
0 0
2
4
6 8 10 12 Detektált fotonok száma
14
16
91. ´abra. A gy˝ ur˝ u hely´en kapott fotonkandid´atok sz´am´anak eloszl´asa 10 mm vastag C4 F10 radi´ator eset´en. klasszikus MWPC-kn´el is megjelenik [59] a fenti parkettam´eret eset´en ut´obbi j´oval kevesebb. A VHMPID-ben a HMPID-hez k´epesti kisebb gy˝ ur˝ uk miatt val´osz´ın˝ u a parkettam´eretek is cs¨okkennek, mellyek az MWPC alap´ u verzi´ok is p´art´ız sz´azal´ekos vesztes´egre tesznek szert, ´ıgy engedve nagyobb teret a mikrostrukt´ ur´as technol´ogi´ak t´erh´od´ıt´as´anak. A 91. ´abra bal oldal´an l´athat´o a gy˝ ur˝ u ment´en detekt´alt fotonkandid´atok sz´am´anak eloszl´asa egy 10mm-es radi´ator est´eben. Az a´tlag a kor´abbi HMPID-es m´er´esekhez k´epesti ≈ 60%-os hat´asfokot k´epvisel [56]. Ezen a TGEM lyukkonfigur´aci´oj´anak optimaliz´al´asa v´arhat´oan 10 − 20% abszol´ ut javul´ast is jelenthet. Ehhez a mikrostrukt´ ura hat´as´anak r´eszletekbemen˝o tanulm´anyoz´asa sz¨ uks´eges, mellyel a megszerzett m´er´esi tapasztalatok alapj´an fejlesztett szimul´aci´os eszk¨oz¨ok ´es a k¨ol¨ unb¨oz˝o konfigur´aci´okat vizsg´al´o m´er´esek egy¨ uttsen fogj´ak adni a tov´abbi instrukci´okat. Err˝ol a 13. fejezetben ´ırok b˝ovebben. A fejezetben megmutattam a TCPD g´azt¨olt´es˝ u fotondetektork´ent val´o haszn´alhat´os´ag´at. A MIP elnyom´as ´es a m´asodlagos fotonj´arul´ekok elt˝ un´ese mellett a CCC strukt´ ura miatti egyszer˝ u konstrukci´o is nagy el˝onyt jelent. Egyedi Cserenkov fotonok detekt´al´as´aval ´es gy˝ ur˝ urekonstrukci´oval bizony´ıtottam, hogy megfelel RICH detektorokban val´o haszn´alatra. A mikrostrukt´ ur´as szerkezet okozta effekt´ıv fotonsz´amcs¨okken´es miatt finom parkett´azotts´ag´ u vagy nagy fotonsz´am´ u k´ıs´erletekhez aj´anlott legink´abb.
135
13.
Prec´ızi´ os TGEM-fel¨ ulet vizsg´ alat
Az el˝oz˝o (12.) fejezetben ismertetett TCPD, valamint minden TGEM illetve mikrostrukt´ ur´as fotondetektor eset´en sarkalatos k´erd´es a stukt´ ur´ab´ol ad´od´o fotonhozam vesztes´eg ismerete. Egy TGEM eset´en a lyukak egy´ertelm˝ uen nem vonhat´oak be fotokonverter r´eteggel, s ´ıgy a lyukakba es˝o fotonokat nem tudjuk (alapesetben) detekt´alni. Term´eszetesen praktikus, s˝ot a VHMPID eset´en egyenesen sz¨ uks´eges, hogy a lehet˝o legt¨obb fotont ´ sikeresen detekt´aljuk. Erthet˝o, hogy a lyukak m´erete ´es t´avols´aga er˝osen befoly´asolja az akt´ıv fel¨ ulet nagys´ag´at, ´am nem egy egyszer˝ u geometriai optimumot kell tal´alni. A t´ ul messze elhelyezked˝o kicsi lyukak (mint a lehet˝o legt¨obb foto´erz´ekent fel¨ ulet˝ u konfigur´aci´o) eset´en a fotoelektron begy˝ ujt´ese, illete a lyukak k¨oz¨otti szimmetriaz´on´akb´ol sz´armaz´o vesztes´eg lesz domin´ans. Az ”optim´alis lyukkonfigur´aci´o” keres´es´et t¨obb ir´anyb´ol is meg lehet k¨ozel´ıteni. Minden esetben el˝osz¨or pontosan defini´alni kell a maximaliz´aland´o mennyis´eget, mivel k¨ ul¨onb¨oz˝o k´ıs´erletekhez m´as ´es m´as param´eterek fontosak (er˝os´ıt´es, fotonhozam, ion-vissza´araml´as, ...). A legegyszer˝ ubb, ´am rettent˝oen id˝o ´es p´enzig´enyes, m´er´esi m´od a k¨ ul¨onb¨oz˝o lyukkonfigur´aci´os lemezek install´al´asa adott ¨ossze´all´ıt´asba, s az eredm´enyek direkt ¨osszehasonl´ıt´asa. Elektrosztatikus sz´amol´asokkal a kialakuk´o t´erb˝ol sz´amolhat´oak bizonyos effektusok, ´am bonyolult rendszerek eset´en ez nem t´ ul megb´ızhat´o. A k¨ ul¨onb¨oz˝o konfigur´aci´ok szimul´aci´os kezel´ese egyszer˝ ubb, a´m ehhez a szimul´aci´okat valid´alni kell, lehet˝oleg a mikrostukr´ ura m´eretsk´al´aj´an. Mindezekhez kiv´al´o alapot ´es egyben egy u ´ j m´er´esi m´odszert jelent(ene) egy mirkom´eret˝ u forr´assal val´o m´er´es. Jelen fejezetben ez ut´obbinak gyakorlati megval´os´ıt´as´ar´ol ´es a m´ert eredm´enyekr˝ol sz´amolok be.
136
13.1.
M´ er´ esi ¨ ossze´ all´ıt´ as
A prec´ızi´os fel¨ uleti vizsg´alathoz egy h´arom dimenzi´oban mozgathat´o, p´arsz´az mikrom´eter nagys´ag´ u foltra f´okusz´alt UV forr´ast haszn´altunk. A fel¨ uletb˝ol pontosan ismert helyen ki¨ ut¨ott fotoelektronra adott kamrajelet m´erve vizsg´altuk a k´etdimenzi´os strukt´ ur´at. A m´er´eshez nem sz¨ uks´eges a nagy kvantumhat´asfok´ u foto´erz´ekeny r´eteg megl´ete, ´am elengedhetetlen, hogy az UV forr´as k´epes legyen elektronokat ki¨ utni a fel¨ uletb˝ol. M´er´eseink sor´an a 12. fejezetben m´ar ismertetett UVTOP240 [?] nev˝ u LED-et haszn´altuk, mellyel aranyozott fel¨ uletb˝ol, ugyan igen kis hat´asfokkal, ki lehet u ¨ tni egyedi elektronokat (l´asd 12.2. fejezet). A kis kvantumhat´asfokot nagy eredeti fotonfluxussal lehet alapvet˝oen ellens´ ulyozni, ´am a f´okusz´al´ashoz sz¨ uks´eges kis m´eret˝ u lyuk miatt m´ar az UV LED maxim´alis f´enyereje volt a korl´atoz´o t´enyez˝o. Ez´ert a m´er´esek sor´an minden m´er´esi pontban a k¨ozel 100-1000 fotonesem´enyhez t¨obbezer esem´enyt kell r¨ogz´ıten¨ unk. A TGEM fel¨ ulet´enek vizsg´alat´ahoz egy TCPD kamr´at haszn´altunk. Az al´abb ismertetett m´er´esekhez haszn´alt TGEM-ben az egym´ast´ol 800 µm-re hatsz¨ogr´acsban elhelyezked˝o 60 µm perem˝ u 300 µm-es lyukak egy 400 µm vastag ny´akon helyezkedtek el. 13.1.1.
Optikai rendszer
Az optikai ¨ossze´all´ıt´ast a 92. ´abra bal oldai rajza szeml´elteti. Az UV LED f´eny´et egy kis lyukon ´at egy kvarclencs´en kereszt¨ ul f´okusz´aljuk a TGEM fel¨ ulet´ere. A kis lyukat tartalmaz´o lapka cser´elhet˝o, ´ıgy k¨ ul¨onb¨oz˝o lukm´eretekkel is lehet m´erni; az ´altalunk haszn´alt a´tm´er˝ok: 0.15mm, 0.30mm, 0.50mm, 1.00mm. (A lyukak a lapk´aban egyszer˝ u mechanikai f´ ur´assal lettek kialak´ıtva.) A f´okusz´al´ashoz haszn´alt kvarclencse f´okuszt´avols´aga 25mm l´athat´o f´enyre. Az optikai hib´ak cs¨okkent´ese ´erdek´eben a lencs´enek csak egy 8mm ´atm´er˝oj˝ u r´esz´et haszn´altuk. A teljes optikai rendszer egy kis m´eret˝ u keretrendszerre volt er˝os´ıtve, melyet egy h´aromdimenzi´os mozgathat´omechanik´ara r¨ogz´ıtett¨ uk. A mozgat´orendszer h´arom egydimenzi´os prec´ızi´os l´eptet˝omotoros tengelyb˝ol ´allt, melyekn´el egy l´ep´es 2.5µm, egy teljes fordulat pedig 200 l´ep´es. A vizsg´aland´o kamr´at a fenti optikai rendszer alatt, egy a´ll´ıthat´o magass´ag´ u, h´aroml´ab´ u asztalon r¨ogz´ıtett¨ uk.
137
3D asztal
UV LED cserelheto lyuk
kvarc lencse diafragma kvarc ablak katod TGEM szalsik
TCPD
92. ´abra. (Bal) A finom felbont´as´ u fel¨ uleti p´aszt´az´o optikai o¨ssze´all´ıt´as´anak v´azlatos rajza. (Jobb) Az optikai rendszer ´es a l´eptet˝omotoros mozgat´o f´enyk´epe. .
138
13.1.2.
Adatgy˝ ujt˝ o rendszer
A haszn´alt TCPD detektorban a kis foltra (ak´ar 80µm) f´okusz´alt UV f´eny az adott ter¨ uletr˝ol az arannyal bevont TGEM fel¨ ulet´eb˝ol egy elektront ki¨ uthet, melyet a TGEM k¨ozeli lyukj´an ´at GT GEM er˝os´ıt´est kap. A GT GEM darab elektron jut tova a CCC sz´alakhoz, ahol lavina alakul ki. A m´er´esek sor´an az ´erz´ekeny sz´alakat (SW) olvassuk ki, mely az eg´esz kamr´an ¨ossze van k¨otve. (A fontos helyinform´aci´ot a f´okusz´alt rendszerb˝ol sz´armaztatjuk.) A sz´alak er˝os´ıtett jel´et (er˝os´ıt˝o: A.I.8.1., hasonl´o a 10.2.2. fejezetben bemutatottakhoz) egy Camac ADC-vel (Caen C1205 [79]) olvastuk ki. A m´er˝oprogramnak fontos feladata a h´aromdimenzi´os asztal poz´ıcion´al´asa is, ez´ert ezen funkci´okat is integr´altam a ??. fejezetben ismertetett ”Measurement Controller” programomba. Egy extra ablakban kapott helyet az u ´ j funkci´ok sora. Az asztalt h´arom dimenzi´oban lehet adott poz´ıci´oba mozgatni (az aktu´alis poz´ıci´o automatikusan friss¨ ulve mindig l´atszik az ablakban). T¨obbdimenzi´os p´aszt´az´o m´er´eseket is innen lehet ind´ıtani: A kijel¨olt p´aszt´azand´o tengelyekn´el be kell csup´an ´all´ıtani a vizsg´aland´o tartom´anyt ´es a l´ep´esk¨oz¨oket. A Scan gomb megnyom´as´aval a fenti be´all´ıt´asokb´ol kisz´amolt helylista minden pontj´aban egy-egy a f˝oablakban be´all´ıtott m´er´es indul, s met˝odik egyetlen f´ajlba az aktu´alis helykoordin´at´ak r¨ogz´ıt´es´evel. A 93. ´abr´an egy a fenti m´odon felvett spektrum l´athat´o egy luk k¨ornyezet´eben. Foton-jel töltéseloszlása
Események száma
100000
10000
1000
100
10 0
500
1000
1500
2000
2500
Q [adc]
93. a´bra. M´ert t¨olt´eseloszl´as egy kis lyukon ´atvil´ag´ıtott UV LED eset´en. A relat´ıve nagy zaj mellett sz´epen l´atszik a v´art exponenci´alis eloszl´as´ u jel. A m´er˝orendszer az ut´obbi id˝oben fejleszt´eseket v´egezt¨ unk, aholis a Camac rendszert egy u ´ j ADC-vel, illetve a r´egi mozgat´orenszert egy u ´ j meghajt´oval helyettes´ıtett¨ uk. Err˝ol r´eszletesebben a 13.7. fejezetben sz´amolok be. 139
13.2.
Adatanal´ızis
Az adatok anal´ızis´et v´egz˝o programot C/C + + nyelven ´ırtam. Az adatanal´ızis alapegys´egei a m´er´esi pontok. Minden m´er´esi ponthoz sok esem´eny tartozik, melyek egy-egy ADC adatb´ol, valamint az el˝oz˝o esem´eny ´ota eltelt id˝ob˝ol ´allnak (l´asd ??. fejezet). Ut´obbiakb´ol az esem´eny, illetve a m´er´esi ponthoz tartoz´o abszol´ ut id˝o sz´amolhat´o, melynek a stabilit´as vizsg´alat´an´al (l´asd 13.4. fejezet) j´o szolg´alatot tesznek. Minden m´er´esi ponthoz tartozik egy az ott az ¨osszegy˝ ujt¨ott adatokb´ol k´esz´ıtett hisztogramm. Az alapvet˝oen m´erend˝o ´ert´ekek, mint a TCPD-n´el is a 12.2. fejezetben is, a ”detekt´alt fotoelektronok sz´ama (NDPE, PY)”, ”¨osszes fotoelektronok sz´ama (NAPE)”, ”er˝os´ıt´es (illesztett) (GF)”, ”er˝os´ıt´es (sz´amolt) (GC)”. Ezen ´ert´ekek minden m´er´esi pontra meghat´arozhat´oak a t¨olt´eseloszl´as hisztogramm ismeret´eben (l´asd (35-38) egyenletek). A stabilit´as meghat´aroz´as´ahoz sz¨ uks´eges u ´ jram´er´esi pontokat a norm´alis m´er´esi pontokt´ol lev´alasztva kezelem, s a 13.4. fejezetben kifejtett id˝of¨ ugg˝o hely, hozam ´es er˝os´ıt´es ´ert´ekeket sz´amolom bel˝ol¨ uk. A TGEM-lyukak eset´en a v´art fotonhozam nulla. Term´eszetesen a zaj, a visszver˝od¨ott fotonok, illetve a kozmikus h´att´er miatt a lyukakn´al is detekt´alunk p´ar fotoelektronnak megfelel˝o jelet. A programban a ”s¨ot´et pontokk´ent” defini´alom az teljes vizsg´alt fel¨ uletre vett ´atlagos fotonhozam 30%-´an´al kevesebb detekt´alt fotont tartalmaz´o m´er´esi pontokat. A s¨ot´et pontok k´etdimenzi´os klaszterez´ese ut´an elv´egzek m´eg egy klaszterm´eret v´ag´as is, hogy a val´odi lukakat tal´aljam meg, ugyanis a szimmetria pontok (l´asd. 13.5. ´es 13.6. fejezet) is hasonl´oan ineffekt´ıvek tudnak lenni bizonyos fesz¨ ults´egbe´all´ıt´asokn´al. A lyukak megfelel˝o s¨ot´et klasztereknek ´ertelmezhet˝o a k¨oz´eppontja. Valamint defini´alom ezen lyukak vonz´ask¨orzet´et, mint azon m´er´esi pontok halmaz´at, melyek az adott lyukhoz k¨ozelebb vannak, mint b´armely m´asikhoz. Ezzel algoritmikusan is vizsg´alhat´o a lyukak gy´art´asi poz´ıcion´al´asa, illetve a 13.5. fejezetben is szerepl˝o lyukakhoz tartoz´o ter¨ ulet (s ezzel a ”lyuker˝os´ıt´es” is). A program az anal´ızis v´egezt´evel a parancssori kapcsol´okkal megadott k´ıv´ant eredm´enyeket menti a kimenti f´ajlba, illetve k´er´es eset´en, elk´esz´ıti az alap´abr´akhoz tartoz´o Gnuplot szkripteket, s az alap´abr´akat megjelen´ıti a k´eperny˝on vagy ki´ırja egy pdf f´ajlba.
140
Az anal´ızis program l´ ep´ esei: 1. Anal´ızis param´etereinek beolvas´asa 2. Futtat´as param´etereinek beolvas´asa 3. M´er´esi strukt´ ur´ak deklar´al´asa (m´er´esi pont, lyuk, k¨ornyezet) 4. Anal´ızis inicializ´al´asa 5. Minden esem´enyre Ha csak egy u ´j ADC adat : (a) Adatok beolvas´asa (b) Hisztogrammok t¨olt´ese Ha u ´j m´er´esi pont kezd˝odik : (a) Eddigi m´er´esi pont lez´ar´asa (b) M´er´esi pont anal´ızise (fotonhozam, er˝os´ıt´es,..) ´ m´er´esi pont l´etrehoz´asa (c) Uj 6. M´er´esi pontok oszt´alyoz´asa (val´odi m´er´es, u ´ jram´er´es) 7. T´erk´epek k´esz´ıt´ese 8. Lyukak megkeres´ese [opcion´alis] (a) S¨ot´et k¨osz¨ ub be´all´ıt´asa (b) S¨ot´et pontok klaszteres´ıt´ese (c) Klaszterm´eret v´ag´as a s¨ot´et tartom´anyokra (d) Lyukak hely´enek meghat´aroz´asa (e) Lyukszint˝ u ´ert´ekek sz´am´ıt´asa ´ 9. Ujram´ er´esi pontok feldolgoz´asa 10. Alap´abra-szktiptek k´esz´ıt´ese 11. Ki´ırat´as f´ajlba 12. Ki´ırat´as k´eperny˝ore 13. Alap´abr´ak megjelen´ıt´ese
141
13.3.
F´ okusz be´ all´ıt´ asa
A prec´ızi´os vizsg´alat sarkalatos pontja az UV forr´as megfelele˝o f´okusz´al´asa. B´ar a param´eterek elvileg ismertek (f´okuszt´avols´ag, a kamra illetve az ´allv´any m´eretei) a pontos be´all´ıt´ast m´er´essel kell finomhangolni. Valamint l´enyeges k´erd´es, hogy az adott kis lukon ´at az ide´alis f´okusz be´all´ıt´as´aval mekkora foltm´eret ´erhet˝o el. Ennek vizsg´alat´ara egy kis lapk´ara egy 25 µm ´es egy 100 µm vastag sz´alat r¨ogz´ıtett¨ unk, s ezt a kamra tetej´ere helyezt¨ uk. A f´okuszt a sz´alakra ´all´ıtva kim´erhet˝o a sz´alak ”´arny´eka” a m´ert fotonhozam t´erk´epen. Ilyen t´avols´agb´ol a TGEM strukt´ ur´aja m´ar j´or´eszt elmos´odik, ´am a sz´alak n´elk¨ ul megism´etelt m´er´es szolg´al a legpontosabb nullpontk´ent. A 94. ´abr´an l´athat´o a sz´alakra mer˝oleges vonal ment´en k¨ ul¨onb¨oz˝o f´okuszt´avols´agokban m´ert fotonhozam. J´ol kivehet˝o a vastag ´es a v´ekony sz´al helye, illetve hogy Z = 0 k¨or¨ ul leg´elesebb az ´arny´ek.
400
3
350
Z [mm]
2
300 250
1
200 0
150 100
-1
50 -2
0 18
18.5
19
19.5
X [mm]
94. a´bra. Fotonhozam k¨ ul¨onb¨oz˝o f´okuszt´avols´agokn´al (Z tengely) a TGEM fel¨ ulet´et˝ol messze, a kamra f¨ol´e helyezett pr´obasz´alak k¨orny´ek´ere f´okusz´alva. L´athat´o, hogy Z = 0 k¨or¨ ul leg´elesebb a k´ep. Az ´arny´ekok f´el´ert´eksz´eless´eg´et m´erve meghat´arozhat´o a legpontosabb f´okusz. A 95. ´abr´an l´athat´o a leg´elesebb (Z = 0mm) be´all´ıt´asn´al m´ert fotonhozam sz´alakkal illetve sz´alak n´elk¨ ul. A v´ekony sz´al k¨orny´ek´en nagyobb statisztik´aval is megism´etelt¨ uk a m´er´est, hogy a f´el´ert´eksz´eless´eg m´er´ese pontosabb lehessen. 142
1000
Szálak nélkül Szálakkal Gauss illesztés
Detektált fotoelektronok száma
900 800 700
25 µm-es szál
600 500 400 300 200 100
25 µm-es szál
100 µm-es szál
0 18.5
19
19.5
X [mm]
95. a´bra. Fotonhozam a sz´alakra mer˝oleges vonal ment´en Z = 0mm f´okuszban, a sz´alakkal, illetve sz´alak n´elk¨ ul. A v´ekony sz´al eset´en nagyobb statisztik´aval is megism´etelt¨ uk a m´er´est a pontoss´ag kedv´e´ert. A k¨ ul¨onb¨oz˝o f´okuszt´avols´agokn´al m´ert ´arny´ekokkal megtal´alhat´o a legide´alisabb be´all´ıt´as, az ´arny´ekok m´eret´et mutatja a 96. a´bra. M´eg fontosabb a legjobb f´okusz eset´en a felbont´as meghat´aroz´asa, ami a fentiekb˝ol ≈ 70 µm FWHM. Val´os TGEM fel¨ uleti m´er´es eset´en a f´okuszt´avols´ag k¨or¨ ulbel¨oli be´all´ıt´as´at a kamr´at r¨ogz´ıt˝o asztallal ugyan elv´egezhetj¨ uk, ´am a sz´az mikrom´eteres pontoss´aghoz itt is k¨ozvetlen m´er´esre van sz¨ uks´eg. Mivel a TGEM-en l´ev˝o lukak s¨ot´et ter¨ uletetkk´ent jelennek meg, ´ıgy egy k´etdimenzi´os m´er´est k¨ovet˝oen l´athatjuk a lukak hely´et. Egy luksoron ´at v´egezve egydimenzi´os m´er´eseket k¨ ul¨onb¨oz˝o f´okuszt´avols´agokn´al a legjobb f´okusz´ ut a leg´elesebb lyukhat´ar hat´arozza meg. A 97. ´abr´an egy luksoron ´at (Y tengely) futtatott m´er´esessorozatot l´atunk, k¨ ul¨onb¨oz˝o magass´agokban (Z tengely) 5 mm-en a´t. J´ol l´atszik a strukt´ ura elmos´od´asa mindk´et ir´anyban.
143
Szál árnyékának félszélessése [µm]
250
200
150
100 µm-es szál
100 25 µm-es szál
50
0 -2
-1
0
1
2
3
Z [mm]
96. a´bra. A vastag sz´al ´arny´ek´ara illesztett Gauss eloszl´as f´el´ert´eksz´eless´ege, a k¨ol¨ unb¨oz˝o f´okuszbe´all´ıt´asok eset´en. (A 94. ´abr´an l´athat´o X = 19.2mm k¨or¨ uli ´arny´ek sz´eless´ege). Valamint a v´ekony sz´al a´rny´ek´anak f´el´ert´eksz´eless´ege a legjobb f´okusz eset´en.
10
300 250
9
Z [mm]
200 8 150 7 100 6
50
5
0 15
16
17
18
Y [mm]
97. a´bra. Egy vonal menti fotonhozam a k¨ ul¨onb¨oz˝o f´okuszt´avols´agokkal a TGEM-re f´okusz´alva. A leg´elesebb strukt´ ura jel¨oli ki a legjobb f´okuszt. A rajzolat enyhe d¨ol´es´et az UV LED p´ar fokos ferdes´ege okozta; ez nem jelent probl´em´at a m´er´esek sor´an. 144
13.4.
Stabilit´ as
Mivel egy m´er´es t¨obb ´or´at, ak´ar egy-k´et napot is ig´enybe vehet, fontos a rendszer stabilit´as´anak vizsg´alata. Ezt oly m´odon realiz´altuk, hogy egy el˝ore defini´alt pontsorozatot id˝onk´ent u ´ jra ´es u ´ jra megm´ert¨ unk. A k´etdimenzi´os ter¨ uleten k´ıgy´ovonalban halad´o p´aszt´az´as minden m´asodik fordul´oj´aban t¨ort´ent u ´ jram´er´es. Az azonos helyen m´ert fotonhozam ´es er˝os´ıt´es´ert´ekeknek term´eszetsen azonosnak kellene lenni¨ uk (hibahat´aron bel¨ ul). Az UV LED hossz´ u t´av´ u intenzit´asv´altoz´asa, valamint a h˝om´ers´eklet ´es a nyom´as v´altoz´asa azonban m´odos´ıtj´ak az eml´ıtett ´ert´ekeket. A 98. ´abr´an l´athat´o az u ´ jram´er´esi z´on´aban m´ert fotonhozam ´es er˝os´ıt´es id˝obeli v´altoz´asa. A tapasztalt elt´er´esek t´ız sz´azal´ekos hibahat´aron bel¨ ul esnek, ´ıgy megfelel˝oen stabilnak mondhat´oak. NDPE 800
600
200
400 Erősítés
Erősítés [adc]
Detektált fotoelektronok száma
300
100 200
0
0 0
5
10
Eltelt idő [óra]
98. ´abra. A fotonhozam ´es az er˝os´ıt´es id˝obeli v´altoz´asa t˝ ur´eshat´aron bel¨ uli. A poz´ıcion´al´as esetleges pontatlans´ag´at a mozgat´orendszer hib´as l´ep´esi, illeve a LED vagy a kamra is elmozdul´asa is el˝oid´ezheti. A f´okusz´alt folt TGEM-hez k´epesti poz´ıci´oj´anak m´er´es´ehez egy megfelel˝o markerstrukt´ ur´at kell tal´alni a vizsg´alt ter¨ uleten, ami a TGEM eset´en lehet egy lyuk. Az u ´ jram´er´esi pontsorozatunk egy lyuk fal´an ´at haladt X, majd Y ir´anyban. A lyuk fal´an´al megjelen˝o hirtelen fotonhozamv´altoz´as seg´ıts´eg´evel mindk´et ir´anybeli poz´ıci´o m´erhet˝ov´e v´alik. A 99. ´abra mutatja egy lyukon ´atmen˝o Y ir´any´ u u ´ jram´er´esi pontok fotonhozam´at id˝o f¨ uggv´eny´eben; l´athat´o, hogy a lyuk pereme nem tol´odik el jelent˝osen. A 100. ´abr´an egy t¨obb napos m´er´es sor´an a fenti m´odszerrel meghat´arozott lyukpoz´ıci´o v´altoz´asa l´athat´o mindk´et ir´anyban. A fels˝o becsl´es szerint is 20 µm-en bel¨ uli elt´er´es kisebb, mint a haszn´alt foltm´eret, ´ıgy ez is stabilnak tekinthet˝o. 145
120 15.9
100
Y [mm]
80 15.8
60 40
15.7
20 0 0
5 Eltelt idő [óra]
10
99. a´bra. Egy p´ar pontb´ol ´all´o vonal ment´en m´ert fotonhozam a regul´aris (kb. 45 percenk´enti) u ´ jram´er´es sor´an egy lyuk mellett.
Luk pozíciója X és Y koordinátákban [µm]
Term´eszetesen a stabilit´asm´er´eseket nem csak a fenti p´eld´akban, hanem minden egyes m´er´es alkalm´aval el kell v´egezni. Jelent˝os elt´er´esek eset´en megfelel˝oen korrig´alni kell az ´ert´ekeket, vagy megism´etelni a m´er´est.
40
20
0
-20
-40 0
12
24 36 Eltelt idő [h]
48
60
100. ´abra. A TGEM lyuk melletti regul´aris u ´ jram´er´esekb˝ol sz´amolt lyukpoz´ıci´o X ´es Y ir´anyban csup´an p´art´ız mikrom´eterrel v´altozott t¨obb, mint k´et nap alatt. 146
13.5.
Fotonhozam- ´ es er˝ os´ıt´ es t´ erk´ ep
A fentebb ismertetett stabilit´asi ´es foltm´eret param´eterek ismeret´eben val´odi fotonhozam es er˝os´ıt´es m´er´eseket lehet v´egezni. A m´er´esek sor´an haszn´alt l´ep´esk¨oz ´altal´aban 25 µm volt, egyes gyorsabb p´aszt´az´asokhoz 50-100 µm-t haszn´altunk.
18.5 200 18.0
17.5 150
Y [mm]
17.0
16.5
100
16.0 50 15.5
15.0 0 7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
X [mm]
101. a´bra. Detekt´alt fotonhozam t´erk´ep egy TGEM-en, a m´ert fotonsz´amot a sz´ınsk´ala mutatja. A lyukak s¨ot´et foltokk´ent jelennek meg. (Err˝ol a mint´azatr´ol kapra a projekt a Leopard nevet.) Egy, a CERN-ben 2009-ben gy´artott 10x10 cm2 -es TGEM egy kis ter¨ ulet´en m´ert fotonhozamr´ol k´esz¨ ult t´erk´epet a 101. a´bra mutatja. (Az ilyen ”foltos” mint´azatnak k¨osz¨onhet˝oen kapra a projekt a Leopard elnevez´es.) Kiv´al´oan l´atszanak a s¨ot´et k¨orlapokk´ent megjelen˝o lyukak, a 147
v´art hatsz¨ogr´acsban. A lyukak k¨or¨ uli akt´ıv fel¨ ulet azonban nem egyeneletes, a peremeken l´enyegesen nagyobb hozam l´atszik, mint lyukakt´ol t´avolabb. Fontos m´eg megjegyezni, hogy a m´er´es tan´ us´aga szerint a szimmetria pontokban (s˝ot a szimmetria vonalak ment´en egyar´ant) nem ´erz´ekeny a rendszer, innen ugyanis a ki¨ ut¨ott elektron a kat´od fel´e indul. Ez az els˝o olyan val´odi m´er´es, ahol ez a v´arakoz´as igazolva lett. Az alkalmazott kat´odt´er hat´assal van erre a strukt´ urar´eszre, ennek r´eszletesebb vizsg´alat´at a 13.6. fejezet tartalmazza. Figyelj¨ uk meg, hogy a lyukak k¨or¨ uli vil´agos gy˝ ur˝ u nem egyenletes, valamint az egyes gy˝ ur˝ uk hozama is jelent˝osen elt´er (ak´ar kettes faktor erej´eig).
18.5
642 1200
683
948
18.0
995 17.5
1000 827
915
Y [mm]
17.0
674
16.5
800 591
721
600
1062 16.0 796
976 15.5
400 513
15.0
593
1023 7.5
8.0
200 8.5
9.0
9.5
10.0
X [mm]
102. a´bra. Er˝os´ıt´es t´erk´ep a TGEM-en, a 101. ´abr´aval azonos intervallumon. A lyukakban tal´alhat´o sz´amok a lyuker˝os´ıt´est mutatj´ak adc egysz´egekben. 148
A m´er´esi m´odszernek k¨osz¨onhet˝oen, hogy egyedi fotoelektronokat detekt´alunk, sz´etv´alaszthat´o a fotonhozam ´es az er˝os´ıt´es. Minden egyes m´er´esi ponthoz meghat´aroztam az ottani er˝os´ıt´est (l´asd (??) egyenletek), ennek vizu´alis t´erk´epe l´athat´o a 102. ´abr´an. Kiv´al´oan l´athat´o, hogy az er˝os´ıt´es az egy lyukhoz tartoz´o, hatsz¨og alak´ u k¨ornyezetben k¨ozel konstans. Teh´at az elektron a konverzi´os helyt˝ol (illetve ez´altal a lyukba val´o bel´ep´esi pontt´ol) f¨ uggetlen¨ ul egy adott lukban ´ azonos. Igy term´eszetes m´odon defini´alhat´ov´a v´alik a lyuker˝os´ıt´es, melyet a 102. ´abr´an a lyukakba ´ırt sz´amokkal t¨ untettem fel (egy ADC-vel korrel´al´o tetsz˝oleges sk´al´an). A lyuker˝os´ıt´es jelent˝osen k¨ ul¨onb¨ozik (ak´ar kettes faktorig) az egyes lyukakn´al, ´es nem mutat nagyl´ept´ek˝ u lassan v´altoz´o strukt´ ur´at. A lyuker˝os´ıt´esekben l´ev˝o ´ori´asi fluktu´aci´ok oka val´osz´ın˝ u a gy´art´asban, illetve a gy´art´astechnol´ogi´aban keresend˝o. Az u ¨ vegsz´alas epoxi alap´ u TGEM konstrukci´oj´an´al a f´ ur´as az egyik legk´enyesebb l´ep´es. A lyukak hordoz´o anyagon bel¨ uli elhelyezked´ese v´eletlenszer˝ u, s val´osz´ın˝ u a lyuk fal´an´al l´ev˝o kil´og´o u ¨ vegsz´alak, illetve u ¨ vegsz´als˝ ur˝ us´eg v´altoztatta permittivit´as er˝osen befoly´asolhatja a lyukban kialakul´o t´erer˝oss´eget [?].
149
13.6.
Fesz¨ ults´ egparam´ eterek hat´ asa
Az el˝oz˝o fejezetben bemutatott strukt´ ura term´eszetesen f¨ ugg az alkalmazott fesz¨ ults´eg illeve t´er´ert´ekekt˝ol, valamint a haszn´alt t¨olt˝og´azt´ol. A detekt´al´ashoz sz¨ uks´eges teljes er˝os´ıt´es a TGEM ´es a sz´alak effekt´ıv er˝os´ıt´es´enek szorzata, melyet a haszn´alt eletronika jelent˝osen behat´arol. Mivel az ´altalunk vizsg´alt mint´azat els˝osorban a TGEM k¨or¨ ul kialakul´o t´ert˝ol f¨ ugg, ´ıgy a TGEM er˝os´ıt´es´enek v´altoztat´as´aval egy¨ utt a sz´alak er˝os´ıt´es´et is v´altoztatni kellett. K´et k¨ ul¨onb¨oz˝o TGEM-er˝os´ıt´es est´en kialakul´o fotonhozam- ´es er˝os´ıt´es t´erk´epet mutat a 103. ´abra, a k´et esetben a teljes effekt´ıv er˝os´ıt´es k¨ozel azonos volt. A fotont´erk´epen j´ol l´atszik, hogy a leop´ardszer˝ u strukt´ ura megmaradt, s a lyukakhoz tartoz´o hozamok ar´anya is hibahat´aron bel¨ ul egyezik; ´es az egyedi lyukakhoz tartoz´o ter¨ uletr˝ol begy˝ ujt¨ott fotonjeleken m´ert er˝os´ıt´es is v´altozatlanul konstansnak mondhat´o. Gyakorlati alkalmaz´asokhoz (l´asd pl.: 12. fejezet) igen fontos megjegyezn¨ unk, hogy a teljes fotonhozam az er˝os´ıt´es n¨ovel´es´enek hat´as´ara nem n˝ott jelent˝osen (≈ + 5 − 10%). Azonban vegy¨ uk ´eszre, hogy a lyukak er˝os´ıt´es´enek fejl˝od´ese elt´er˝o. A 103. ´abr´an a bal oldali k¨oz´eps˝o lyuknak a t¨obbihez m´ert er˝os´ıt´ese ezt j´ol demonstr´alja. Ebb˝ol arra k¨ovetkeztethet¨ unk, hogy a lyukaknak nem csup´an saj´at begy˝ ujt´esi ter¨ ulete ´es egyedi er˝os´ıt´ese van, de az er˝os´ıt´es fesz¨ ults´egf¨ ugg´ese is elt´er˝o lehet a k¨ ul¨onb¨oz˝o lyukakn´al. Ez val´osz´ın˝ us´ıthet˝oen a lyuker˝os´ıt´esek fluktu´aci´oj´an´al megjel¨olt (13.5. fejezet) forr´asokra vezethet˝o vissza. 465
448 389
360
394
392 362
455
453
458 332
316
103. ´abra. Fotonhozam- ´es er˝os´ıt´es t´erk´ep k¨ ul¨onb¨oz˝o TGEM er˝os´ıt´esek eset´en, bal oldalon GT GEM ≈ 6, jobb oldalon GT GEM ≈ 35. Mint a 12.4. fejezetben is bemutattam, a TCPD kamra egyik jelent˝os el˝onye a klasszikus soksz´alas megold´assal szemben, hogy az a´thalad´o t¨olt¨ott 150
r´eszecske jele er˝osen elnyomhat´o. Az eddigi eredm´enyek mind az ehhez alkalmazand´o kis ford´ıtott kat´odt´er alkalmaz´as´aval, mint alap´ertelmezett be´all´ıt´assal, lettek m´erve. Azonban tudjuk, hogy az alkalmazott kat´odt´er er˝os befoly´assal van a TGEM fels˝o fel¨ ulet´en kialakul´o elektromos t´erre, s ´ıgy a fotonkivon´asra valamint az er˝os´ıt˝o lyukig val´o eljut´as´anak val´osz´ın˝ us´eg´ere (mint a 12.4. fejezetben is mutattam). Kor´abban is l´athattuk (101. ´abra ´es 13.5. fejezet), hogy a szimmetriapontokb´ol a ki¨ ut¨ott elektron szimmetriaokokb´ol nem tud eljutni a lyukakhoz. Er˝os ford´ıtott kat´odt´er eset´en azt v´arjuk, hogy a szimmetriapontok k¨or¨ uli ineffekt´ıv fel¨ ulet megn¨ovekszik, ugyanis t¨obb er˝ovonal megy a kat´odra a TGEM lyukjai helyett. Valamint er˝os norm´al kat´odt´er eset´en ugyanezen szimmetriapontok k¨or¨ ul a t´erer˝ovonalak a ki¨ ut¨ott elektronokat visszatasz´ıtj´ak a fel¨ uletbe, melyeket ´ıgy nem tudunk detekt´alni. Az optimumot (fotonkihozatal szempontj´ab´ol) a k´et extr´emum k¨oz¨ott kell tal´aljuk, s integr´alis m´ersekb˝ol (12.4. fejezet) ezt meg is tal´alhatjuk a k¨ozel z´erus t´er eset´en. A jelens´eg m´elyebb meg´ert´es´ehez, az ineffekt´ıv ter¨ uletek cs¨okkent´es´ehez, valamint a szimul´aci´os programok finomhangol´as´ahoz azonban j´o lenne pontosabban ismerni a fenti effektus mikroszk´opikus realiz´al´od´as´at.
+670 V/cm
+130 V/cm
0 V/cm
-130 V/cm
-670 V/cm
104. ´abra. Fotonhozam t´erk´ep k¨ ul¨onb¨oz˝o kat´odterek alakalmaz´asa eset´en. A sz´ınsk´ala azonos mind az o¨t ´abra eset´en. A teljes hozam v´altoz´as´an t´ ul megfigyelhet˝o a kat´odt´er szimmetriapontokre ´es -vonalakra gyakorolt hat´asa.
151
Prec´ızi´os p´aszt´az´assal megvizsg´altuk a leop´ard strukt´ ura alakul´as´at k¨ ul¨onb¨oz˝o kat´odterek eset´en. Norm´al ´es ford´ıott illetve gyenge ´es er˝os, valamint z´erus terek eset´en r¨ogz´ıtett fotont´erk´epet mutat a 104. a´bra. Az a´br´an s´arga vonallal megjel¨olt szakaszon, k´et lyuk k¨oz¨ott, nagyobb statisztik´aval ´es t¨obbf´ele kat´odbe´all´ıt´assal is v´egeztem m´er´eseket, ezeket a 105. ´abra mutatja. +670 V/cm
+130 V/cm
0 V/cm
-130 V/cm
-670 V/cm
-1300 V/cm
Fotoelektron hozam
+1300 V/cm
0.6
0.4
X [mm]
0.2
0.6
0.4
X [mm]
0.2
0.6
0.4
X [mm]
0.2
0.6
0.4
X [mm]
0.2
0.6
0.4
X [mm]
0.2
0.6
0.4
0.2
0.6
0.4
0.2
X [mm]
X [mm]
105. ´abra. Norm´alt fotonhozam a 104.´abr´an megjel¨olt k´et lyuk k¨oz¨otti szakaszon k¨ ul¨ob¨oz˝o kat´odterek eset´en. A fenti (104. ´es 105.) ´abr´akon kiv´al´oan megfigyelhetj¨ uk a TGEM feletti t´er hat´as´at a fotoeffekt´ıv r´etegb˝ol kil´ep˝o elektronok begy˝ ujt´es´ere. L´athatjuk, a kor´abbi m´er´esekkel ¨osszhangban, z´erus t´er eset´en lesz maxim´alis a fotonsz´am. A na´ıv elgondol´asoknak megfelel˝oen az er˝osebb ford´ıtott terek eset´en a szimmetria pontok k¨or¨ uli ineffekt´ıv t´er megn˝o; s˝ot, a szimmetriavonalak is egyre er˝os¨odnek. Mintha nagy t´er eset´en kv´azi csak a lyuk perem´er˝ol tudn´ank begy˝ ujteni az elektronokat. Er˝os norm´al t´er eset´en a strukt´ ura kiss´e ´atalakul, nem csak a szimmetriapontokban, hanem a lyuk k¨or¨ uli ter¨ uleteken is cs¨okken a hozam. Ut´obbinak lehets´eges magyar´azata, hogy a nagy t´er miatt a TGEM saj´at er˝ovonalai a lyuk sz´el´ere szorulnak, ahol az egyetlen elektron k¨onnyen a falnak u ¨ tk¨ozve elveszhet sz´amunkra.
152
13.7.
Kitekint´ es
A prec´ızi´os p´aszt´az´as egy kiv´al´oan m˝ uk¨od˝o u ´ j m´odszer, mellyel az ezid´aig csak sz´amolt ´es szimul´alt effektusokat mikroszk´opius szinten is tudjuk vizsg´alni. Mind a fotondetekt´al´as fejleszt´es´en´el, mind gy´art´astechnol´ogi´aban jelent˝os el˝orel´ep´est jelenthet a j¨ov˝oben. Mivel a m´er´esekhez rengeteg pontban kell t¨obbezer esem´enyt r¨ogz´ıteni, ´ıgy a nagyobb fel¨ ulet˝ u, jobb statisztik´aj´ u illetve t¨obbf´ele konfigur´aci´ot vizsg´al´o m´er´esek igen lass´ uak. Jelenleg a REGARD csoport az RD51 Kollabor´aci´o t´amogat´as´aval egy extra gyors ´es megb´ızhat´o m´er˝orendszeren dolgozik. A jelenlegi ADC-s fejleszt´esekkel a 10kHz-es sebess´eget m´ar siker¨ ult demonstr´alni, az adatkommunik´aci´os r´esz friss´ıt´es´evel ezen m´eg jelent˝osen tervez¨ unk fejleszteni. A Leopard project seg´ıts´eg´evel a fotonhozam optimaliz´al´as u ´ j m´odszer´et nyitottuk meg, s jelenleg a k¨ ul¨onb¨oz˝o lyukkonfigur´aci´oval rendelkez˝o TGEM-ek relat´ıv vizsg´alat´at v´egezz¨ uk. A soksz´alas kamr´akat m´ar j´ol kezel˝o szimul´aci´os k¨ornyezetek (pl.: GARFIELD++) mikrosztrukt´ ur´as detektorokon val´o alkalmaz´asa jelenleg is akt´ıvan vizsg´alt ter¨ ulet. A speci´alis strukt´ ur´ak, anyagok ´es terek kezel´es´ehez a szoftvercsomagokat friss´ıteni, fejleszteni ´es m´er´esekkel valid´alni kell. A prec´ızi´os p´aszt´az´as egy u ´ j, az eddigiekn´el l´enyegesen r´eszletesebb inform´aci´ocsal´addal tudja seg´ıteni ezt a munk´at. A Leopard projektnek az RD51-en be¨ ul az´ota tagja lett az INFN Trieste ´es INFN Bari csoport, akikkel egy¨ uttdolgozva alak´ıjuk majd ki a Leopard rendszer standardiz´alt form´ait, s dolgzunk k¨oz¨osen a szerte´agaz´o ´erdekes m´er´eseken ´es a szimul´aci´ok finom´ıt´as´an. A VHMPID Kollabor´aci´on t´ ul, a trieszti csoporton kereszt¨ ul a COMPASS k´ıs´erlet is ´erdekl˝od´es´et fejezte ki a projekt s eredm´enyei ir´ant.
153
14.
¨ Osszegz´ es
A r´eszecskefizikai kutat´asok sarkalatos pontja az er˝os sz´ınes k¨olcs¨onhat´as m´elyebb megismer´ese. A norm´al k¨oz¨ ulm´enyek k¨oz¨ott hadoronokba z´ar´odott kvarkok ´es gluonok alkotta u ´ j f´azis, a kvark-gluon plazma k´ıs´erletileg el˝o´all´ıthat´o f¨oldi laborat´oriumokban is. A neh´ezionok u ¨ tk¨oztet´es´evel el˝o´all´o forr´o plazma azonban igen r¨ovid id˝o alatt kit´agul ´es leh˝ ul, melynek k¨ovetkezt´eben az elemi r´eszecsk´ek u ´ jra hadronokba rendez˝odnek; ez´ert a QGP tulajdons´agihoz csakis ezen v´eg´allapotok prec´ız m´er´es´evel ´es ´ertelm´ez´es´evel tudunk k¨ozlebb jutni. Doktori munk´am r´eszek´ent a kvark-gluon plazma hadronizic´oj´aval foglalkozva a koaleszcencia modellek csal´adj´at eg´esz´ıtettem ki. Az u ´j rezonancia kolaleszcencia modell a kor´abbi hasonl´o modellekkel szemben k´epes a hadronrezonanci´ak teljes spektrum´at kezelni, m´ıg megtartja a koaleszcencia modellcsal´ad el˝onyeit, mint p´eld´aul a kvarksz´am sk´al´az´as. A modell ´altal´anos kivitelez´es´enek k¨osz¨onhet˝oen a barionikus illetve b´ajos ´es charmonia ´allapotok is anal´og m´odon ´ertelmezhet˝oek benne. Az alapvet˝oen rezonanci´ak sz´amar´any´at le´ır´o modell tartalmazza a prehadronok lok´alis impulzuseloszl´as´at, mely a r´eszecskespektrum alapj´aul szolg´alhat a k´od tov´abbi fejlesz´esei sor´an. A modellt ´es eredm´enyeiment konferenci´akon ´es neves lapokban k¨oz¨oltem ([94], [95], [96], [97],[98]). Az Nagy Hadron¨ utk¨oztet˝o neh´ezionfizik´ara specializ´al´odott detektora, az ALICE kiv´al´o r´eszecskeazonos´ıt´assal rendelkezik a kis ´es k¨ozepes impulzustartom´anyban. Azonban a koaleszceni´aval keletkez˝o hadronok jelent˝os´ege a m´ers´ekelten nagy ´es nagy impulzustartom´any jelenik meg, illetve a nagy t¨omeg˝ u rezonanci´ak rekonstrukci´oj´ahoz a m´eg magasabb impulzustartom´anyokat is azonis´ıtottan kell ismern¨ unk. A VHMPID+HPTD detektoregy¨ uttes az ALICE u ´ j detektorai lesznek, melyek a nagy impulzus´ u r´eszecsk´ek egydi azonos´ıt´as´aval u ´ j lehet˝os´eget nyitnak a a plazm´ab´ol kil´ep˝o jetek, korrel´aci´ok valamint a r´eszecske ´es rezonancia produkci´os mechanizmusok vizsg´alat´aban. A VHMPID Kollabor´aci´o tagjak´ent akt´ıvan r´eszt vettem a tervezett detektor nyal´abtesztjeiben, s a m´er´esek anal´ızis´evel seg´ıtettem a detektor megismer´es´et, s fejleszt´es´et. Az eredm´enyeket a kollabor´aci´os megbesz´el´eseken t´ ul t¨obb konferenci´an (a kollabor´aci´o nev´eben) el˝o is adhattam ([102], [?]). Doktori munk´am jelent˝os r´esze a HPTD detektorhoz kapcsol´odik, mely a VHMPID l´etfonotss´ag´ u trigger ´es nyomk¨ovet˝o r´esze, s teljesen magyar fejleszt´es˝ u; az Alice-Budapest ´es a g´azt¨olt´es˝ u detektorok K-F-´evel foglalkoz´o REGARD csoport dolgozik rajta. Feladatom volt k¨ ul¨onb¨oz˝o
154
detektortechnol´ogi´ak ¨osszehatonl´ıt´asa, valamint a tesztkamr´ak HPTD-szint˝ u haszn´alhat´os´ag´anak vizsg´alata. ´ ıtett¨ Ep´ unk ´es tesztelt¨ unk modern mikrostrukt´ ur´as vastag GEM alap´ u kamr´akat. Megmutattam, hogy sok szempontb´ol kiv´al´oak, ´am szikr´az´asi ´es gy´art´astechnol´ogiai probl´em´ak miatt nem ide´alis jel¨oltetek az ALICE k¨ornyezetbe. Az eredm´enyket lok´alis ´es nemzetk¨ozi kollabor´aci´os megbesz´el´eseken, konferenci´an ´es kiadv´any´aban mutattam be ([104], [105]). Az k¨ozeli kat´odos kamr´ak speci´alisan a HPTD c´eljaira kifejlesztett aszimmetrikus soksz´alas kamr´ak. A meg´ep´ıtett prtotot´ıpusok labor, kozmikus ´es nyalb´atesztjeinek anal´ızis´evel megmutattam, hogy kiv´al´o hat´asfokuk, hely ´es sz¨ogfelbont´asuk valamint kis klaszterm´eret¨ uk miatt megfelelnek a HPTD elv´ar´asainak. Valamint a nagy m´eret˝ u kamr´ak meg´ep´ıt´es´evel ´es tesztjeivel demonstr´aluk a CCC kamr´ak mechanikai toleranci´aj´at ´es id˝oz´ıt´es´enek ALICE kompatibilit´as´at. Az eredm´enyeket a kollabor´aci´os megbesz´el´eseken t´ ul konferenci´akon ´es cikkekben k¨oz¨olt¨ uk ([106], [107]).
K¨ osz¨ onetnyilv´ an´ıt´ as
155
Hivatkoz´ asok [1] S.T.Butler, C.A.Pearson Deuterons form high-energy proton bombardment of matter Phys.Rev.Let. 7 (1961) 69 [2] P.Seyboth Recent results from nucleus-nucleus collisions at the CERN SPS J.Phys. G 35 (2008) 104008 [3] T.S.B´ır´o, P.L´evai, J.Zim´anyi ALCOR : a dynamic model for hadronization KFKI report (1994) 19 A Phys.Lett. B 347 (1995) 6 [4] T.S.B´ır´o, P.L´evai, J.Zim´anyi Stange hadrons from the ALCOR rehadronization model [5] J. Zim´anyi, P. L´evai Quark coalescence into opposite parity baryon states Acta Phys.Hung. A 27 (2006) 469 [6] J.Zim´anyi, T.S.B´ır´o, T.Cs¨org˝o, P.L´evai Particle Spectra from the ALCOR Model Heavy Ion Phys. 4 (1996) 15 [7] P.L´evai, T.S.B´ır´o, T.Cs¨org˝o, J.Zim´anyi Simple predictions from ALCORc for rehadronization of charmed quark matter New J.Phys. 2 (2000) 32 [8] P.L´evai, T.S.B´ır´o, T.Cs¨org˝o, J.Zim´anyi Quark liberation and coalescence at CERN SPS Phys.Lett. B 472 (2000) 243 [9] A.Bialas Quark model and strange baryon production in heavy ion collisions Phys.Lett. B 442 (1998) 449 [10] P.Csizmadia, P.L´evai The MICOR hadronization model with final state interactions J.Phys. G 28 (2002) 1997
156
[11] P.Csizmadia Nagy energias˝ ur˝ us´eg˝ u ´allapotok kialakul´as´anak elm´eleti vizsg´alata neh´ezion-¨ utk¨oz´esekben ELTE (2002) Doktori disszert´aci´o [12] V.Greco, C.M.Ko, P.L´evai Parton coalescence at RHIC Phys.Rev. C 68 (2003) 034904 [13] D.Moln´ar Parton coalescence and spacetime Acta Phys.Hung. A 22 (2005) 271 [14] L.I.Schiff Quantum Mechanics, Chapter 34 Tosho Printing Co.Ltd., Tokyo [15] A.Bulte Operation of Cerenkov Detectors at the PS East Hall CERN PS EA (1998) http://sba.web.cern.ch/sba/Documentations/Eastdocs/docs/Cerenkov.pdf [16] A.Braem et al. Results from the ageing studies of large CsI photocathodes exposed to ionizing radiation in a gaseous RICH detector Nucl.Instrum.Meth. A 553 (2005) 187 [17] http://home.web.cern.ch/about http://public.web.cern.ch/public/ [18] LHC :: Kell ilyen? [19] ALICE Collaboration The ALICE experiment at the CERN LHC Journal of Instrumentation 3 (2008) S0802 [20] ALICE Collaboration (K.Aamodt et al.) Charged-particle multiplicity density at mid-rapidity in central Pb–Pb √ collisions at sN N = 2.76 TeV Phys.Rev.Lett 105 (2010) 252301 [21] ALICE Collaboration (K.Aamodt et al.) First proton–proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector: measurement of the charged-particle pseudorapidity density 157
√ at s = 900 GeV Eur.Phys.J. C 65 (2010) 111 [22] J.D.Jackson Classical Electrodynamics John Wiley & Sons Ltd. 1962 [23] ALICE Technical Design Report of the Transition Radiation Detector CERN / LHCC 2001 (2001) 021 [24] ALICE Technical Design Report of the Trigger, Data Aquisition, High-level Trigger, and Control System CERN / LHCC 2003 (2003) 062 [25] F.Sauli Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers CERN 77 (1977) 09 [26] G.A.Erskine Electrostatic problems in multiwire proportional chambers Nucl.Instrum.Meth. 105 (1972) 565 ˘ [27] G.Charpak, R.Bouclier, T.Bressani, J.Favier, C.Zupan˘ ci˘c The mse of multiwire proportional counters to select and localize charged particles Nucl.Instrum.Meth. 62 (1968) 262 [28] W.W.M.Allison, J.H.Cobb Relativistic charged particle identification by energy loss Ann.Rev.Nulc.Part.Sci. 30 (1980) 25398 [29] ALICE TPC Tech.Des.Rep. CERN LHCC 2000 (2000) 001 [30] G.Charpak, G.Fischer, A.Minten, L.Naumann, F.Sauli, G.Fl¨ ugge, Ch.Gottfried, R.Tirler Some Features of Large Muntiwire Proportional Chambers Nucl.Instrum.Meth. 97 (1971) 377 [31] http://www.nobelprize.org/nobel prizes/physics/laureates/1992/ [32] W.Blum, R.Rolandi, W.Riegler Particle Detection with Drift Chambers Spinger-Verlag, Berlin, 2008 158
[33] M. Gazdzicki for the NA61 Collaboration Ion Program of Na61/Shine at the CERN SPS J.Phys.G 36 (2009) 064039 [34] G.Kiss Soksz´alas proporcion´alis kamr´ak detektorokhoz OTDK / R´eszecskefizika (2011)
fejleszt´ese
r´eszecskefizikai
[35] L.Ol´ah F¨oldalatti u ¨ regek vizsg´alata kozmikus r´eszecsk´ek seg´ıts´eg´evel OTDK / R´eszecskefizika (2011) [36] http://rd51-public.web.cern.ch/rd51-public/ [37] S.D.Pinto for the RD51 Collaboration Micropattern gas detector technologies and applications the work of the RD51 collaboration IEEE NSS Conf.Rec. (2010) 802 [38] F.Sauli GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors Nucl.Instrum.Meth. A 386 (1997) 531 [39] A.Sharma 3D simulation of charge transfer in a GEM and comparison to experiment Nucl.Instrum.Meth. A 454 (2000) 267 [40] D. Abbaneo et al. An overview of the design, construction and performance of large area triple-GEM prototypes for future upgrades of the CMS forward muon system J.Instr. 7 (2012) C05008 [41] C.B¨ uttner et al. Progress with the gas electron multiplier Nucl.Instrum.Meth. A 409 (1998) 79 [42] V.Peskov, R.Oliveira, F.Pietropaolo, P.Picchi First Tests of Thick GEMs with Electrodes Made of a Resistive Kapton Nucl.Instrum.Meth. A 576 (2007) 362
159
[43] R.Chechik, A.Breskin, C.Shalem, D.M¨ormann Thick GEM-like hole multipliers : properties and possible applications Nucl.Instrum.Meth. A 535 (2004) 303 [44] A.Breskin et al. A concise review on THGEM detectors Nucl.Instrum.Meth. A 598 (2004) 107 [45] I.Giomataris, P.Rebourgard, J.P.Robert, G.Charpak MICROMEGAS: a high-granularity position-sensitive detector for high particle-flux environments Nucl.Instrum.Meth. A 376 (1996) 29 [46] I.Giomataris, R.de Oliveira, et al. Micromegas in a bulk Nucl.Instrum.Meth. A 560 (2006) 405 [47] F.J.Iguaz et al. New developments in Micromegas Microbulk detectors arXiv:1110.2641 [48] F.Sauli Gas Electron Multiplier (GEM) detectors: principles of operation and applications RD51 Note (2012) 2012-007 [49] A.Breskin et al. Field dependent photoelectron extraction from CsI in different gases Nucl.Instrum.Meth. A 367 (1995) 342 [50] A. Kozlov et al. Development of a triple GEM UV photon detector operated in pure CF(4) for the PHENIX experiment Nucl.Instrum.Meth. A 523 (2004) 345 [51] W.Anderson et al. Design, Construction, Operation and Performance of a Hadron Blind Detector for the PHENIX Experiment Nucl.Instrum.Meth. A 646 (2011) 35 [52] P. Abbon et al. (COMPASS) The COMPASS Experiment at CERN Nucl.Instrum.Meth. A 577 (2007) 455 160
[53] M.Alexeev et al. Detection of single photons with ThickGEM-based counters Journal of Instrumentation 7 (2012) C02014 [54] RD26 Collaboration (J. Almeida et al.) Review of the development of cesium iodide photocathodes for application to large RICH detectors Nucl.Instrum.Met. A 367 (1995) 332 [55] V.Peskov, M.Cortesi, R.Chechik, A.Breskin Further evaluation of a THGEM UV-photon detector for RICH – comparison with MWPC Journal of Instrumentation 5 (2010) P11004 [56] F.Piuz, J.Schukraft et al. ALICE Technical Design Report of the High Momentum Particle Identification Detector CERN / LHCC 98 (1998) 19 [57] J.C.Sanitard et al. GASPLEX a Low-noise AnalogSignal Processor for Readout of Gaseous Detectors CERN / ECP 94 (1994) 17 [58] J.C.Sanitard, K.Marent The GASSIPLEX0.7-2 Integrated Fron-end Analog Processor for the HMPID and the DIMUON Spectrometer of ALICE CERN / ECP 99 (1999) 9 ALICE-PUB (2001) 49 [59] Hoedlmoser et al. Photo-current scanner system for in situ quality assessment of large area CsI photocathodes Nucl.Instrum.Meth. A 566 (2006) 351 [60] G.G.Barnafdi, R.Bellwied, G.Bencze et al. Letter of Intent of a Very High Momentum Particle Identification Detector (VHMPID) for ALICE CERN ALICE (2013) 1 [61] V.Peskov et al. R&D results on a CsI-coated triple thick GEM-based photodetector Nucl.Instrum.Meth. A 639 (2011) 126
161
[62] S.Pochybova Progress on L0 trigger for VHMPID VHMPID Meeting, 2010.10.19. [63] http://www.uverapid.hu/?oldal=uverapid20 [64] L.Boldizs´ar for the VHMPID Collaboration HPTD: The High-pT Trigger Detector for ALICE VHMPID, feasibility and Monte Carlo simulations CERN Proc. 2012-001 Proc. 6th Int.Ws. High pT Phys. At LHC p144 [65] H.Melegh Front-end ´aramk¨or fejleszt´ese a HPTD detektorhoz - Diplomatervez´es 1 BME MSc Diplomaterv-1 (2012) [66] B.Monostori FPGA interf´esz fejleszt´ese HPTD detektorhoz BME BSc (2012) [67] http://root.cern.ch [68] http://aliweb.cern.ch/Offline/AliRoot/Manual.html [69] http://wwwinfo.cern.ch/asdoc/pdfdir/geant.pdf [70] http://geant4.web.cern.ch/geant4/ [71] CERN Summer Student Program https://ert.cern.ch/browse www/wd portal.show page?p web site id=1&p text id=12 [72] CERN Development of Electronic Modules http://ts-dep-dem.web.cern.ch/ts-dep-dem/ [73] NIM LeCroy 465 Coincidence Unit http://www-esd.fnal.gov/esd/catalog/main/lcrynim/465-spec.htm [74] NIM LeCroy 612A Amplifier Unit http://www.fnal.gov/projects/ckm/jlab/612a-spec.htm [75] NIM LeCroy 222 Dual Gate Generator http://www.fnal.gov/projects/ckm/jlab/222-spec.htm [76] NIM LeCroy 428F FIFO http://www-esd.fnal.gov/esd/catalog/main/lcrynim/428f-spec.htm
162
[77] CAMAC - A modular instrumentation system for data handling Joint Nucl.Res.Centre, Ispra Est.It. (1972) [78] CAMAC LeCroy 2249A ADC http://www.fnal.gov/projects/ckm/jlab/2249a-spec.htm [79] CAMAC Caen C1205 QDC http://www.caen.it/jsp/Template2/CaenProd.jsp?parent=9&idmod=409 [80] CAMAC Caen C111C Ethernet Camac Controller http://www.caen.it/jsp/Template2/CaenProd.jsp?parent=9&idmod=461 [81] CAMAC LeCroy 2551 Scaler http://www.fnal.gov/projects/ckm/jlab/2551-spec.htm [82] ON Semiconductor MC14001B http://doc.chipfind.ru/pdf/onsemi/mc14001.pdf [83] ON Semiconductor 4069UB http://doc.chipfind.ru/pdf/onsemi/4069ub.pdf [84] NXP 74HCT165 PISO Shift Register http://www.nxp.com/documents/data sheet/74HC HCT165.pdf [85] CadSoft’s Eagle PCB Desingn Software http://www.cadsoftusa.com/eagle-pcb-design-software/
[86] BME ETT NyHL http://www.ett.bme.hu/lablist.php?listgroup=1079566059986.3 9a721b0833605b2d618509e8 [87] CMS Collaboration Alignment of the CMS Muon System with Cosmic-Ray and Beam-Halo Muons J.Instr. 5 (2010) T03020 [88] http://www.wxwidgets.org/ [89] A.Sharma, F.Sauli A measurement of the first Townsend coefficient in argon based mixtures at high fields Nucl.Instrum.Meth. A 323 (1992) 280 [90] S.Bachmann et al. Discharge studies and prevention in the gas electron multiplier (GEM) Nucl.Instrum.Meth. A 479 (2002) 294 163
[91] L.W.Alvarez et al. Search for hiddern chambers in the pyradims Science NS 167 3919 (1970) 832 [92] N.Lesparre, D.Gibert et al. Geophysical muon imaging: feasibility and limits Geophys.J.Int. 183 (2010) 1348 [93] H.Tanaka, K.Nagamine et al. Development of a two-fold segmented detection system for near horizontally cosmic-ray muons to probe the internal structure of a volcano Nucl.Insrt.Meth. A 507 (2003) 657 [94] G.Hamar, L.L.Zhu, P.Csizmadia, P.L´evai Strange hadron yields and ratios in heavy ion collisions at RHIC energy J.Phys.G G35 (2008) 044067 [95] G.Hamar, L.L.Zhu, P.Csizmadia, P.L´evai The robustness of quasiparticle coalescence in quark matter Eur.Phys.J.ST 155 (2008) 67 [96] G.Hamar, P.L´evai Resonance production in a quark coalescence framework J.Phys.G G35 (2008) 104075 [97] G.Hamar, P.L´evai Charmonium resonance production from quark coalescence PoS EPS-HEP2009 (2009) 033 [98] J.Cleymans, G.Hamar, P.L´evai, S.Wheaton Near-thermal equilibrium with Tsallis distributions in heavy ion collisions J.Phys.G G36 (2009) 064018 [99] G.Hamar, P.L´evai Strange and nonstrange hadron resonance production by quark coalescence investigating quark number scaling Acta Phys. Pol. B Supp. 5. (2012) 451 [100] A.Di Mauro et al. (VHMPID) The VHMPID RICH upgrade project for ALICE at LHC Nucl.Instrum.Meth. A639 (2011) 274 164
[101] A.Agocs et al. (VHMPID) Very high momentum particle identification in ALICE at the LHC Nucl.Instrum.Meth. A617 (2010) 424-429 [102] G.Hamar for the VHMPID Collaboration VHMPID : ALICE detector upgrade proposal in the high-pT region CERN Proc. 2012-001 Proc. 6th Int.Ws. High pT Phys. At LHC p140 [103] L.Boldizs´ar et al. (VHMPID) High-p(T) trigger detector development for the ALICE experiment at CERN Nucl.Phys.Proc.Suppl. 197 (2009) 296-301 [104] G.Hamar, D.Varga Vastag-GEM trigger az ALICE k´ıs´erlethez MNT Nukleon 2.47 (2009) [105] G.Hamar, D.Varga Thick-GEM Based Trigger Detector development IEEE NSS Conf.Rec. (2008) 955 [106] D.Varga, G.Hamar, G.Kiss Asymmetric multi-wire proportional chamber requirements to mechanical precision Nucl.Instrum.Meth. A 648 (2011) 163-167
with
reduced
[107] D.Varga, G.Hamar, G.Benc´edi, G.Kiss Close Cathode Chamber: Low material budget MWPC Nucl.Instrum.Meth. A 698 (2013) 11 [108] G.G.Barnaf¨oldi, D.Varga, L.Ol´ah, G.Hamar, H.G.Melegh, G.Sur´anyi Kincskeres´es kozmikus m¨ uonokkal Fizikai Szemle 61.12 (2012) p401 [109] G.G.Barnaf¨oldi, D.Varga, L.Ol´ah, G.Hamar, H.G.Melegh, G.Sur´anyi Portable Cosmic Muon Telescope for Environmental Applications Nucl.Instrum.Meth. A 689 (2012) 60 [110] D.K´alm´an et al. Kozmikus m¨ uonok elnyel˝od´ese vas ´es ´olom abszorbensben Nukleon 5 (2013) 122 [111] L.Ol´ah, G.G.Barnaf¨oldi, G.Hamar, H.G.Melegh, G.Sur´anyi, D.Varga CCC-based Muon Telescope for Examination of Natural Caves Geosci. Instrum. Method. Data Syst. 1 (2012) 229 165
[112] G.Hamar, D.Varga High Resolution Surface Scanning of Photo-Electron Detection Nucl.Instrum.Meth. A (2012) [submitted]
166
Thick-GEM
for
Single
A.
R¨ ovid´ıt´ esek
ALICE - A Large Ion Collider Experiment - Egy nagy ion u ¨ tk¨oztet˝o k´ıs´erlet Az LHC neh´ezion¨ utk¨oz´esekre specializ´al´odott k´ıs´erlete. F˝o c´elja a kvark-gluon plazma (QGP) vizsg´alata. R´eszletesen a 5.2. fejezetben ´ırok r´ola. ALCOR - ALgebraic COalescence Rehadronization model - Algebrai koaleszcenci´as u ´ jrahadroniz´aci´o modell A kvark-gluon plazma hadroniz´aci´oj´at az effekt´ıv konstituens kvarkok koaleszcenci´aj´aval le´ır´o modell. ATLAS - A Toroidal Lhc ApparatuS - Egy toroid szerkezet˝ u LHC appar´atus Az LHC egyik nagy k´ıs´erlete, f˝o c´eljai a Higgs megtal´al´asa ´es u ´ j fizika keres´ese. CAMAC - Computer Automated Measurement And Control Sz´am´ıt´og´eppel automatiz´alt m´er˝o ´es vez´erl˝o rendszer K´ıs´erleti r´eszecske- ´es magfizik´aban elterjedt m´er˝orendszer.
-
CERN - European Organization for Nuclear Research - Eur´opai Nukle´aris Kutat´asi Szervezet A r´eszecske ´es magfizikai kutat´asok eur´opai k¨ozpontja, a 20 tag´allamon t´ ul m´as orsz´agok kutat´oi is dolgoznak itt. 1954-es alap´ıt´asa ´ota a szaktr¨ ulet egyik meghat´aroz´o l´etes´ıtm´enye. 1992-t˝ol Magyarorsz´ag is tagja. CMS - Compact Muon Solenoid - Kompakt m¨ uon szolenoid Az LHC egyik nagy k´ıs´erlete, f˝o c´eljai a Higgs megtal´al´asa ´es u ´ j fizika keres´ese. EA - East Area - Keleti ter¨ ulet A CERN PS gyors´ıt´oj´anak nyugati k´ıs´erleti ter¨ ulete, itt tal´alhat´oak a T7-T11 z´on´ak (a T8-asban a DIRAC k´ıs´erlet). FW - Field Wire - T´erform´al´o sz´al G´azt¨olt´es˝ u soksz´alas kamr´akban a jobb t´erkonfigur´aci´o el´er´es´ehez gyakran extra sz´alakat, sz´als´ıkokat helyeznek el. FWHM - Full Width Half Maximum - Maximum fel´en´el vett teljes sz´eless´eg Eloszl´as sz´eless´eg´enek jellemz´es´ere haszn´alt mennyis´eg, az eloszl´as
167
maximum´anak fel´en´el vett ´ert´ekek k¨ ul¨onbs´ege: |f −1 (max(f (x))/2)1 − f −1 (max(f (x))/2)2 |
G - Gain - Er˝os´ıt´es G´azt¨olt´es˝ u kamr´akban az egy elekton keltette lavina a´tlagos m´erete. GARFIELD G´azt¨olt´es˝ u kamr´ak r´eszletes szimul´aci´os programja. Az elektrom´agneses t´er, az elektr´od´ak ´es a g´azban lezajl´o folyamatok Monte Carlo jelleg˝ u szimul´aci´oja az egyedi t¨olt´eshordoz´ok ´es a keletkez˝o jelek vizsg´alat´ahoz. GARFIELD++ A GARFIELD program C++ alap´ uu ´ j v´altozata. GEM - Gas Electron Multiplier - G´az elektron sokszoroz´o Lyukakkal s˝ ur˝ un telet˝ uzdelt mindk´etoldalon r´ezbor´ıt´as´ u kaptonf´olia. Fabio Sauli nev´ehez f˝ uf˝odik, a mikrostrukt´ ur´as g´azt¨olt´es˝ u detektorcsal´ad egyik legkor´abbi ´es az´ota is kedvelt tagja. HBD - Hadron Blind Detector - Hadronokra vak detektor A PHENIX k´ıs´erlet GEM alap´ u Cserenkov detektora. HPTD - High PT Trigger Detector - Nagy transzverz impulzus´ u trigger detektor A tervezett VHMPID aldetektora, eredeti feladata nagy impulzus´ u L1 trigger szolg´altat´asa ´olom u ¨ tk¨oz´esekben. Az´ota kieg´esz¨ ult proton u ¨ tk¨oz´esekben v´art k¨ozepes impulzusv´ag´as´ u L0 triggerrel, valamint a MIP ´erz´ekel´essel. IBF - Ion backflow - Ion vissza´araml´as G´azt¨olt´es˝ u detektorokban keletkez˝o lavin´aban megjelen˝o ionoknak a k¨ ul¨onb¨oz˝o elektr´od´akhoz sodr´ad´asi ar´anya a teljes ionmennyis´eghez k´epest. LED - Light Emitting Diode - F´eny kibocs´at´o di´oda Elektronik´aban haszn´alt f´elvezet˝o egys´eg, fesz¨ ults´eg hat´as´ara f´enyt bocs´at ki.
168
LHC - Large Hadron Collider - Nagy hadron u ¨ tk¨oztet˝o A CERN, s a vil´ag jelenleg l´etez˝o legnagyobb energi´as gyors´ıt´ogy˝ ur˝ uje. Proton ´es ´olomionok gyors´ıt´as´ara ´es u ¨ tk¨oztet´es´et v´egzi. N´egy nagyobb ´es h´arom kisebb k´ıs´erlet foglal helyet rajta: ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, Modeal, Totem, LHCf. LHCb - LHC Beauty - B´ajos LHC Az LHC egyik nagy k´ıs´erlete, c´elja a standard modell param´etereinek prec´ızi´os m´er´ese, s u ´ j fizika lehet˝os´eg´enek felt´ar´asa. Kiv´al´oan vizsg´alja a k¨ ul¨on¨os (c) ´es b´ajos (b) kvarkokat tartalmaz´o hadronok boml´asait. MICOR - MIcroscopis COalescence Rehadronisation - Mikroszk´opikus koaleszcenci´as rehadroniz´aci´o A kvark gluon plazma hadroniz´aci´oj´at klasszikus kvantummechanikai ´es statisztikai alapon le´ır´o koaleszcencia modell. MIP - Minimum Ionizing Particle - Minim´alisan ioniz´al´o r´eszecske A k¨ozegen ´athalad´o t¨olt¨ott r´eszecske ioniz´aci´oval val´o energialead´as´at a Bethe-Block g¨orbe ´ırja le. Ennek minimum´at nevezik MIP-nek, mely a minim´alis ioniz´aci´ot jelenti. A detektorfizik´aban ´altal´aban ehhez a MIP-hez, mint legrosszabb esethez, viszony´ıtj´ak a mennyis´egeket (pl hat´asfok). MM - Micromegash Mikrostrukt´ ur´as g´azt¨olt´es˝ u detektor, a parkettas´ık felett kifesz´ıtett f´emh´al´on nagyfesz¨ ults´eget alkalmazva az alatta megjelen˝o t´erer˝oss´eg el´egs´eges elektronlavin´ak kialak´ıt´as´ahoz. MWPC - MultiWire Proportional Chamber - Szok´alas proporcion´alis kamra G´azt¨olt´es˝ u, k´etdimenzi´oban ´erz´ekeny detektor ioniz´al´ u sug´arz´asra. Georges Charpak Nobel d´ıjas tal´alm´anya. MPGD - MicroPattern Gaseous Detector - mikrostrukt´ ur´as g´azdetektor Modern g´azt¨olt´es˝ u detektorcsal´ad, ahol a soksz´alas kamr´akkal szemben a modern techol´ogia ny´ ujtotta millim´etern´el finomabb strukt´ ur´ak adj´ak a g´azer˝os´ıt´es magj´at. PS - Proton Syncrotron - Proton szinkrotron A CERN egyik gyors´ıt´ogy˝ ur˝ uje, az SPS el˝ogyors´ıt´oja, illetve k¨ ul¨onb¨oz˝o tesztnyal´abokat kiszolg´al´o rendszer. Ide tartozik az Keleti 169
M´er˝oter¨ ulet (EA), ahol az ALICE tesztm´er´esekenek helyet ad´o T10-es z´ona is tartozik. RD51 - Research and Development 51 - 51-es sz´am´ u kutat´as-fejleszt´es A mikrostrukt´ ur´as g´azt¨olt´es˝ u detektorokok kutat´as´ara ´es fejleszt´es´ere alakult CERN k¨ozpont´ u nemzetk¨ozi kollabor´aci´o [?]. Jelenleg k¨ozel 30 orsz´ag, t¨obb, mint 70 kutat´oint´ezete ´es egyeteme tagja m´ar, a WIGNER FK ´es a ELTE a REGARD csoport r´ev´en az alap´ıt´otagok k¨oz´e tartozik. Az egy¨ uttm˝ uk¨od´es f˝o c´elja a mikrostrukt´ ur´as detektorokkal foglalkoz´o kutat´ocsoportok k¨oz¨os infrastrukt´ ura (tesztnyal´abok, szimul´aci´os programok, gy´art´as) ´es inform´aci´ocsere t´amogat´asa. RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider - Relativisztikus neh´ezion u ¨ tk¨oztet˝o A Brookhaven National Laboratory ter¨ ulet´en m˝ uk¨od˝o hadron gyors´ıt´o ´es u ¨ tk¨oztet˝o. Cs´ ucsenergi´aja 200 AGeV aranymagokra. SPS - Super Proton Syncrotron - Szuper proton szinkrotron A CERN egyik gyors´ıt´ogy˝ ur˝ uje, az LHC el˝ogyors´ıt´oja, illetve k¨ ul¨onb¨oz˝o fixc´elt´argyas k´ıs´erleteket kiszolg´al´o rendszer. Els˝o, m´asodlaog ´es harmadlagos nyal´abot is tud adni, nagy intenzit´as´ u, j´ol f´okusz´alhat´o tesztz´on´ai vannak. Itt foglal helyet p´eld´aul az NA61/SHINE k´ıs´erlet is. ´ ekeny sz´al SW - Sense Wire - Erz´ G´azt¨olt´es˝ u soksz´alas kamr´akban a v´ekony an´odsz´alakat ´erz´ekeny sz´alaknak nevezik, a keletkez˝o elektronlavina ezen sz´alakon v´egz˝odik. T10 A CERN PS gyors´ıt´oj´anak keleti k´ıs´erleti ter¨ ulet´en (EA) tal´alhat´o egyik m´er˝ohely, mely jelenleg ALICE tesztz´onak´ent u ¨ zemel. TCPD - ThickGEM and CCC Photon Detector - TGEM + CCC foton detektor Soksz´alas ´es mikrostrukt´ ur´as technol´ogi´at egyar´ant haszn´al´o g´azt¨olt´es˝ u detektor, speci´alisan kialak´ıtva fotonok detekt´al´as´ara. A vastag-GEM seg´ıts´eg´evel a klasszikus MWPC-s fotondetektorok alapprobl´em´ai kik¨ usz¨ob¨olhet˝oek, ´am kisebb effekt´ıv fel¨ ulettel rendelhezik a mikrostrukt´ ura miatt. A REGARD csoport nev´ehez f˝ uz˝odik (s a dolgozatban egy eg´esz fejezetet szenteltem neki).
170
UV - Ultra Violet - Iboly´an t´ uli Kis hull´amhossz´ u f´eny. VHMPID - Very High Momentum Particle Identification Detector - Nagyon nagy impulzus´ u r´eszecske azonos´ıt´o detektor Az ALICE k´ıs´etlet egy tervezett g´azt¨olt´es˝ u Cserenkov detektora, mely az 5-25 Gev/c tartom´anyban v´egezne r´eszecskeazonos´ıt´ast.
171
