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

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

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

- GEM szimulációk

Lucsányi Dávid, 2013.11.18.

2

LHC TOTEM


3

LHC TOTEM TOTal cross section, Elastic scattering and diffraction dissociation Measurement Roman Pot

T2 telescope T1 telescope


4

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

- GEM szimulációk


5

TOTEM mérések és eredmények Pszeudo-rapiditás: 𝜂 = − 𝑙𝑛 𝑡𝑎𝑛 𝜃 2 θ: 𝑝 és nyaláb által bezárt szög Teleszkópok: 3,1 ≤ |η| ≤ 6,5 Tracking, impulzusmérés


TOTEM+CMS: Legnagyobb akceptanciájú detektorrendszer, ami hadronütk.-nél épült! Ideális rugalmas és rugalmatlan, azon belül is diffraktív p-p szórások vizsgálatára!

6

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


7

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


8

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


9

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

- GEM szimulációk


10

T2 teleszkóp Pozíció: IP5-től ±13,56 méterre Rapiditástart.: 5,3 ≤ |η| ≤ 6,5 Feladata: Ninel mérése

2∙2∙5 db GEM detektor alkotja


11

T2 teleszkóp


12

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

- GEM szimulációk


13

GEM (Gas Electron Multiplier) detektorok Micropattern Gaseous Detector (MPGD)

Fabio Sauli 1996 Erősítés: 10-100x RD51 Collaboration


14

GEM detektorok Gyártástechnológiák, típusok 1. CERN-ben kifejlesztett, eredeti GEM fólia • wet etching (kémiai marás) • ~50 μm vastag kapton • ~50-100 μm átmérőjű lyukak • egymástól ~100-200 μm távolságra 2. Vastag GEM (THGEM) • fúrás • ~400 μm vastag nyák lemez • ~400 μm átmérőjű lyukak • egymástól ~800 μm távolságra • Karima (rim) 3. Többrétegű GEM • többfokozatú erősítés (8000x) • kisebb valószínűség kisülésre • 2D readout board • TOTEM T2 GEM 4. Egyéb Lucsányi Dávid, 2013.11.18.

15

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


16

GEM detektorok Bethe-Bloch formula 𝑑𝐸 4𝜋𝑁𝑒 4 2 2𝑚𝑐 2 𝛽 2 𝛾 2 2 = 𝑍 ln − 𝛽 𝑑𝑥 𝑚𝑐 2 𝛽 2 𝐼

Energiaveszteség egységnyi úthosszon

m – elektron nyugalmi tömege Z – detektálandó részecske töltése N – gáz elektronsűrűsége I – átlagos gerjesztési energia ≈ 𝑍 ∗ 10 𝑒𝑉 𝑣 𝛽= 𝑐 1 2 𝛾 = 1 − 𝛽2 Univerzális: azonos töltés esetén minden részecskénél csak 𝛽 értékétől függ. Minimum Ionizing Particle: minimális energiaveszteséget szenvedő részecskék, 𝑀𝐼𝑃 ehhez kell, hogy 𝐸𝑘𝑖𝑛 > 2𝐸0𝑀𝐼𝑃 teljesüljön a részecskére MIP Argonban: 100 e/cm 𝑑𝐸 𝑊 𝑁𝐼𝑜𝑛 = 𝐿 𝑑𝑥 Lucsányi Dávid, 2013.11.18.

17

GEM detektorok Ionizáció - Elsődleges ionizáció: detektálni kívánt részecske (p) okozza - Másodlagos ionizáció: elsődleges ionizációból származó részecske (e) okozza Az ütközés nem csak ionizációt, hanem gerjesztést is okoz. Argon esetében: Eion = 15,76 eV

Townsend-lavina Első közelítésben exponenciálisan nő az elektronok száma a két elektróda között a nagy térerősség hatására


18

GEM detektorok Gázkeverék A gerjesztett Ar UV fotonokat bocsát ki fotoeffektus elkerülésére, ez lehet pl. CO2

kioltó (quenching) gáz, a

Ar/CO2 (70:30) gázkeverék A gázkeverék típusától és arányától erősen függ a gáz erősítése Penning-effektus: (plusz járulék az erősítésben, ezért nem használhatók a townsend együtthatók) 𝐶𝑂 𝐴𝑟 𝐸𝑔𝑒𝑟𝑗 > 𝐸𝑖𝑜𝑛2 𝑟𝑝 - Penning átadási hatásfok


19

GEM detektorok Elektromos tér


20

GEM detektorok Elektromos tér


21

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


22

GEM detektorok

Előnyök • Robosztus • Jó térbeli felbontóképesség és mintázat felismerés • Sok részecske egyidejű detektálhatósága • Méret és geometria független • Olcsóbb, mint a Si detektor • Jó öregedési tulajdonságok


Hátrányok • Nagyfeszültség okozta átütések, kisülések THGEM • Ion backflow THGEM • Gyártásból adódó felülethibák • Dinamikusan változó, instabil erősítés a feltöltődés miatt • Kevésbé sugárzásálló, mint a Si detektor

23

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

- GEM szimulációk


24

Új, szilíciumalapú GEM Helsinki Institute of Physics - Detector Development THGEM szilíciumból: 350-400 μm vastag, 300 mm átmérőjű Si szeletek Fizikai gőzfázisú rétegleválasztással 1 μm vastag Al fémezés Mély reaktív ionmarással bármekkora, tökéletes henger alakú lyukak Sugárzástűrő képesség növelése

Már Fabio Sauli is megemlítette 1996-os cikkében a feltöltődés jelenségét, mint problémát, és két megoldási módot is közölt: • Lyukak 1014 – 1016 Ω/□ -es réteggel történő bevonása • Dielektrikum 1010 – 1013 Ω∙cm ellenállású rétegből DE, az intrinsic Si fajlagos ellenállása 300 K-en max. 3∙ 105 Ω∙cm! ÖTLET: Nagy ellenállású, sugárzástűrő Si ((very) high resistivity, radiation hard Si) Lucsányi Dávid, 2013.11.18.

25

Új, szilíciumalapú GEM Nagy ellenállású, sugárzástűrő Si A szennyezők csökkentésével egyre nagyobb tisztaságú és ellenállású szilíciumot kapunk. Nagyenergiás ionizáló sugárzás Frenkel-hibákat okoz egymástól izolált helyeken vagy kaszkádosan (cluster hiba) csökken az ellenállás, nő a szivárgási áram, a zaj, a kiürített réteghez szükséges feszültség, a kisülés valószínűsége

Si gyártás: - Diffused Oxygen Float Zone (DOFZ) technológia - High Temperature, Long-time (HTLT) oxidáció Ezzel már nagy oxigéntartalmának köszönhetően sokkal sugárzásállóbb, nagy ellenállású szilíciumot sikerült előállítani - Egykristálynövesztés mágneses Czochralski módszerrel Ezzel elvileg hamarosan elérhető lesz MΩ∙cm-es ellenállású Si szeletek gyártása VÁRHATÓ EREDMÉNY: Sokkal sugárzásállóbb GEM, feltöltődés nélkül Nehézségek, optimalizáció Lucsányi Dávid, 2013.11.18.

26

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

> GEM szimulációk


27

GEM szimulációk • • • • •

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

Geometriai modell


28

GEM szimulációk Végeselem szimuláció

Előkészítés: • Geometria • Anyagi paraméterek • Kezdeti- és peremfeltételek • Hálógenerálás Megoldás (iteratívan, numerikus módszerrel): • Háló minden pontjában az ismeretlen változók meghatározása • Hibabecslés és konvergencia ellenőrzés Konvergens? Nem: hálófinomítás Igen: kilépés az iterációból Feldolgozás: • Field Map Ha a detektorban az elektromos teret • Grafikonok akarjuk megkapni, akkor a programmal • Trajektóriák… a Poisson egyenletet kell megoldatni: −𝛁 ∙ 𝜀0 𝜀𝑟 𝛁𝜙 = 𝜌


29

GEM szimulációk Végeselem szimuláció eredménye: Field map


30

GEM szimulációk Monte Carlo (MC) szimuláció Az egyes részecskék (jelen esetben e--ok és ionok) pályája és ütközési folyamatai követhetők, amiből a részecskesokaságra jellemző adatokat kaphatunk az egyes részecskék adatainak átlagolásával. A MC szimuláció a Boltzmann-egyenlet megoldásával közelítőleg ekvivalens eredményt ad: 𝑚 𝒓 𝑡 = 𝑞 𝑬 𝒓, 𝑡 + 𝒓 𝑡 × 𝑩 𝒓, 𝑡 𝑠1

𝑁𝜎(𝜀(𝑠))𝑑𝑠 = −𝑙𝑛(1 − 𝑅) 𝑠0

Alkalmazás elektronok nemegyensúlyi transzportjára (itt Townsend-lavina): Az e--ok és ionok 𝒓(𝑡) trajektóriáit keressük, 𝑩 𝒓, 𝑡 = 0 és 𝑬 𝒓, 𝑡 = 𝑬 𝒓


31

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


32

Eredmények Szimuláció sorszáma:

1

2

3

4

5

300

300

400

400

300

1

100

100

1

1

UGEM (V):

1000

1100

1100

1000

1100

Összes elektron eseményenként:

27,7

2,8

1,3

12,1

93,9

Lavina kialakulásának aránya (%):

71,09

62,00

53,70

85,10

72,26

41,96

58,41

57,07

47,30

39,61

16,38

2,59

1,43

6,75

51,48

GEM lyuk átmérő (µm): Karimaszélesség (µm):

Detektálás hatásfoka lavina esetén (%):

Effektív erősítés:

Változtatott paraméterek: lyukátmérő, karimaszélesség, UGEM Detektálás hatásfoka: a lavina létrejötte után az anód síkig eljutott elektronok és az összes, lavinában keletkező szekunder elektron számának hányadosa Effektív erősítés: az összes anódig eljutó szekunder elektron és azon primer elektronok számának hányadosa, amelyek létrehoztak lavinát


33

Eredmények

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


34

Eredmények A szekunder elektronok keltési pontjai a lyukakban (bal oldal) és az anódon becsapódó elektronok térbeli eloszlása (jobb oldal)

Nyaláb fókuszáltság kissé változik, de ez a felbontóképességet nem befolyásolja (csak a kiolvasó szálak és lyukak távolsága) az átmérő növelhető!


35

Eredmények Nagyobb térerősség és kisebb karimaszélesség esetén (optimális)

Optimális eloszlás, de túl nagy amplitúdó

Az elektronok és ionok GEM rétegen belüli végpontjainak z tengely menti eloszlása: minél kintebbre esnek a csúcsok, annál kedvezőbb az eloszlás


36

Eredmények 1 μm |E|

100 μm

Szekunder elektronok keletkezési pontjainak eloszlása a z tengely mentén: egyértelműen látszódik a különbség a 1 és 100 μm-es karima esetén, a keskenyebb karima nagyobb x és y irányú komponenst eredményezett a térerősségben Lucsányi Dávid, 2013.11.18.

37

Összefoglalás A Si alapú GEM erősítését és hatásfokát a lyuk átmérője, a karima szélessége és a feszültség egyaránt jelentősen befolyásolja, egymástól nem függetlenül. - Si alkalmazása sugárzásállóbbá teszi a detektort - Ez várhatóan megszünteti majd a feltöltődés problémáját is - És az átütés kockázata is csökkenhet - Karimaszélesség optimalizálása (1 és 100 μm között) - A GEM feszültség növelhető az erősítés jelentősen növekedni fog - A hatásfok a lyukak átmérőjével nem jelentősen, de növelhető a felbontás romlása nélkül További feladatok (időfüggő szimulációk, prototípus, validálás, Garf++) A ROOT, Garfield++ és végeselem szimuláció nagyon hasznos és hatékony eszközök a részecskefizikai detektorok fejlesztéséhez A GEM detektorok mára nélkülözhetetlenné váltak a részecskefizikai alapkutatásban, és a Si alapú GEM ígéretes alternatíva, ami 2018-ban akár le is válthatja a jelenleg használt detektorokat. Lucsányi Dávid, 2013.11.18.

38

Köszönöm a figyelmet!

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

Recommend Documents