of 28/28
Univerzitet u Novom Sadu Prirodno-matematicki fakultet Odsek za fiziku DETEKTORI ELEMENTARNIH CESTICA TTABTMT" Diplomski rad Mentor Prof.dr Miroslav Veskovic Student Mileva Atanaskovic Novi Sad,avgust 2007.

Diplomski rad - df.uns.ac.rsd... · Gasni mikrostrip detektori 3.2 Cvrsti detektori tragova 3.3 Cvrsti mikrostrip detektori 3.4 Piksel detektori 3.5 Odredjivanje naelektrisanja impulsa

  • View
    231

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Diplomski rad - df.uns.ac.rsd... · Gasni mikrostrip detektori 3.2 Cvrsti detektori tragova 3.3...

Univerzitet u Novom SaduPrirodno-matematicki fakultet

Odsek za fiziku

DETEKTORI ELEMENTARNIH CESTICA

TTABTMT"

Diplomski rad

MentorProf.dr Miroslav Veskovic

StudentMileva Atanaskovic

Novi Sad,avgust 2007.

SadrzajUvod u detekciju cestica 1

Generalne osobine detektora 2

Detektori tragova 3

Gasni detektori tragova - Drift komore 3.1

Gasni mikrostrip detektori 3.2

Cvrsti detektori tragova 3.3

Cvrsti mikrostrip detektori 3.4

Piksel detektori 3.5

Odredjivanje naelektrisanja impulsa 3.6

Koriscenje novih komora 3.7

Kalorimetri 4

Merenje energije cestica EM kalorimetrom 4.1

Unutrasnja elektromagnetna rezolucija 4.2

Rezolucija sampling EM kalorimetra 4.3

Hadronski kalorimetri - Hadronska kaskada 4.4

Scintilacioni brojaci 5

Poluprovodnicki brojaci 6

Cerenkovljevi brojaci 7

Zakljucak 8

Biografija 9

Literatura 10

- 2 -

Uvod u detekciiu cestica

Metode detekcije u nuklearnoj fizici veoma su se brzo razvile zahvaljujucipoznavanju interakcije zracenja i materije.

Razvoj i napredak fizike cestica je uslovljen razvojem detektora i slozenihdetektorskih sistema.

Cestice su se detektovale pomocu nuklearnih emulzija mehurastih komora, varnicnihkomora..

Bez sumnje prvi i najstariji detektor je fotografska emulzija,a zatim slede elektroskopi spintariskop cije se funkcionisanje zasniva na svetlucanju nekih materijala poddejstvom nuklearnog zracenja.

Uporedo sa razvitkom nuklearne fizike razvijeni su i nuklearni detektori koji se poprincipu rada ne razlikuju od najstarijih i prema dinamickom shvatanju, zastarelihdetektora.

Korisceni su magnetni spektrometri.primarne komore.vremensko projekcionekomore.Cernekovljevi brojaci.

Generalno najvecu primenu su imali i jos uvek imaju gasni jonizacioni.scintilacioni ipoluprovodnicki detektori.

Pri detekciji se koristi fenomen jonizacije i ekscitacije atoma medijuma kroz kojinuklearno zracenje prolazi.

Idealni detektor bi trebalo da pronadje sve produkte interakcije i da izmeri njihovekvadrivektore energije - impulsa i tako odredi identitet te cestice.

U opstem slucaju ovo se postize delimicno iz sledecih razloga.- Geometrijska prihvatljivost je manje od cetiri pi (zbog gubitka u vakumskimcevima.kao i na elementima strukture).- Efikasnost detekcije je manja od 100%(zbog odbeglih neutrona.koji imaju vrlo maliefikasni presek ili zbog gubitaka nastalih usled preklopljenih tragova).- Ne postoji detektor koji moze da meri sve parametre podjednako dobro.Zbog toga seupotrebljavaju kompleksni sistemi razlicitih detektora i cesto su potrebni neki zaprepoznavanje tragova a drugi za merenje vremena ili energije.

Vecina elektronskih detektora proizvodi analogne signale(odnosno signalepromenjljive amplitude i oblika) koji sadrze informaciju o vremenu.Ovi signal! se morajupojacati, uobliciti, razdvojiti od suma kombinovati i digitalizovati - sve to je zadatak brzeelektronike.Pojacala i uredjaji za uoblicavanje impulsa daju signale koji su pogodni zadalju obradu.Diskriminatori prihvataju analogne signale i daju standardne logickeimpulse,ukoliko bilo koji signal prelazi odredjeni prag.

Ovi logicki impulsi se propustaju kroz AND i OR kola koja definisu uslove odinteresa.

- 3 -

Generalne osobine detektora

Da bi se pribavile zeljene informacije o osobinama cestica i karakteristike njihovihinterakcija.detektori moraju biti osposobljeni za izvrsavanje raznih zadataka- odredjivanje trajektorija naelektrisanih cestica- merenje njihovog naelektrisanja i impulsa iz zakrivljenosti putanje u magnetnom polju- odredjivanje masa cestica simultanim merenjem impulsa P i energije E ili brzine v:

mm = - -

c c

Tipican detektorski sistem postavljen oko mesta interakcije izgleda slicno ovomeprikazanom na sledecoj slici.Slika prikazuje detekciju raznih cestica(gledate duznailazeceg snopa i duzjakog magnetnog polja)

signal duJUg noo l .eBiic

bez i lsnaian c u t r a l n a ectlc

- 4 -

Svi detektori koriste interakcije cestica sa detektorskim medijumom za dobijanjesignala.

Medjutim.postoji velika razlika u nacinu detekcije naelektrisanih i neutralnih cestica.Naelektrisane cestice se detektuju po svojoj elektromagnetnoj interakciji ali tako da

trpe samo minimalan gubitak energije i minornu promenu pravca kretanja.Svoj prolazak cestice mogu signalizirati na sledece nacine:

- jonizacijom gasova ili tecnosti:spark,proporcionalne,drift i strimer komore kalorimetri satecnim argonom- ekscitacijom (scintilacijama) u gasovima.tecnostima i cvrstim telima: scintilacioni brojaci- direktnom emisijom zracenja:cestice koje se krecu kroz medijum brze od brzinesvetlosti za tu sredinu emituju Cerenkovljevo zracenje.dok cestice koje prelaze iz jednogu drugi dielektrik emituju tranzicionu radijaciju.- lokalnim zagrevanjem tecnosti putem ekscitacije i jonizacije mehuraste komore.

Neutralne cestice,sa druge strane.mogu se detektovati tek kada izgube svojidentitet.to jest kada se pretvore u naelektrisane cestice, Y kvanti treba da se pretvore u

parove e*e~ elektromagnetnom interakcijom sa materijom.neutrini se mogu detektovatipo svojoj slaboj interakciji, a neutralni hadroni se moraju raspasti ili interagovatijako.elektromagnetski ili slabo.

Klasifikacija detektora

Detektori tragova - mere impuls i polozajDetektori enerqiie - mere energiju

Detektori tragova- gasni detektori tragova- gasni mikrostrip detektori- cvrsti detektori tragova- cvrsti mikrostrip detektori- piksel detektori

Detektori energije- kalorimetri

- EM kalorimetri- Hadronski kalorimetri

Ostale tehmke

- scintilacioni brojaci- poluprovodnicki brojaci- Cerenkovljevi brojaci

- 5 -

Detektori traqova

Savremeni detektor tragova osim impulsa cestice sluze i za merenje parametarasudara i polozaja verteksa.Do 1960god. kao detektori tragova koriscene su uglavnom mehuraste komore.Strimerne komore su koriscene 70-tih godina i predstavljene su elektronski analogon

mehurastih komora.Varnicne komore su intezivno koriscene u periodu 1960-1975.Kasnije su prakticno u

potpunosti zamenjene drift komorama.Drugi primer su gasni mikrostrip detektori koji su idejno bazirani na relativno starim

visezicanim proporcionalnim gasnim detektorima.Poslednje navedeni detektori susacinjeni od niza zica koje se nalaze u gasu izmedju dve ploce (katode).Svaka anoda ima ulogu samostalnog proporcionalnog detektora. Prolazak cestice

"okida "vise anoda pa se tako moze rekonstruisati njena trajektorija. Time se znatnopopravlja rezolucija merenje traga.El.signal! sa anoda su relativno mali. Svaka od njih se zasebno pojacava odakle je

jasno da je izrada ovakvih detektora poprilicno tehnicki zahtevna.Savremeniji detektoricestice kao sto su tzv.Vremensko-Projekcione komore su zbog visoke granuliranosti bileu mogucnosti da daju trodimenzionalnu informaciju(dve prostorne kordinate i vreme) opolozaju naelektrisanih cestica.Kod svih ovih detektorskih tehnika podrazumeva seprecizno poznavanje mape magnetnog polja unutar detektora tragova.

MWPC i DC koje su uvedene u rad tek 1968.godine su dozivele dramatican razvoj uprotekle dekade.Ovo je bilo moguce prvenstveno usled ogromnog napretka u proizvodnjijeftine ali vrlo osetljive i brze tranzistorske elektronike.Oba tipa detektora mere jonizacijugasa nastalu prolaskom naelektrisanih cestica.Multi-zicane proporcionalne komore suobicno napravljene od ravni anodnih zica koje se nalaze u sendvicu izmedju dve katodneravni.

scintillator

anode

low field region high field region*- drift * gas amplification

Raspodela ekvipotencijalnih linija kod tipicne strukture.pokazuje da postoje tri posebnaregiona u elektricnom polju:u vecem delu zapremine A.daleko od anodnih zica.polje je

-6 -

homogeno;tacno izmedju zica postoji mali region B slabog polja a u regionu C blizu zicaekvi potencijalne linije koncetricne oko zice kao u obicnom proporcionalnom brojacu.Postose lavine razvijaju samo unutar radijalnog rastojanja koje je reda velicine precnikazice.ocekujemo da svaka zica ima pojacavacke osobine kao pojedinacni proporcionalnibrojac.Ako jonizaciona cestica oslobodi elektrone u gasnoj smesi ti elektroni ce migrirati uskoro homogenom polju i proizvesce lavinu tek kad dopru do najblize zice.lznenadjujuceje na prvi pogled.da kada se dogodi lavina na anodnoj zici indukujuci negativan impuls nanjoj ne primecuje se negativan impuls na susednim zicama.Naprotiv.primecuje sepozitivan signal sto olaksava lokalizaciju zice koja prikuplja lavinu.Posledica je da su sveanodne zice nezavisni detektori bez obzira na njihovo medjusobno rastojanje koje mozebiti tako malo kao 0,5mm mada je 2mm najparakticnije minimalno rastojanje za velikedetektore(ponekad 5m*5m) koji se upotrebljavaju u fizici visokih energija.Opremanjesvake zice komplikovanim elektricnim kolom je danas lako pa su danas u funkciji detektori

sa priblizno !(/ zica.Faktor koji je obezbedio uspeh ovakve strukture je taj sto jevremenska rezolucija ovih brojaca veoma dobra.Katode kod multizicane komore su obicnouniforno provodne ploce.a jedino se anodne zice koriste za informaciji o poziciji trajektorijecestica.Barem jedna katodna ravan je napravljena od traka ili zica ortoganalnih na anodnezice.

, - - 0 . 5

a)

Ako je druga katodna ravan sastavljena od traka,postavljena tako da su trake paralelnesa zicom, centroidi indukovanih impulsa takodje daju lokalizaciju lavine.Ocitavanjeindukovanih impulsa,brzo i jeftino-sto je omoguceno razvojem elektronike-dopustilo jeupotrebu ovih komora i u fizici cestica.Dobijene su tacnosti od 50//m duz zice i vremenskerezolucije od SOns.Moguca je interpolacija tragova izmedju zica.Razlikovanje "strane" sakoje lezi putanja cestice samo po sebi povecava tacnost za faktor 2 u odnosu naocitavanje aktivne zice.Medjutim.glavni konkurent MWPC u oblasti velikih detektora je idalje drift komora,ciji je razvoj doveo do konstrukcije najeftivnijih preciznih eektronicnihdetektora koji se sad koriste u fizici cestica.

DRIFT KOMORE

Drift komora je detektor tragova kod koga se vreme drifta elektrona(kreiranihprelaskom cestice) u gasu koristi za odredjivanje pozicije (trajektorije) upadne cestice.

- 7 -

Izmedju katode i anodne zice postoji elektricno polje (si.5) pa kreirani elektroni driftujuka anodi.Brzi scintilacioni detektor u koincidenciji sluzi za definisanje referentnog vremena.U

savremenim akceleratorskim eksperimentima za definisanje ovog vremena koristipodatak o vremenu ukrstanja tzv. banceva inicijalnih cestica.Poznavanjem vremenadrifta elektrona u radnom gasu i merenjem vremena izmedju signala sa scintilatora ikomore moguce je odrediti poziciju prolaska naelektrisanih cestica.

scintillator - "V^ DEL AY

v=

drift

low field region drift

high field region gas amplification

Gas u drift komori treba da bude velikog stepena cistoce jer elektroni mogu bitizahvaceni na necistocama(sto je duze vreme drifta gas mora biti cistiji),a brzina drifta ne

sme da zavisi od varijacija radnog napona.Pri brzinama drifta od nekoliko i priJUS

tacnosti merenje vremena.reda ns, tacnost merenja pozicije pomocu drift komore je okoIQOfm.

Pojava kojoj smo 1968.godine posvetili najvecu paznju bila je ta je kasnjenje izmedjuprolaska naelektrisane cestice kroz komoru i detekcije impulsa u korelaciji sarastojanjem izmedju putanje cestice i najblize elektrode.

Ovo kasnjenje je reda 20- - ,i odmah je predvidjeno da je.sa raspolozivom elektronikommm

i brzim scintilacionim brojacima koji registruju pocetno vreme prolaska cestice moguce jepostici tacnost merenja vremena reda jedne ns.odnosno prostornu tacnost od 50//w.U CERN-u smo poceli razvojni program detektora baziranih iskljucivo na merenju

vremena i nazvali ih "drift komorama".U svom osnovnom obliku jedna celija drift komore jeprostor sa umerenim elektricnim poljem u kom elektroni,oslobodjeni ugasu,migriraju(driftuju) ka zici proporcionalnog brojaca.U nasim pocetnim istrazivanjima1968.godine konstrukcija je bila slicna ovom osnovnom obliku.U vecem delu zapremineelkektricno polje je homogeno.Pronasli smo da je za duzinu migracije reda centrimetramoguce obezbediti tacnost od 100// a sa tri uzastopne komore moze se dobitivremenska tacnost od 5ns.U fizici visokih energija dva zahteva.ponekad kontradiktorna.doprinela su brzom razvoiu

drift komora:

- 8 -

-cestice vrlo visoke energije imaju vrlo mali ugao skretanja u magnetnom polju i sto jebolja prostorna tacnost bice bolje odredjen njihov impuls stoga su od velike koristi tacnostiod 100///W- cesto su potrebne velike povrsine.reda velicine stotine kvadratnih metara sa tacnoscu od1mm,pa cena MWPC sa razmakom izmedju zica od 2mm moze biti ogranicavajuci faktor.U CERN-u smo razvili drift komoru sa strukturom koja je jednostavno ponavljanje

osnovne celije i kod koje se razmak izmdju senzorskih moze po volji menjati u sirokomopsegu.

JV j \2Razmak detektorskih zica varira od 5cm-15cm kod vecine vrlo velikih detektora od kojih

neki dosezu i 6m.Zeljena tacnost retko je bolja od mm kod tih velikih detektora.

Gasni mikrostrip detektori

Gasni mikrostrip detektori su minijaturna verzija visezicanih proporcionalnih gasnihdetektora.Na staklenu podlogu.foto-litografskom tehnikom se nanose elektrode.Maledimenzije omogucavaju da se otklone dva glavna nedostatka visezicanihkomora.ogranicena prostorna rezolucija koja je uslovljena debljinom elektroda inemogucnost visoke brzine brojanja koja je uslovljena vremenom drifta jona.

Cvrsti detektori tragova

Prednost cvrstih detektora u odnosu na gasne lezi u cinjenici da naelektrisane cesticeu ovoj materijalnoj sredini kreira mnogo vise nosilaca naelektrisanja.

Primer za kreaciju jednog para elektron-supljina u Si je potrebna energija od 3,6 ev stoje za red velicina manje od energije potrebne za kreaciju jonskog para ugasu.Pokretljivost elektrona i supljina je mnogo veca tako da cak i pri radnim naponimaod *100F i e i supljina stizu do elektroda u proseku za 10ns.

- 9 -

Mali detektori a brz odgovor je njihova vazna karakteristikajose osobine ovakvihdetektora - mala zapremina i zavisnost rada od radijacionih ostecenja.

Cvrsti mikrostrip detektori

Silicijumski mikrostrip detektor je asimetricni p+n spoj

metalNsad stripsoxide

oftmic contact

Tipicne dimenzije 15cm*15cm*300//w.Zbog male debljine aktivnog sloja (300/wz)

odgovor detektora je veoma brz.reda velicine ns.Karakter p.p detektora zavisi i od elektronike koja se koristi za opipavanje signala pa je

osetljivost detektora osim ukupnim oslobodjenih naelektrisanja definisana ikapacitativnoscu sistema.

Piksel detektori

Piksel detektori su p.p detektori veoma slicni Si mikrostrip detektorima ali su mnogomanjih dimenzija.obicno nekoliko milimetara.Za osnovu imaju PP na koji se nanose malidvodimenzionalni detektorski elementi koji se nazivaju pikseli.Karakterise ih visokarezolucija merenja polozaja cestica u ravni u kojoj je detektor postavljen.

-10 -

Deo piksel detektora uvecan 620*

Tip detektora

MehurastakomoraStrimer komoraProporcionalnidetektorDrift komoraSilicijumski stripdetektorSilicijumski pikseldetektor

Rezolucijamerenja polozaja(rms)D 100 jum

300 jam

< 300 jam

50do300jum

D 10 m

2//w

Rezolucijamerenja vremena

\ms

2ns

50ns

2ns

*

*

Mrtvo vreme

50ms

\00ms

200ns

\00ns

*

*

Tabela.3:Osobine pojedinih detektora tragova

Odredjivanje naelektrisanja i impulsa

Tipicni magneti za detektore imaju solenoidaino, dipoino ili toreidalno polje jacinom5 = 0.5-1.57. Postoji opsta saglasnost da je za polja veca od Q.IT ekonomicnija verzijasa superprovodnicima. Za skretanje cestice jedinicnog naelektrisanja dobija se:

3

BR - radijus krivine

B - jacina homogenog poljaPL - impuls cestice normale

Ostale korisne relacije kojima se izracunavaju S[sagitta],mala skretanja 0,\a priodredjivanju impulsa PL,pri n merenja jednako rasporedjenih duz putanje duzine L(m) satacnoscu :

-11 -

rL LB =R

L=1m B=1T n=3 =

za P = 50

U vecini eksperimenata zahteva se sto manja greska pri odredjivanju impulsa.Medjutimcena cesto ogranicava velicinu L.tako da su od najvece vaznosti visoke vrednosti Bdobra prostorna rezolucija .

Merenie implusa cestica

Merenje implusa naelektrisanih cestica se bazira na cinjenici da se u magnetnompolju menja trajektorija naelektisanih cestica. Na slici su prikazane osnovne velicine kojekarakterisu ovu pojavu.U uniformnom magnetnom polju, radijus krivine r je opisan

. .. Ptrelacijom

0.35- gde je r izrazeno u m,a B je jacina magnetnog polja u T, a Pt je transverzalna

GeVkomponenta impulsa cestice izrazene u .Poznavanjem vrednosti B i merenjem

cvrednosti r moze se odrediti Pt odnosno p.Ocigledno je da greska merenja impulsa zavisiod greske merenja r.Za procenu greske prvo treba definisati ugao#

. 9 Ism = 2 2r

0Tada je mera zakrivljenosti 0 * - '

a iU slucaju rl vazi

J 2 2r

Pt

Opisana formulom

rtf Q3BL2: X

8

-12-

COIL

COIL

Na primer s* 3.75cm kada je Pt = = \T

Ako se S meri koriscenjem tacaka A,B i C

Sledi p,

vazno u medicinskoj dijagnostici.u hiljadama bolnica rutinski se koriste dvodimenzionalnescintilacione gama komore.Razvoj MWPC i DC dostigao je takav stepen u fizici visokih energija da one ucestvuju

gotovo u svim eksperimentima gde postoji potreba za odredjivanjem naelektrisanihcestica.tako da su varnicne komore postepeno izbacene iz upotrebe.Masovna upotreba ovih detektora takodje vodi ka mnogo boljem razumevanju osnovnihmehanizama njihovog funkcionisanja.Pomocu nekoliko metoda postignute su tacnostibolje od SOmikrometara pri lokalizaciji brzih cestica.Arsenal tehnologija koje su razvijene upravo pocinje da se koriste i u drugim podrucjima.

Kalorimetri

Kalorimetri se koriste da bi se odredila energija cestice (naelektrisane ili neutralne) uzpomoc totalne apsorbcije. Mere se razlicite velicine koje su proporcionalne apsorbovaneenergije.- scintilaciona svetlost- Cerenkovljeva svetlost- JonizacijaZa kalorimetar su najznacajniji parametri radiaciona duzina x0 i nuklearna apsorbcionaputanja A0. Radiociona duzina x0 je udaljenost na kojoj ce se visoko energetski A. kvant

dezintegrisati u elektron - pozitronski parsa verovatnocom - i na kojoj ce se energija E0

E \a visoke energije pasti, u srednjem na , EM = 0exp zakocnim zracenjem

e (XoJ

^-kvanata.~" _*

f r a g m e n t )

Nuklearna apsorbciona putanja \e srednje rastojanje izmedju neelasticnih sudara

hadrona (/?,,...) sajezgrom.Za priblizno totalno apsorbciju (95%pri WOGeV) potrebno je detektorska duzina LC 2\X0ako je u pitanju EM kalorometar i LD 6^ ako se radi o hadronskom kalorimetru. Kodhadronskih interakcija zancajn deo apsorbovane energije ostati nevidljiv: Fragmentacijajezgara podrazumeva gubitak energija veze i stvaranje teskih fragmenata kratkog

- 1 4 -

dometa;uzto mioni i neutrini mogu izleteti nedetektovani. Ovaj veliki deo nedetektovanegubitka energije koji veoma mnogo fluktuira od dogadjaja do dogadjaja prouzrikuje daljedegradacije energetske rezolucije hadronskih kalorimetara.

Merenje enerqije cestica EM kalorimetrom

Cestice koje prolaze kroz materijalnu sredinu deponuju svoju energiju interakcijom saprvenstvenom elektronima iz atomskog omotaca.Detektori koji se koriste za merenjeenergije cestica se nazivaju Kalorimetri.savremeni kalorimetri su obicno segmentisani pase pored deponovane energije moze odrediti i pozicija cestica koja je deponovalaenergiju.

XJpadiie ccsttcc Kalorimetar

linergija 1 poziciJH

Takodje kalorimetri se dele na homogene gde je ceo kalorimetar 'aktivan' pritransformisanju deponovane energije u elektricni signal i sampling kalorimetri kojiizgledaju kao 'sendvic' sacinjen od tzv.apsorbera i aktivnog dela .

Aktivni deo kalorimetra mogu biti scintilatori i gasni proporcionalni detektori dok sepasivni deo obicno izradjuje od metala velikog rednog broja npr.(Pb).Bitan zahtev je da

- 1 5 ->TV

*

>

rkalorimetri treba da obezbede proporcionalnost izmedju amplitude elektricnog signala ideponovane energije upadne cestice.

Enerqetska rezoluciia EM kalorimetara

Elektricni signal sa detektora je podlozan fluktuacijama koje su pre svega rezultatfluktuacija u broju kolektovanih elektrona.U opstem slucaju, energetska rezolucijakalorimetra se opisuje formulom:

= -c gdeoperacija ima sledeci smisao ab = Ja*+b2E rE e

Prvi clan sa koeficijentom a opisuje statisticke fluktuacije a drugi clan sakeoeficijentom b opisuje energetski ekvivalent elektronskog suma kao i fluktuacije uenergiji koju unose cestice neinteresantne za posmatrani dogadjaj a koje upadaju umernu oblast.Zadnji clan sa koeficijentom c je konstantni clan i odnosi se na:- nesavrsenosti kalorimetra- neuniformnost generacije ili kolekcije signala- medju-kalibracijske greske izmedju kalorimetarskih celija- doprinos fluktuacija EM komponente u hadronskoj kaskadi

Unutrasnia elektromagnetna rezoluciia

Akoje celokupna energija kaskade deponovana u homogenom kalorimetru tada jeunutrasnja energetska rezolucija odredjena fluktuacijama u broju n proizvedenih jonskih

parova. Ako je EJP srednja energija potrebna da se proizvede jonski par tada je =.E._

Realnija slika se dobijauvodjenjem tzv.fanofaktora(F)

Rezoluciia sampling EM kalorimetra

Ako se ne zahteva jako dobra energetska rezolucija a istovremeno postoji zelja zajeftinijim kalorimetrom moze se koristiti sampling kalorimetar. Osnovna ideja je da se slojneaktivnog materijala visokog atomskog broja iskoristi za "razvijanje" EM kaskade a da

-16-

se zatim u aktivnom sloju (npr.plasticni scintilator) detektuje jonizacija izazvana svimpredhodno kreirnim cesticama iz kaskade.

Dva moguca nacina sakupljanja signala sa sampling (scintilator metal)elektromagnetnih kalorimetara. Svetlosni signali sa aktivnih delova kalorimetra sesabiraju a totalna amplituda impulsa na izlazu iz foto multiplikatora je proporcionalnadeponovanoj energiji. Realno znaci da se samo deo energije kaskade deponuje uaktivnom sloju pa je i energetska rezolucija odredjena fluktuacijama u ovom sloju.Ako je energetski gubitak u aktivnom sloju mnogo manji nego u apsorberu (stoje

Eobicno tako) broj naelektrisanih cestica koje prolaze kroz aktivni sloj je n~ \-r

cps.

gde je AEa/K energija koju je izgubila jonizujuca cestica u

apsorberu.

Sekundarni kadroni nastavljaju put kroz materiju interagujuci sa jezgrima itako kreirajuhadronsku kaskadu(pljusak).Ovo ne vazi za sve sekundarne kadrone.^0 mezoni koji cinebitan deo hadronske kaskade(~30%) imaju izuzetno kratak srednji zivot i raspadaju se nadva fotona koji odmah indukuju elektromagnetnu kaskadu u materijalu.To znaci da svakahadronska kaskada uvek ima i svoj elektromagnetni deo.Zbog ovoga i same prirodevisecesticne produkcije u hadronskim sudarima razvoj i osobine hadronske kaskade seznatno razlikuju od EM pljuska. SL.STR.109

Efikasan presek za interakciju hadrona sa jezgrom se moze definisati kao cr=7Z*R gde

je R=\,25jmxA3 , odakle sledi da je efikasni presek proporcionalanTada se longitudinalni i transverzalni razvoj hadronske kaskade moze definisati preko

A -variable koja se zove interakciona duzina(Aint),a definisana je kao A* ~T; ~^

Hadronska kaskada se razvija sve dok energija hadrona ne padne ispod praga zaprodukciju piona.Prosecan broj produkovanih sekundarnih hadrona po interakciji upadnecestice energije E je n = ln'.Hadronski kalorimetri koriste se uglavnom za merenjeenergije dzetova(hadronskih mlazeva).Ukupna energija dzeta(koja bi trebalo da odgovaraenergiji rasejanog partona) se dobija sumiranjem energije hadrona u prostoru.

U hadronskim kalorimetrima fluktuacija izmerene vidljive energije je rezultat samplingfluktuacija i tzv. unutrasnjih fluktuacija u komponentama kaskade,od kaskade dokaskade.To znaci da slucajni clan u formuli za energetsku rezoluciju ima oblika = axampamtr -Sto se tice rezolucije merenja energije dzetova ona je odredjena sledecimfaktorima:- Algoritmima koji se koriste u rekonstrukciji dzetova- Fluktuacijama u broju cestica koje se nalaze u dzetovima- Fluktuacijama u tvrdom rasejanju koje prethodi dzetu- Uticajem magnetnog polja na "sirenje dzeta".

-18 -

Clan a u formuli za energetsku rezoluciju tod hadronskih kalorimetara ima vrednost uopsegu od 25% do 45% ako je energija izrazena u GeV.

Scintilacioni broiaci

Naelektrisana cestica koja prolazi kroz materiju ekscituje jedan deo atoma i molekulasredine. Kod nekih materijala mali deo deponovane energije cestice se oslobadjaemisiom fotona u vidljivoj oblasti. Ovo se naziva "scintilacija" materijala. Dva efekta suznacajna: fluoroscencija i fosforoscencija. U slucaju fluoroscencije svetlost se emituje uizuzetno kratkom vremenskom intervalu posle prolaska cestica dok kod fosforoscecijepobudjeni molekuli ostaju u meta stabilnom stanju pa je vreme emisije duze. Ekscitacijascintilatorskog materijala dovodi do emisije fotona ciji broj zavisi od jonizacionih gubitaka

dl-(dE/dx) cestice u materijalu i moze se opisati aproksimativnom formulom = ^=- gde

~dxsu B i MO konstante karakteristicne za dati materijal. Iz prethodne formule se vidi da privelikim deponovanim energijama dolazi do saturacije broja fotona odnosno svetlosnog

odziva scintilatora. Emisija fotona eksponencijalno zavisi od vremena ^() =const(l-e /r)), r- vreme raspada karakteristicno za dati materijal. U mnogim scintilatorima, najvecibroj fotona se emituje a ostatke u skladu sa eksponencijalnom zavisnoscu datom uprethodnoj formuli. Sto se materijala tice ovakvo ponasanje je karakteristicno za jedanbroj organskih supstanci koje sadrze u sebi aromaticne prstenove. Od njih se praveorganski tzv. plasticni scintilacioni detektori. Ovi detektori osim scintilacionog materijalaimaju i dodatni "detektor svetlosti" koji transformise svetlosni u elektricni signal.Gustina

plasticnih scintilatora se krece od 1.03 do l.20y 3 . Svetlosni odziv je na nivou l fotonr /cm

po lOOeF deponovane energije, a iMiP stvara u 1cm3 priblizno 104 fotona. Relativnovisok svetlosni odziv a posebno kratko vreme raspada D ns su rezultirali u sirokoj primeniovih detektora u savremenim eksperimentima. Druga grupa scintilacionih detektora sepravi od neorganskih scintilatora koji imaju kristalnu strukturu. Valentna zona sadrzielektrone koji su vezani dok elektroni u provodnoj zoni mogu da se krecu kroz kristal.Unutar zabranjene zone se formiraju energetska stanja na koja elektron pobudjen uprovodnu zonu moze da deekscituje. Obicno u cistim kristalima, efikasnost scintilacijenije dovoljno velika, pa se dodaju "necistoce" relativno niskoj koncentraciji kojepovecavaju verovatnocu za emisiju vidljive svetlosti. Uopsteno karakteristike "idealnih"scintilacionih detektora:

Visoka efikasnost konverzije deponovane energije u scintilaciono zracenje Kolicina scintilacionog zracenja je proporcionalna deponovanoj energiji Visok svetloni odziv Materijalna sredina je transparentna za zracenje koje se u njoj emituje Kratko vreme raspada

-19-

Medjutim ne postoje scintilatori koji istovremeno ispunjavaju sve ove kriterijume.Neorganski scintilatori imaju bolju proporcionalnost i linearnost dok su plasticni

scintilatori "brzi" ali imaju manji svetlosni odziv.

Materijal

Gustina

Radna duzina

Moliere-ovradijus

Int. duzina

Vremeraspada

Peak emisija

Rel. svetlosniodziv

d(SO)/dT

Indeksrefrakcije

r 8 iI 3 Jcm

[cm]

[cm]

[cm]

[ns]

[nm]

[%]

r o / 0 iL cJ

Nal(TI)

3.67

2.59

4.5

41.4

250

410

100

0

1.85

Csl(TI)

4.51

1.85

3.8

36.5

1000

565

45

0.3

1.80

Csl

4.51

1.85

3.8

36.5

356

4203105.62.3

-0.6

1.80

BGO

7.13

1.12

2.4

22.0

300

480

9

-1.6

2.20

Pbwo4

8.28

0.89

2.2

22.4

425

0.7

-1.9

2.16

Tabela.2:Karakteristike nekih neorganskih scintilatora

Poluprovodnicki brojaci

Kao i svi ostali tipovi detektora pp detektori su prvo stekli siroku primenu u nuklearnojfizici da bi zatim poceli da se koriste i u fizici cestica. Prednost pp detektora je pre svegasto se proizvodi sve veci broj nosilaca naelektrisanja nego kod gasnih detektora stoimaju brz odgovor i sto mogu biti izuzetno malih dimenzija. Princip rada pp detektora sezasniva na postojanju tzv.zonske strukture (valentna i provodna zona) elektronskihenergetskih nivoa. Energetski procep izmedju valentne i provodne zone u Si je svega\.\2eV sto omogucava da i pri niskim temperaturama broj elektrona koji imaju dovoljnoenergije da"preskoce" iz valentne u provodnu zonu bude znacajan. U cistom Sikoncentracija elektrona (nt) \a (/;,) je ista i za Si iznosi nt =l.45xio'cw~3 sto znaci

da u Si detektoru dimenzija lcm*lcm*300jum moze biti i do 4.5*108 slobodnih nosilacanaelektrisanja. Ovaj broj se redukuje dodavanjem tzv.necistoca. Kao elemenat iz cetvrtegrupe periodnog sistema Si ima cetiri valentna elektrona i moze graditi cetiri kovalentneveze. Dodavanjem nekog elementa iz pete grupe u maloj koncentraciji (tzv.donerskenecistoce) posle uspostavljanja svih kovalentnih veza preostaje jedan elektron koji jeslabo vezan i posto nije "regularni" deo resetke njegovi dozvoljeni energetski nivoi mogu

-20-

rbiti takvi da se nalaze u zabranjenoj zoni izmedju valentne i provodne i odatle tajelektron moze lako bez pravljena odgovarajuce supljine preci u provodnu zone.Termalna ekscitacija je dovoljna da jonizuje skoro sve donorske atome (ND) tako da jedodatna koncentracija elektrona u provodnoj zoni n = ND.

Porastom koncentracije elektrona raste broj rekombinacija elektron-supljina, a brojsupljina opada all tako da je ispunjen zahtev elektroneutralnosti np = ,/?, npr.dodavanjemdonora u koncentraciji ND D I017atoma po cm3u Si kod koga je , = p, ^I010c//r3 sledi da ceposle rekombinacionih procesa koncentracija elektrona biti I017cw~3, a supljina \Q3cm~3.Dodavanjem trovalentnih necistoca u maloj koncentraciji umesto cetiri mogu seuspostaviti i tri kovalentne veze. Energetski nivo ovako nastale supljine lezi u blizinidonje energetske granice zabranjene zone i termalna ekscitacija omogucava daelektronima "popune" supljine. U ovom slucaju koncentracija supljina je znatno veca odkoncentracije elektrona. Konacno pravljenje pn spoja elektroni iz tipa poluprovodnikazalaze u oblast poluprovodnika p tipa i obrnuto, supljine iz poluprovodnika tipa sekrecu ka poluprovodniku p tipa. U oblasti kontakta dolazi do rekombinacije elektrona isupljina, do uspostavljanja ravnoteze. U toj oblasti koja se naziva oblast prostornognaelektrisanja broj supljina i elektrona iznosi svega priblizno I00c//r3. Stavljajuci pnspoj u spoljasnje elektricno polje oblast prostornog naelektrisanja se moze dodatnoprosiriti tako da signal koji nastaje prolaskom naelektrisanih cestica postaje merljiv.

Cerenkovlievi broiaci

Cerenkovljevo zracenje se emituje kada naelektrisana cestica prolazi kroz materijal ciji jeindeks prelamanja n, a njena brzina je veca od brzine svetlosti u torn materijalu. Usvakoj tacki emisije stvaraju se "svetlosni talasi"koji se slazu duz konusa ciji je polu-ugao

zadan Cerenkov-ljevim uglom oos^ ="7T svetlost se sakuplja pomocu fotomultiplikatora i

tako se dobija elektricni signal. Koriste se dva tipa Cerenkov detektora za identifikacijudetektora. Takozvani prag Cerenkov detektori donose jednostavnu da/ne odlukezasnovane na cinjenici da li je brzina cestice ispod ili iznad praga za emisijuCerenkovljevog zracenja.Takozvani RICH detektori koriste zavisnost Cerenkovljevogugla od brzine cestice. Oni odredjuju identitet (masu) cestice merenjem Cerenkovljevogugla kada je poznat impuls cestice. Slican efekat postoji kada cestica prelazi iz materijalaciji je indeks prelamanja , u materijal sa drugacijim indeksom prelamanja n2. Kada seemituje takozvano "prelazno zracenje" koje moze posluziti za identifikaciju tipa cestica.Detektorski kompleks ATLAS na ELHC-u koristice ovakav tip detektora u sastavuunutrasnjeg detektora pragova.Kad god naelektrisana cestica prolazi kroz materiju brzinom v koja premasuje brzinu

svetlosti u medijumu t.j. v>v, =- emituje se Cerenkovljevo zracenje (n- ind.pr.; c-n

brzina svetlosti; V - granicna brzina).

-21 -

Naelektrisane cestice polarizuju molekule koje se brzo vracaju u svoje osnovno stanjeemitujuci zracenje. Emitovana svetlost moze da formira koherentan talasni front jedino ako

je V > - \o pod emisionim uglom 6nc

cosd = = sto se moze zakljuciti iz klasicne konstrukcije talasnog fronta.

Konusni ugao 9 zavisi od v. Ova zavisnost dopusta razlikovanje cestica razlicitih brzina iGeVidentifikaciju cestice sve do vece od 100 . Ukoliko je poznat impuls p

P =mv vazne relacije:

cos 6 max = (v = c)

Glavni problem kod Cerenkovljevog zracenja je slab svetlosni ucinak. Totalna energijaizracena po jedinici duzine traga za upad na elektrisanje z je

dE \2nze~}2 / f 1 Y) , = 1- \vdvdx c (0n)

Integracijom se dobija w = 370z2Asin26>D 450sin26> za * = i i AE = l.2eV stojetipicaninterval za detekciju fotona.U tecnostima moze biti detektovano 20fotona pocma ugasovima samo 3 fotona po m. Energija koja odlazi na emisiju ovih fotona zato je vrlomala u odnosu na ukupan gubitak energije na jonizaciji u ekscitaciju. Maksimalan ugaoemisije je prilicno velik u tecnostima ali je samo 1 za gasove. Postoje razliciti tipoviCerenkovljevih detektora:

- 2 2 -

- Brojaci praga - beleze svo proizvedeno svetlo dajuci signal kada je - iznad pragac

- Brojacu totalne apsorbcije - od olovnog stakla mere energiju, pretezno / zraka ielektrona

- Diferencijalni brojaci - primaju svetlost samo u uskom opsegu uglova tj.u uskomintervalu brzina

Postignuta rezolucija = 10~5,V

- UV Ring Imaging Cherenkov Counters (RICH). Cestice emitovane sa male meteprolaze kroz detektor, radiator i sferno ogledalo radiusa R . Cerenkovljeva svetlost

D

emitovana izmedju i R (pod uglom 9), fokusira se uz prsten radiusa /-naD

detektorskoj povrsini . Nalazimo da je:

sa cosff- ftn

Tako je odredjeno /? = -, merenjem radiusa prstena r, na kom je detektovano nekolikoc

fotona. Ovakva detekcija zahteva tanak detektor a fotomultiplikatori ne mogu da sekoriste, jer su preveliki.debeli i skupi. Zato su razvijene foto senzitivne proporcionalne idrift komore koje zahtevaju primese vrlo niskog jonizacionog potencijala, jer su fotoni viseenergije apsorbovani materijalom prozora koji razdvaja radiator i detektorski medijum.Najkompleksniji RICH detektor u funkciji do sada je DELPHI Barrel - RICH sadrzi i tecni igasni radijator.

-23-

Zakliucak

Cilj fizike visokih energija (fizike cestica) je da odredi fundamentalne konstituentematerije i da izucava njihove osobine.Cestice se ubrzavaju do visokih energija pomocu akcelatora.Usavrseni su tako da se

pomocu ubrzanih cestica ispituju osobine atomskog jezgra.Za savrsenu fiziku je ogroman tehnicki znacaj postojanje aksceleratora i detektora.Ne

moze se zamisliti fizika elementarnih cestica bez postojanja detektora.Ne postoji detektor koji moze da meri sve parametre podjedneko dobro.Zato se

koriste detektorski sistemi.

-24-

Biografija

Zovem se Mileva Atanaskovic.rodjena sam Loktobra1961.godine u Bijeiom Polju,Crna Gora.Posle zavrsenegimnazije upisala sam studije u Beogradu na Prirodno-matematickom fakultetu i diplomirala aprila 1986.godine naVisoj pedagoskoj skoli smer Fizika-hemija.Upisala samvanredne studije oktobra 2005.godine u Novom Sadu idiplomirala sam na odseku profesor fizike 2007.godine.

-25-

Literatura

LMarinkov dr Lazar.Osnovi nuklearne fizike.Univerzitet u Novom Sadu.Prirodno-matematicki fakultet.Novi Sad 19762.Okunj L.B.,Elementarni uvod u fiziku elementarnih cestica.Fond "Ing.Petra i SonjeSubotic",Beograd 1992S.Skoro P.Goran,Uvod u eksperimentainu fiziku cestica.Univerzitet u Beogradu.Prirodno-matematicki fakultet4.Krpic D.,Elementarne cestice.Fizicki fakultet,Beograd 1995S.Veskovic prof.dr Miroslav.Rukopis sa predavanja.Uvod u fiziku elementarnihcestica.Novi Sad 2007

" '**$*

-26-

UNIVERZITET U NOVOM SADUPRIRODNO-MATEMATICKI FAKULTET

KLJUCNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA

Redni broj:RBRIdentiflkacioni broj:IBRTip dokumentacije:TDTip zapisa;TZVrsta rada:VRAutor:AUMentor:MNNaslov rada:NRJezik publikacije:JPJezik izvoda:JIZemlja publikovanja:ZPUze geografsko podruije:UGPGodina:GOIzdavac:IZMesto i adresa:MAFizicki opis rada:FONaucna oblast:NONaucna disciplina:NDPredmetna odrednica/ kljucne reel:PODDK

CUFof wa napomena:VN/zvorf:IZ

Datum prihvatanja teme odNN veca:DP

Datum odbrane:DO

Qanovi komisije:KO

Predsednik:

clan:Man:

Monografska dokumentacija

Tekstualni Stampani materijal

Diplomski rad

Mileva Atanaskovic

Prof.Dr.Miroslav Veskovic

Detektori elementarnih cestica

srpski (latinica)

srpski/engleski

Srbija

Vojvodina

2007

Autorski reprint

Prirodno-matematiSki fakultet, Trg Dositeja Obradovica 4, Novi Sad

10/26/-/3/16/-/-

Fizika

Opis detektora

Detektori elementarnih cestica

Biblioteka departmana za fiziku, PMF-a u Novom Sadu

nema

U radu je opisana detekcija elementarnih cestica.U samom uvodu je opisanistorijat rada detektora,osim klasiflkacije detektora I principa rada opisanesu interakcije kako teskih tako I lakih cestica sa materijom.U radu suopisani i proporcionalni brojaci,scintilacioni brojaci kao i cerenkovljevibrojaci.Sve je potkrepljeno formulama i tabelama.

15.08.2007

30.08.2007

Dr.Zoran Mijatovic,profesorNatasa Teodorovic.profesorMiroslav Veskovic,professor,dr.

UNIVERSITY OF NOVI SADFACULTY OF SCIENCE AND MATHEMATICS

KEY WORDS DOCUMENTATION

Accession number:ANOIdentification number:INODocument type:DTType of record:TRContent code:CCAuthor:AUMentor/comentor:MNTitle:TILanguage of text:LTLanguage of abstract:LACountry of publication:CPLocality of publication:LPPublication year:PYPublisher:PUPublication place:PPPhysical description:PDScientific field:SFScientific discipline:SDSubject/ Key words:SKWUCHolding data:HD

Monograph publication

Textual printed material

Final paper

Mileva Atanaskovic

Prof.Dr.Miroslav Veskovic

Serbian (Latin)

English

Serbia

Vojvodina

2007

Author's reprint

Faculty of Science and Mathematics, Trg Dositeja Obradovica 4, Novi Sad

10/26/-/3/16/-/-

Physics

Library of Department of Physics, Trg Dositeja Obradovica 4

NoneNAbstract:AB

Accepted by the Scientific Board:ASBDefended on:DEThesis defend board:DBPresident:Member:Member:

15.08.2007

30.08.2007

Dr.Zoran Mijatovic,profesorNatasa Teodorovic,profesorMiroslav Veskovic,professor,dr.