Slayt 1 by liuhongmei

VIEWS: 104 PAGES: 76

									              İYONİZASYON VE SİNTİLASYON
                     DETEKTÖRLERİ

                                     İlhan TAPAN
                                  Uludağ Üniversitesi




İlhan Tapan       İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                        1
Giriş

 Deteksiyonda esas olan, detekte edilecek radyasyonun
 detektör ortamında yapacağı etkileşmeler vasıtasıyla içeride
 bırakacağı enerjinin ölçülmesidir.
  İki farklı fiziksel etkileşme süreci iyonizasyon ve uyarma
  sonucunda detektör ortamına enerji bırakılması ve ölçülmesi
  prensibine dayalı olarak tasarlanmış detektörler, gaz
  iyonizasyon ve sintilasyon detektörleri.




İlhan Tapan     İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                      2
Yüklü Parçacıkların Madde ile Etkileşmeleri

Madde içerisinde yol alan bir yüklü parçacık enerjisini
iyonizasyon, uyarma veya bremsstrahlung vasıtasıyla
kaybeder.
Yüklü parçacıkların madde içerisinde aldığı dx yolu boyunca,
iyonizasyon ve uyarma yaparak kaybettiği ortalama dE enerjisi
Bethe ve Bloch formülü ile verilir.



 z gelen parçacığın yükü,                                       I ortamın iyonizasyon ve uyarma potansiyeli,
 Z ve A ortamın atom numarası ve atom ağırlığı,                  Lorentz faktörü (E/mec2),
 me ve re elektronun durgun kütlesi ve yarıçapı,                 parçacığın rölativistik hızı (V/c) ve
 N A Avagadro sayısı,                                            yoğunluk etkisi

İfade ortamın durdurma gücü veya diferansiyel enerji kaybı
olarak da adlandırılır.
İlhan Tapan               İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri            UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                         3
Yüklü Parçacıkların Madde ile Etkileşmeleri

  Ortamın durdurma gücü ne kadar büyükse, yüklü parçacığın
  aldığı birim yol başına iyonizasyon ve uyarma yaparak
  kaybettiği enerji de o kadar büyük olur.

                  1 cm                                dE/dx = 2.12 × 10-3 MeV/cm
İyonize edici
radyasyon
                  Argon
                                                      Wi = 26 eV
                                                      ~ 80 e-iyon çifti/cm


                  1 cm                                 dE/dx = 7.29 MeV/cm
İyonize edici
radyasyon
                Germanyum                              Wi = 2.9 eV
                                                       ~ 2.5 × 106 e-hole çifti/cm


 İlhan Tapan             İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                               4
Yüklü Parçacıkların Madde ile Etkileşmeleri
Yüklü parçacıkların çarpışma başına ortama aktardığı enerjinin
kendi enerjisine oranı oldukça düşük olduğundan, enerjisini
tamamen ortama aktarabilmesi için birçok çarpışma yapması
gerekmektedir.
Ortama aktarılan enerji, bir ortalama etrafında dağılıma
sahiptir. Enerji kaybı dağılımı, Landau dağılımı ile temsil edilir
ve yaklaşık ifadesi,



 , en muhtemel enerji kaybından olan sapmadır,
                               Bethe-Bloch formülündeki ortalama enerji kaybı,
                                     en muhtemel enerji kaybı,
                                    gerçek enerji kaybıdır.
İlhan Tapan     İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                      5
Gazlı Detektörler

Parçacık deteksiyonu ve takibi için kullanılan detektörler
ailesinin önemli üyelerinden birisidir.
                                                         1923 yılında geliştirilerek
                                                         Geiger- Müller adı verilen
                                                         ve tüm modern gazlı
                                                         detektörlerinin atası olan
                                                         orantılı detektörlerden,

                                     sinyalin gaz hacmi içerisinde bir
                                     ön çoğalma vasıtasıyla daha
                                     güçlü     alınmasını    sağlayan
                                     MPGD lere (Micro-Pattern Gas
                                     Detectors)

İlhan Tapan    İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri         UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                           6
Gazlı Detektörler-Elektron-İyon Çifti Oluşumu

Detektör ortamı olarak gaz kullanıldığında, diğer etkileşmeler
sonucu enerji kayıpları ihmal edilerek deteksiyonda sadece
iyonizasyon enerji kaybı dikkate alınır.
                   Gaz içerisinde yol alan yüklü parçacığın izi
                   boyunca iyonizasyon ile enerji kaybı
                   sonucu oluşturacağı elektron-iyon çiftlerinin
                   sayısı;
                                                     N0 =

                   E parçacığın toplam enerji kaybı
                   Wi Bir elektron-iyon çifti üretmek için gerekli
                   ortalama enerji
                   (gazlar için ortalama 30 eV civarındadır)

İlhan Tapan    İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri      UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                        7
Gazlı Detektörler-Elektrik Alan Etkisindeki Yükler

Bir elektrik alan uygulandığında, gaz içeride oluşmuş elektron-
iyon çiftleri elektrik alan boyunca harekete zorlanırlar. Bu
hareket esnasında elektronlar gaz molekülleri ile çarpışarak
bir ortalama hıza -sürüklenme hızına (vdrift )- ulaşırlar.

               vdrift =                 
   , yüklerin gaz molekülleri ile yaptığı iki
   çarpışma arasında geçen ortalama süre.




 İyi bir detektör performansı için, yüklerin en kısa sürede
 kontağa ulaşması gerekir
İlhan Tapan           İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                            8
Gazlı Detektörler-Elektrik Alan Etkisindeki Yükler

Anota gitmesi gereken elektronlar gaz molekülleri tarafından
yakalanabilirler.
Başlangıçtaki yoğunluğu Ioe olan elektronların, x mesafesi
sonunda sahip olacakları Ie yoğunluğu;

       Ie = Ioe exp (-x)


   , bağlanma (attachment)
   katsayısı (gaza ve elektronların
   enerjilerine bağlıdır).




İlhan Tapan         İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                          9
Gazlı Detektörler-Elektrik Alan Etkisindeki Yükler

Elektrik alan şiddeti yeterince yüksek ise elektronların
kazanacağı kinetik enerji değeri, çarpışma yaptığında gaz
atomlarını iyonize edebilecek seviyelere ulaşabilir.
Başlangıçtaki toplam elektronların sayısı N0 olmak üzere, bu
elektronların düzgün bir elektrik alan şiddetine sahip bir gaz
detektör hacmi içerisinde kontağa ulaşana kadar x mesafesi
boyunca iyonizasyon yapmaları sonucu kontağa ulaşan
elektron sayısı;
                           N = N0 ex
         Birinci Townsend katsayısı

               / P = A exp(-BP/E)
   P basınç, E uygulanan elektrik alan,
   A ve B katsayıları gazın cinsine bağlı sabitler
İlhan Tapan             İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                              10
Gazlı Detektörler-Elektrik Alan Etkisindeki Yükler

Eğer detektör içerisindeki elektrik alan değişken ise,
                                               x1 elektronun harekete başlama konumu,
        N = N0 exp                             x2 kontağın (Anot) konumu.

                                                               Katot yarıçapı b
                          V anot teline uygulanan voltaj,
                          r anot telinden olan uzaklık,        Anot yarıçapı a
                          a anot telinin yarıçapı ve
                          b tüpün yarıçapıdır.




İlhan Tapan          İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri    UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                            11
Gazlı Detektörler-Yük Kazancı

Gaz detektörler için yük çoğalma faktörü ya da kazancı,

              M = N / N0 = ex = exp

Kazancı etkileyen faktör: Yüklerin (Space Charge) Etkisi
Yük çoğalması sonucu oluşan yükler, detektör içerisinde var
olan elektrik alan şiddetini azaltır. İyonizasyon katsayısı elektrik
alanın bir fonksiyonu olduğu için bu durum, kazancın ve çıkış
sinyalinin değerinin düşmesine neden olur.
Detektör hacmi içerisinde oluşan E elektrik alan değeri, yük
etkisi nedeni ile Esce kadar azalacaktır. Bu durumda
iyonizasyon katsayısı,
                     /P = A exp(-BP/E-Esce )
İlhan Tapan       İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                        12
Gazlı Detektörler- Gaz Seçimi

Kullanılan temel gazlar Ar, Ne, He gibi kolay iyonize olabilen
ve elektron alma eğilimi az olan (bu nedenle anoda giden
elektronlara fazla bir etkisi olmaz) asal gazlar dır.
Ek gazlar ise Etan, Metan, Karbondioksit gibi dindirici
(quenching) gazlardır.
Bu gazlar da düşük elektron alma eğilimine sahip olmakla
birlikte, pozitif iyonlara elektron aktararak onları nötr hale
getirir. Dindirici gazlar aynı zamanda yük çoğalması
esnasında gerçekleşen çarpışmalarda uyarılmış gaz
atomlardan yayınlanan fotonları da soğururlar.
Detektörlerde yaygın olarak kullanılan P10 gazı, % 90 argon
ile dindirici gaz olan % 10 metan karışımından oluşur

İlhan Tapan     İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                      13
Gazlı Detektörler- Gaz Seçimi
Ek gazlar kullanıldığında ortaya çıkan problem; penning etkisi




 There may be many non-ionising interactions in avalanche formations. In such interactions some fraction of the
 energy is spent on the creation of short or long lived (metastable) excited states. Excited gas atoms or molecules can
 transfer their excess energy to ionise the other ones in the mixture by making collisions with them. Such an energy
 transfer is known as Penning effect and often occurs in the gas mixtures when the metastable excitation energy level
 of one gas component is energetically higher compared to the ionisation energy of the other gas component. These
 kinds of mixtures are also known as Penning gas mixtures which consist of a noble gas and an admixture at lower
 concentrations
                                                                                Ö Şahin et al, JINST, 2010
İlhan Tapan                   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri          UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                           14
Gazlı Detektörler- Sinyal ve Dalgalanması

Bir detektörden alınan sinyalin büyüklüğü kontağa ulaşan yük
sayısına (birincil parçacık adedi ve detektörün iç kazancına)
bağlıdır.




İlhan Tapan     İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                      15
Gazlı Detektörler-Yaşlanma (Aging)

Yaşlanmadaki kasıt, detektörün kontak elektrotlarının yüzeyinde
oluşan birikmeler sonucu, kazançta kayıp ve dalgalanmalar,
enerji çözünürlüğünde bozulma, kendiliğinden yük boşalması,
kıvılcım atlaması, yüksek voltaj kararsızlığı, tellerde ise aşınma,
şişme ve kopma gibi etkilerin oluşarak detektörün çalışma
performansının düşmesidir.
Çarpışma iyonizasyonunun gerçekleşmesi için elektron
enerjisinin 10 eV’ dan büyük olması gerekirken, moleküllerin
kovalent bağlarının kırılması ve serbest radikallerin oluşması
için elektronun 3-4 eV enerjiye sahip olması yeterlidir.
Serbest radikaller diğer moleküllere kovalent bağlarla
bağlanarak daha ağır moleküller oluşturur (Serbest radikal
polimerizasyonu). Yeterince yoğunlaşma olduğunda, bunlar
elektrot yüzeyine difüzyon ile giderek yapışırlar.
İlhan Tapan      İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                       16
Gazlı Detektörler-Yaşlanma (Aging)




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    17
Gazlı Detektörler-Yaşlanma (Aging)
THE ANODE WIRE DEPOSITS SAGA, kazanç kayıplarına yol açıyor




İlhan Tapan              İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                               18
Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    19
Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    20
Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    21
Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    22
Gazlı Detektörler- Örnek: Foton Akısı ölçümleri

Gaz Monitör Detektörü




 Detektörden geçen fotonların sayısı, detekte edilen parçacıkların
 (iyonlar/elektronlar) sayısına bağlı olarak bulunur.




İlhan Tapan      İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                       23
Gazlı Detektörler- Örnek: Elektron Demet Diagnostiği

Demet kayıp monitörü
Özellikle     süperiletken       magnetlerin kullanıldığı hızlandırıcı
sistemlerinde, kayıpların yerini ve büyüklüğünü görebilmek için demet
kayıp monitörü kullanılır. Burada kullanılan detektörler, demet
borusunun çevresine yerleştirilir ve boru malzemesi tarafından
soğurulmayan yüklü parçacıklar veya ışınları detekte etmek için
kullanılırlar. Bu nedenle plastik sintilatörler, fotodiyotlar ve
fotoçoğaltıcı tüpler kullanılır.
İçerisine Ar gazı doldurulmuş ince bir
boru tüm demet hattı boyunca paralel
olarak yerleştirilir. Böylece demette
meydana gelecek en ufak elektron
kaybı     gaz   ile    etkileşip, gazı
iyonlaştırır. Böylece bir akım elde
edilir.
İlhan Tapan       İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                        24
Gazlı Detektörler- Örnek: Elektron Demet Diagnostiği

Demet kayıp monitörü




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    25
Sintilasyon Detektörleri

Sintilasyon : Işıldama
Sintilasyon Deteksiyonu: Işıldama vasıtası ile
                         parçacık deteksiyonu
Temel Prensip: Işıldama yapan bir madde (Sintilatör)
içerisinden geçen radyasyonun enerjini uyarma vasıtası ile
kaybetmesi (dE/dx) ve uyarılmış atom tarafından yayınlanan
ışığın bir fotodetektör tarafından algılanması.




İlhan Tapan    İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                     26
Sintilasyon Detektörleri- Sintilatörler

  İyi bir sintilatör nasıl olmalı:

  Uyarılmış enerji seviyesinden çok kısa sürede bozunma
  süresi içerisinde taban seviyesine düşmeli ve yüksek ışık
  yayınlama verimine sahip olmalı,
  Yayınladığı ışığın kendi içerisinde iletimine izin vermeli,
  Yayınlanan ışığın dalgaboyu, fotodetektörler                                   tarafından
  detekte edilebilmeye uygun olmalı.
  Sintilatör çeşitleri:
  Inorganik sintilatörler (kristal, gaz, sıvı)
  Organik sintilatörler

İlhan Tapan        İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                         27
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler

  Materials:                           Mechanism:
  Sodium iodide (NaI)                  Energy deposition by ionization
  Cesium iodide (CsI)                  Energy transfer to impurities
  Barium fluoride (BaF2)               Radiation of scintillation photons
  ….




                                                              Time constants:
                                                              Fast: recombination from
                                                              activation centers [ns ... μs]
                                                              Slow: recombination due
                                                              to trapping [ms ... s]


İlhan Tapan         İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                          28
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler

Sintilasyon Mekanizması
                                                                                                           ELEKTRON

                                                                  İLETKENLİK BANDI


                                                                  EKSİTON BANDI BANDI
İnorganik kristallerde sintilasyon                                   EXCITON

mekanizması, kristale giren yüksek
                                                              E
enerjili parçacıkların kristal atomlarını                            IŞILDAMA
                                                                                     TUZAKLAR
                                                                                                           ENERJİ
uyararak foton yayınlanması prensibine                               MERKEZLERİ

dayanır ve süreç kristaldeki enerji                           G
                                                                   YASAK BAND         EKSİTON
bantları dikkate alınarak anlaşılabilir.
                                                                  VALANS BAND
                                                                                   BOŞLUK


• Aktarılan enerji, iyonizasyon enerjisinden daha büyük ise, elektron valans banttan
iletkenlik bandına uyarılabilir ve sonuçta serbest bir elektron ve serbest bir boşluk oluşur.
Valans banttaki elektron boşluk bir elektron ile tekrar birleşme yaparak yok olur. Bu
süreçte açığa çıkan enerji bir foton olarak yayınlanabilir.
• Aktarılan enerji bağlanma enerjisinden daha küçük ise, iletkenlik bandının altında
bulunan ve eksiton (uyarım) bandı olarak adlandırılan bölgeye uyarılır. Bu durumda
elektron elektrostatik olarak hala boşluğa bağlıdır ve bu elektron boşluk çiftine eksiton
adı verilir. Eksitonlar kristalde serbestçe hareket edebilirler. Eksiton bir ışıldama
merkezine çarptığında bağlanma enerjisini aktarabilir. Kristal örgüsüne aktarılan bu enerji
ya örgü titreşimleri olarak (fononlar) ortaya çıkar yada ışık olarak yayınlanır.
İlhan Tapan             İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri                 UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                            29
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler

Sintilasyon Mekanizması                                  Zaman sabitleri
                                             N = Ae−t/τf + Be−t/τs
                                             Exponential decay of scintillation
                                             can be resolved into two components ...
                                             τf : decay constant of fast component
                                             τs : decay constant of slow component




İlhan Tapan    İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri          UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                            30
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler

 Sintilasyon Spektrumu
 Katkı malzemesinin cinsine bağlı olarak kristalden yayınlanan
 ışığın spektrumu ve şiddeti değişmektedir.




        NaI(Tl) λmax = 410 nm; 40000 photons/MeV; τ = 250 ns
        CsI(Tl) λmax = 565 nm; 11000 photons/MeV; τ = 1000 ns
İlhan Tapan           İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                            31
Sintilasyon Detektörleri- İnorganik Sintilatörler

  Özellikleri




        Kullanılan kristale uygun foton detektörü APD,PIN veya PMT seçilmeli
        PbWO sağlam ancak ışık şiddeti düşük

İlhan Tapan            İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                             32
Sintilasyon Detektörleri- Organik Sintilatörler

  Aromatic hydrocarbon
  compounds:
  Naftalin [C10H8]
  Antresen [C14H10]
  Stilben [C14H12]
  ...


        Very fast!


         Scintillation light arises from
         delocalized electrons in π-orbitals


İlhan Tapan              İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                               33
Sintilasyon Detektörleri- Organik Sintilatörler




İlhan Tapan    İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                     34
Sintilasyon Detektörleri- Foton deteksiyonu- PMT




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    35
Sintilasyon Detektörleri- Foton deteksiyonu- PMT

 • Çalışma Prensibi

        – Fotokatota gelen ışık fotoelektrik etki ile elektrona çevrilir, foton başına
          fotokatottan elektron yayınlanma olasılığı PMT nin foton deteksiyon
          verimidir (PDE)
           PDE= Quantum efficiency Q.E. = Np.e./ Nphotons           Q.E. ≈ 10-30%
        – Yayınlanan fotoelektronlar odaklanır ve ilk dynoda gönderilir.
        – Dynodlardan ikincil elektronlar yayınlanır (genellikle 4)
        – Elektronlar anot tarafından toplanır.


        Toplam Kazanç:                                            N=10 dynodes with g = 4

                                                                  M = gN = 410 ~ 106



İlhan Tapan             İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri       UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                  36
Sintilasyon Detektörleri- Çözünürlük                                               NaI(Tl)-PMT




              - 511 keV gamma ışını NaI(Tl) kristaline gönderiliyor
              (Kristalin ışık verimi=LY=40000 foton/MeV)
              - 20000 foton kristal içerisinde oluşur
              (Kristal içerisinde iletim ve yansıma kayıpları var)
              -15000 foton PMT nin fotokatotuna ulaşır
              (Q.E. = Nfotoelektron / Nfoton ≈ 20%)
              - 3000 fotoelektron ilk dynoda ulaşır
              (Kazanç ≈106)
              - 3x109 adet elektron anota ulaşır (qe= 1.6x10-19 C)
              - 4.8x10-10 C yük anota ulaşır (dt=100 ns; I=dQ/dt)
              - 4.8 mA akım elde edilir
İlhan Tapan                 İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                  37
Sintilasyon Detektörleri- Çözünürlük

Gelen radyasyonun enerjisinin ölçümlerinde enerji çözünürlüğü,
sinyali oluşturan parçacıkların dalgalanmasına bağlı olarak
belirlenir.


        Bağıl dalgalanma


PMT kullanıldığında, enerji çözünürlüğü, kazanç zincirindeki en
düşük parçacıklar cinsinden yani birinci dynoda ulaşan
fotoelektronların dalgalanmasına bağlı olarak belirlenir.

 Örneğimizde ilk dynoda
 ulaşan fotoelektron sayısı
 3000 olduğundan


İlhan Tapan        İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                         38
Sintilasyon Detektörleri- Kullanım Alanları




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    39
Sintilasyon Detektörleri- YEF’ de Kullanımı

                                                                                             SrI2:Eu
                                                                                            LiI3:Ce
   Scintilators invention                                                                  LaBr3:Ce
                                                                                          LaCl3:Ce
                                                                                        RbGd2Br7:Ce
                                          80-th                                      LuAlO3:Ce
                                          BGO                                      Lu2SiO5:Ce
                                                                                  PbWO4
                                                                                  CeF3
                                                                               (Y,Gd)2O3:Ce
                                     50-th                                  BaF2( fast)
                1949                 CsI(Tl)                              YAlO3:Ce
                NaI(Tl)                                                 Bi4Ge3O12
                                                                      BaF2 (slow)                            1992
                                                                     CsI:Na
                                                                                                             PWO
                                                                   CdS:In
                                                                   ZnO:Ga
                                                                                                           90-th
                                                                   CaF2:Eu
                                                              silicate glass:Ce                            BaF2
                                                          LiI:Eu                                           CeF3
                                                         CsI
                                                         CsF
                                                       CsI:Tl                         60-th
                                                       CdWO4                          Glasses, pre-crystal
                                                      NaI:Tl
                   ZnS:Ag
                 CaWO4

               1900         1920          1940           1960         1980          2000          2020

                                                         Years
İlhan Tapan           İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri                UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                         40
Sintilasyon Detektörleri- YEF’ de Kullanımı
 Scintillation counters typically have a very good time resolution. They are also
 continuously sensitive, and are therefore often used as triggers for other types of
 detectors, which must have a high voltage pulse applied or a readout sequence initiated in
 order to observe a particle.

 A pair of scintillation counters placed some distance apart can be used to measure the
 time of flight of the particles. If other information is known, such as the momentum of
 the particles (e.g. from their curvature in a magnetic field), then the mass and hence
 identity of the particle can be determined.

 Layers of crossed scintillation counters are also used to form a hodoscope, where the
 position of the particle can be determined from the coincidence between signals from
 counters in the different layers.

 Another application of scintillators is within calorimeters. Because of their short
 radiation length, inorganic scintillators make sensitive electromagnetic calorimeters, and
 are often used to detect medium energy gamma rays. Sheets of plastic scintillator
 between metal plates are used in sampling calorimeters. Here, the number of particles at
 a particular depth in a shower can be determined from the size of the pulse observed in
 the scintillator.
İlhan Tapan            İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                             41
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı


                  Crystal calorimeters in the world.
          New generation of calorimeter – new scintillator development




                                         asymmetric b-factory     Proposals                 LHC




İlhan Tapan            İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                             42
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
 SPEAR (Stanford Positron Electron Accelerating Ring) machine at SLAC, completed in
 1972.
 CESR (Cornell Electron Storage Ring), which has delivered over 6/fb of integrated
 luminosity to date. The CLEO-II detector (proposed 1983, approved 1984, operational since
 1989) consists of drift chambers for tracking charged particles and measuring dE / dx, time-of-
 flight counters, a 7800-element CsI electromagnetic calorimeter, a 1.5-tesla superconducting
 solenoid, iron for flux return and muon identification, and muon chambers. A major upgrade,
 the CLEO-III detector, was proposed and approved in 1994, and the installation is planned for
 1998.
 L3 is one of the four omni-purpose detectors at the Large Electron Positron Collider LEP. an
 electromagnetic calorimetermade of Bismuth Germanate (BGO).
 SSC GEM: Superconducting Super Collider (ABD-texas-iptal) üzerinde planlanmış iki
 detektörden birisi “Gamma Elektron Muon detector”
 SSC L STAR :Superconducting Super Collider üzerinde planlanmış iki detektörden birisi
 LHC L3P: LHC üzerine kurulması düşünülen a Lepton Photon Precision Physics deneyi
 detektörü
 LHC GMS (Geometry Monitoring System): ALICE detektörü için
 BaF2 Crystal (Barium Fluoride), CeF3 (Cerium Fluoride)
İlhan Tapan             İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                              43
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı
         SUPERCONDUCTING                                                  CALORIMETERS
         COIL                                                           ECAL               HCAL
                                                                     Scintillating
                                                                     PbWO4 crystals       Plastic scintillator/brass
                                                                                          sandwich



                                                                                                      IRON YOKE




              TRACKER
              Silicon Microstrips
              Pixels


      Total weight : 12,500 t                                                                           MUON
      Overall diameter : 15 m
                                                       MUON BARREL                                      ENDCAPS
      Overall length : 21.6 m
      Magnetic field : 4 Tesla                 Drift Tube    Resistive Plate            Cathode Strip Chambers ( CSC)
                                               Chambers (DT) Chambers (RPC)            Resistive Plate Chambers ( RPC )


İlhan Tapan                     İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri          UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                             44
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı




                    An homogenous scintillating crystal detector
                    Made out of 75,000 crystals

                              Subdivided into a barrel and two endcap

                                             Barrel section
                                                  contains 61,000 crystals
                                                  two APDs per crystal
İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    45
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı

      GEANT4 Simulation


                                                 Parçacığın geliş
                                                 doğrultusu




               APD




       14th International Conference on Calorimetry in High Energy Physics, 10-14 Mayıs,2010, Pekin, Çin


İlhan Tapan                  İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri     UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                     46
Calorimetric Energy Resolution and Stochastic Term

   Energy resolution in the ECAL




                                E is the energy of the incident particle

              Term                       Contribution to                Aim for CMS ECAL Barrel
              a                          Photoelectron statistic        ~ 2.8% GeV1/2
              Stochastic term            Shower fluctuations
              b                          Calibration                    ~ 0.55%
              Constant term              Non-uniformities
              c                          Electronic noise               155 MeV at low luminosity
              Noise term                 Dark current                   210 MeV at high luminosity


İlhan Tapan                   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri        UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                         47
Calorimetric Energy Resolution and Stochastic Term

      APD contributes to all the terms ECAL energy resolution

         a    sensitive area, quantum efficiency, excess noise
         b    gain sensitivity to operating voltage and temperature,
               aging and radiation damage
         c    low capacitance, serial resistance and dark current

  By neglecting the intrinsic resolution, the APD photo-electron
  statistics contribution to stochastic term is given by

                           Npe is the number of primary photoelectrons
                           Npe = Nph .QE
                           Nph ; photons from crystal, QE ; quantum efficiency
                     F is the avalanche gain fluctuation or excess noise factor

İlhan Tapan           İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                            48
Calorimetric Energy Resolution and Stochastic Term

The relative fluctuation of the APD signal in the proportional
mode




         Npe is the number of primary photoelectrons
             : S.D. of the number of primary photoelectrons;
        M : Avalanche gain
        σM : S.D. of the avalanche gain


                                                     APD photo-electron statistics
                                                     contribution to stochastic term

İlhan Tapan            İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri    UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                              49
Calorimetric Energy Resolution and Stochastic Term

 The total stochastic term of the energy resolution for crystal-
 APD combination is composed of a contribution from shower
 containment (lateral leakage contribution) and a contribution
 from APD signal fluctuation (photo-electron statistics).

  1- Event to event fluctuations in the lateral shower containment
......(alateral),
 2- Photo-electron statistics contribution from APD (a pe)




İlhan Tapan      İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                       50
Simulation- alateral

   The lateral shower shape determines the distribution of the
   energy deposition in a cluster of crystals around the impact
   point.
   The contribution to the stochastic term coming from
   fluctuations in the lateral shower containment (lateral
   leakage) of PbWO4 crystals has been simulated by GEANT4
   for 0.2-100 GeV electrons.

   Crystal is same size used in CMS ECAL,
   a truncated-pyramidal shape;
   a length of 23 cm (25.8X0)
   front side 2.2x2.2 cm2
   rear side 2.6x2.6 cm2


 İlhan Tapan      İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                        51
Simulation- alateral

                                                  Energy deposition in single crystal
                                                            Electrons    at    different
                                                            energies were injected in
                                                            the central of the crystal.
                                                      78% of the energy of the incident electron
                                                      was deposited




 İlhan Tapan      İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri           UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                52
     Simulation- alateral

         Energy deposition in 9 crystal blocs of a 3x3 matrix
                                                                                             central
Events




                                                                                             crystal of
                                                                                             the 3x3
                                                                                             matrix

                                                                                             deposition in the central crystal to
                                                                                             that in all nine crystals is 85%.




                                                                                    Events
                                                                                                       Toplam enerji
                                    E (MeV)
          Energy deposits in 3x3 PbWO4 crystals for 1 GeV electrons injected into                                            Energy (MeV)
          the center of the central crystal
                                                                                               Energies deposited in the nine crystals
         İlhan Tapan                  İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri                  UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                                            53
Simulation- alateral

 Comparison of Geant4 and EGS4
   Event Numbers




                                200 MeV



                                    400 MeV
                                              600 MeV
                                                        800 MeV
                                                                   1 GeV




                                                                Energy (MeV)



                   Energy spectra obtained by summing up all energy
                   deposits in the nine crystals for the incident electrons             Energy resolution sE/ E of the 3x3 crystal matrix
                   of 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0 GeV, respectively.

                                                                                            Shimizu, H., et al. 2000. NIM A: 447,p.467

 İlhan Tapan                                  İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri              UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                                               54
Simulation- alateral

 Energy deposition in 5x5 matrix




       Deposited energy as a function of incident electron
       energy

     78% of the energy of the incident electron
     deposited in the central crystal.
     The total deposited energy in the 9 crystals 93%
                               in the 25 crystals 96%.                    Deposited energy fraction as a function of incident
                                                                          electron energy
 İlhan Tapan                    İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri             UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                                55
Simulation- alateral


   alateral




                  Intrinsic energy resolution (a lateral) for the 1x1, 3x3 and 5x5
                  crystals matrices as a function of incident electron energy



 İlhan Tapan       İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri             UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                   56
Simulation- ape

PbWO4 – APD Simulation
The light generated by 0.2-100 GeV electrons in the PbWO4 crystal
has been obtained using with the GEANT4 simulation code.


                                    electron




       APDs




  The Single Particle Monte Carlo technique has been used to
  calculate APD output signals and their fluctuations
İlhan Tapan       İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                        57
Simulation- ape

Cherenkov and scintillation lights in the electromagnetic shower




                                                                                   As the scintillation light is
                                                                                   emitted in the wavelength
                                                                                   region of 320 nm to 600 nm
                                                                                   peaking at around 420 nm,
                                                                                   the Cherenkov light is
                                                                                   emitted with a characteristic
                                                                                       spectrum.




              Cherenkov, scintillation and total photons spectrums at the end of the crystal


İlhan Tapan                     İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri           UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                              58
 Simulation- ape                                           PbWO4 Spectrums for 1 GeV electron

                                  Cherenkov Spectrum                                             Cherenkov Spectrum


              Number of photons




                                  Scintillation Spectrum                                        Scintillation Spectrum




Number of                                                                       Number of
generated                                                                       photons
photons in                                                                      at the end
the crystal                                                                     of the
                                                                                crystal

                                                                                                 Spectrum
                                  Spectrum




                                                                        Wavelength (nm)
İlhan Tapan                                İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri           UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                                         59
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    60
Simulation- ape

       Photon absorption by APD




                                                      Number of photons


  Quantum efficiency variation with wavelength
  for the S8148 APD structure

                                                                                                                  Wavelength (nm)


                                                                          Total photons spectrums at absorbed in the APD




İlhan Tapan                 İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri                      UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                                     61
Simulation- ape


• A Single Particle Monte Carlo code

• by tracking the generated charge carriers through the APD

• motion of particles is spatially restricted in the device model

• each charge carrier is assumed to be independent of the
others

• diffusion, drift and impact ionisation processes

• the charge released by an incident photon or by an impact
ionisation can modify externally applied field


İlhan Tapan       İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                        62
Simulation- ape

Avalache gain, number of electrons left from the avalanche
region per number of primary photoelectrons entered.

 As the photon absorbtion depth is a function of wavelength,
 the charge generation in the avalanche region decreases the
 avalanche gain and increases the excess noise factor.




                  APD Gain and excess noise as a function of wavelength
İlhan Tapan       İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri     UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                          63
Simulation- ape

  The behaviour of the mean signal and its fluctuation results
  from the combined effect of the wavelength dependent
  absorption coefficient of the incident photons and of the
  depth dependent avalanche gain in the depletion.




              APD Signal variation versus wavelength               Relative fluctuation in the APD signal versus wavelength

İlhan Tapan                    İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri             UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                               64
Simulation- ape


  APD Signal fluctuation or photo-electron statistics
  contribution on stochastic term has been calculated for
  Cherenkov, scintillation and total photons from PbWO4 .




                                                  Relative fluctuation in the APD signal (a pe) as a function of
                                                  incident electron energy

İlhan Tapan       İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri              UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                   65
Simulation- stochastic term a




              Stochastic term (a) variation as a function of incident electron
              energy for 3x3 crystal matrice




İlhan Tapan     İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri           UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                              66
Simulation results- stochastic term a

   For 1 GeV incident electrons
    ape (photo-electron contribution) : 2.07 %
    alateral                       For 3x3 crystal matrice: 1.90 %

                                    For 5x5 crystal matrice: 1.42 %


      The total the stochastic term contribution to the energy resolution
      for 3x3 matrice

                                                                                         %
      The CMS test beam results : 2.8 %

     CMS Collaboration, 2008. JINST 3 S08004, The CMS experiment at the LHC, p.90
İlhan Tapan                 İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri    UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                                   67
Sintilasyon Detektörleri- Hızlandırıcılarda Kullanımı

Demet Konum Monitörü- Sintilatör Ekran

Demetin önüne bir sintilatör ekran konularak, çıkan ışığın bir CCD
kamera ile görüntülenmesine dayanan tahribatlı bir yöntemdir.




İlhan Tapan      İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                       68
Son




                                  Teşekkürler




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    69
Ek




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    70
Elektromanyetik Radyasyonun Madde ile Etkileşmeleri


Deteksiyonda rol oynayan üç önemli E.M. etkileşme fotoelektrik
soğurum, compton saçılması ve çift oluşumudur




İlhan Tapan     İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                      71
Elektromanyetik Radyasyonun Madde ile Etkileşmeleri

Fotonun yapacağı etkileşme türü enerjisine bağlı olarak değişir

                                                 Fotoelektrik soğurum keV
                                                 mertebesindeki enerjilerde gerçekleşir

                                                 MeV mertebesindeki enerjilere doğru
                                                 gidildikçe compton saçılması baskın
                                                 duruma gelir

                                                Yüksek enerjilerde ise çift oluşumu
                                                baskın duruma geçer.



İlhan Tapan        İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri    UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                          72
Gazlı Detektörler- Örnek: Foton Akısı ölçümleri

  Gaz Monitör Detektörü:
  Gaz monitör detektörü, foton akısı ölçümlerinde kullanılmaktadır. Foton
  demet diyagnostiğinde kullanılan en önemli araçlardan biridir. Detektör
  bir soy gazın foto-iyonizasyonuna dayalı çalışmaktadır. Klasik
  detektörlerden daha düşük parçacık yoğunluğuna sahip olan gaz
  detektörler, transparent olmaları nedeni ile demete zarar vermeyen bir
  detektör olarak kullanılabilmektedir. Genellikle detektörün yapısı ve
  çalışma prensibi açısından en iyi performansı sağladığından Xenon gazı
  kullanılmaktadır. Detektör içinde foto-iyonizasyon ile üretilen elektronlar
  ve iyonlar, oluşturulan homojen bir elektrik alan vasıtasıyla farklı
  yönlerde hızlandırılarak toplanabilmektedirler. Elektrik alan şiddeti
  üretilen yüklü parçacıkların hepsini toplayabilecek büyüklükte olmalıdır
  ( yaklaşık 400 V/cm). Tek bir foton pulsu ile gaz içinde çok sayıda yüklü
  parçacık oluşturabilir, oluşan yüklü parçacıkların deteksiyonu Faraday
  kafesleri kullanılarak yapılmaktadır (Şekil sonraki sayfa). Detektörden
  geçen fotonların sayısı (Nfoton), detekte edilen parçacıkların
  (iyonlar/elektronlar) sayısı (Nparticle) yardımı ile belirlenir
İlhan Tapan         İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                          73
Faraday Kabı
Demetin taşıdığı yük miktarına bağlı olarak demet akımını ölçer.
Doğrudan demetin önüne konulduğu için demet yapısına zarar
vererek ölçüm yapan bir sistemdir.




Kap, Cu, Pb gibi iletken malzemeden oluşmaktadır. Malzemenin türü
ve L kalınlığı demetin E enerjisine bağlı olarak seçilir. Malzemede
birim uzunluk başına enerji kaybı dE/dx olmak üzere L= E/(dE/dx)
olmalıdır. Yaklaşık 0.4 m kalınlığındaki bakır, 1 GeV enerjili
elektronları durdurmak için yeterlidir.
İlhan Tapan      İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                       74
İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    75
Sintilasyon Detektörleri- Kalorimetrelerde Kullanımı




İlhan Tapan   İyonizasyon ve Sintilasyon Detektörleri   UPHDYO-VI, 2-7 Eylül 2010, Bodrum-Türkiye
                                                                                                    76

								
To top