gem detektorok és szimulációjuk a cern lhc totem...

GEM detektorok és szimulációjuk a CERN LHC TOTEM kísérletben

Lucsányi Dávid, Wigner FK RMI

2013.11.18.

> Az LHC TOTEM kísérlet

- TOTEM mérések és eredmények

- A T2 teleszkóp

- GEM detektorok

- Új, szilíciumalapú GEM

- GEM szimulációk

Lucsányi Dávid, 2013.11.18. 2

LHC TOTEM

3 Lucsányi Dávid, 2013.11.18.

LHC TOTEM

TOTal cross section, Elastic scattering and diffraction dissociation Measurement

T2 telescope

T1 telescope

Roman Pot


- Az LHC TOTEM kísérlet

> TOTEM mérések és eredmények

- A T2 teleszkóp

- GEM detektorok


- GEM szimulációk


TOTEM mérések és eredmények

Pszeudo-rapiditás:

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

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



Hatáskeresztmetszetek, köztük a 𝝈𝒕𝒐𝒕 mérése a különböző események számából : σtot = 98,3 ± 0,2stat

± 2,8syst mb s = 7TeV (Best of 2011collection – EPL)



Alacsonyenergiás kvantum-színdinamika a diffraktív folyamatokból

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



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




> A T2 teleszkóp

- GEM detektorok


- GEM szimulációk


T2 teleszkóp

11

Pozíció: IP5-től ±13,56 méterre

Rapiditástart.: 5,3 ≤ |η| ≤ 6,5

Feladata: Ninel mérése

2∙2∙5 db GEM detektor alkotja

Lucsányi Dávid, 2013.11.18.

T2 teleszkóp




- A T2 teleszkóp

> GEM detektorok


- GEM szimulációk


GEM (Gas Electron Multiplier) detektorok

14

Micropattern Gaseous Detector (MPGD)

Fabio Sauli 1996

Erősítés: 10-100x

RD51 Collaboration


GEM detektorok

15

Gyártástechnológiák, típusok 1. CERN-ben kifejlesztett, eredeti GEM fólia

• wet etching (kémiai marás) • ~50 μm vastag kapton • ~50-100 μm átmérőjű lyukak • egymástól ~100-200 μm távolságra

2. Vastag GEM (THGEM) • fúrás • ~400 μm vastag nyák lemez • ~400 μm átmérőjű lyukak • egymástól ~800 μm távolságra • Karima (rim)

3. Többrétegű GEM • többfokozatú erősítés (8000x) • kisebb valószínűség kisülésre • 2D readout board • TOTEM T2 GEM

4. Egyéb


GEM detektorok

16

Proporcionális kamrák

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


GEM detektorok

17

Bethe-Bloch formula 𝑑𝐸

𝑑𝑥=4𝜋𝑁𝑒4

𝑚𝑐2𝛽2𝑍2 ln

2𝑚𝑐2𝛽2𝛾2

𝐼− 𝛽2

m – elektron nyugalmi tömege Z – detektálandó részecske töltése N – gáz elektronsűrűsége I – átlagos gerjesztési energia ≈ 𝑍 ∗ 10 𝑒𝑉

𝛽 =𝑣

𝑐

𝛾2 =1

1 − 𝛽2

Univerzális: azonos töltés esetén minden részecskénél csak 𝛽 értékétől függ. Minimum Ionizing Particle: minimális energiaveszteséget szenvedő részecskék,

ehhez kell, hogy 𝐸𝑘𝑖𝑛𝑀𝐼𝑃 > 2𝐸0

𝑀𝐼𝑃 teljesüljön a részecskére MIP Argonban: 100 e/cm

Energiaveszteség egységnyi úthosszon

𝑊 𝑁𝐼𝑜𝑛 = 𝐿𝑑𝐸

𝑑𝑥


GEM detektorok

18

Ionizáció - Elsődleges ionizáció: detektálni kívánt részecske (p) okozza - Másodlagos ionizáció: elsődleges ionizációból származó részecske (e)

okozza Az ütközés nem csak ionizációt, hanem gerjesztést is okoz. Argon esetében: Eion = 15,76 eV

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


GEM detektorok

19

Gázkeverék A gerjesztett Ar UV fotonokat bocsát ki kioltó (quenching) gáz, a fotoeffektus elkerülésére, ez lehet pl. CO2 Ar/CO2 (70:30) gázkeverék A gázkeverék típusától és arányától erősen függ a gáz erősítése Penning-effektus: (plusz járulék az erősítésben, ezért nem használhatók a townsend együtthatók)

𝐸𝑔𝑒𝑟𝑗𝐴𝑟 > 𝐸𝑖𝑜𝑛

𝐶𝑂2

𝑟𝑝 - Penning átadási hatásfok


GEM detektorok

20

Elektromos tér


GEM detektorok

21

Elektromos tér


GEM detektorok

22

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


GEM detektorok

23

Előnyök

• Robosztus • Jó térbeli felbontóképesség és mintázat felismerés • Sok részecske egyidejű

detektálhatósága • Méret és geometria független • Olcsóbb, mint a Si detektor • Jó öregedési tulajdonságok

Hátrányok • Nagyfeszültség okozta átütések,

kisülések THGEM • Ion backflow THGEM • Gyártásból adódó felülethibák • Dinamikusan változó, instabil

erősítés a feltöltődés miatt • Kevésbé sugárzásálló, mint a Si

detektor




- A T2 teleszkóp

- GEM detektorok

> Új, szilíciumalapú GEM

- GEM szimulációk


Új, szilíciumalapú GEM

25

Helsinki Institute of Physics - Detector Development THGEM szilíciumból: 350-400 μm vastag, 300 mm átmérőjű Si szeletek Fizikai gőzfázisú rétegleválasztással 1 μm vastag Al fémezés Mély reaktív ionmarással bármekkora, tökéletes henger alakú lyukak Sugárzástűrő képesség növelése Már Fabio Sauli is megemlítette 1996-os cikkében a feltöltődés jelenségét, mint problémát, és két megoldási módot is közölt:

• Lyukak 1014 – 1016 Ω/□ -es réteggel történő bevonása • Dielektrikum 1010 – 1013 Ω∙cm ellenállású rétegből

DE, az intrinsic Si fajlagos ellenállása 300 K-en max. 3∙ 105Ω∙cm! ÖTLET: Nagy ellenállású, sugárzástűrő Si ((very) high resistivity, radiation hard Si)


Új, szilíciumalapú GEM

26

Nagy ellenállású, sugárzástűrő Si A szennyezők csökkentésével egyre nagyobb tisztaságú és ellenállású szilíciumot kapunk. Nagyenergiás ionizáló sugárzás Frenkel-hibákat okoz egymástól izolált helyeken vagy kaszkádosan (cluster hiba) csökken az ellenállás, nő a szivárgási áram, a zaj, a kiürített réteghez szükséges feszültség, a kisülés valószínűsége Si gyártás: - Diffused Oxygen Float Zone (DOFZ) technológia - High Temperature, Long-time (HTLT) oxidáció Ezzel már nagy oxigéntartalmának köszönhetően sokkal sugárzásállóbb, nagy ellenállású szilíciumot sikerült előállítani - Egykristálynövesztés mágneses Czochralski módszerrel Ezzel elvileg hamarosan elérhető lesz MΩ∙cm-es ellenállású Si szeletek gyártása VÁRHATÓ EREDMÉNY: Sokkal sugárzásállóbb GEM, feltöltődés nélkül Nehézségek, optimalizáció




- A T2 teleszkóp

- GEM detektorok


> GEM szimulációk


GEM szimulációk

28

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

Geometriai modell


GEM szimulációk

29

Végeselem szimuláció Előkészítés: • Geometria • Anyagi paraméterek • Kezdeti- és peremfeltételek • Hálógenerálás Megoldás (iteratívan, numerikus módszerrel): • Háló minden pontjában az ismeretlen változók meghatározása • Hibabecslés és konvergencia ellenőrzés Konvergens? Nem: hálófinomítás Igen: kilépés az iterációból Feldolgozás: • Field Map • Grafikonok • Trajektóriák…

Ha a detektorban az elektromos teret akarjuk megkapni, akkor a programmal a Poisson egyenletet kell megoldatni:

−𝛁 ∙ 𝜀0𝜀𝑟𝛁𝜙 = 𝜌


GEM szimulációk

30

Végeselem szimuláció eredménye: Field map


GEM szimulációk

31

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

𝑁𝜎(𝜀(𝑠))𝑑𝑠𝑠1

𝑠0

= −𝑙𝑛(1 − 𝑅)

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


GEM szimulációk

32

Garfield++: Egy ROOT-ba épülő programcsomag, ami lehetőséget nyújt szinte bármilyen gáztöltésű detektor Monte Carlo szimulációjára C++ nyelven.

• Field Map (végeselem szimulációból) • Heed • Magboltz


Eredmények

33

Szimuláció sorszáma: 1 2 3 4 5

GEM lyuk átmérő (µm): 300 300 400 400 300

Karimaszélesség (µm): 1 100 100 1 1

UGEM (V): 1000 1100 1100 1000 1100

Összes elektron eseményenként: 27,7 2,8 1,3 12,1 93,9

Lavina kialakulásának aránya (%): 71,09 62,00 53,70 85,10 72,26

Detektálás hatásfoka

lavina esetén (%): 41,96 58,41 57,07 47,30 39,61

Effektív erősítés: 16,38 2,59 1,43 6,75 51,48

Változtatott paraméterek: lyukátmérő, karimaszélesség, UGEM

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


34

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

Eredmények


35

A szekunder elektronok keltési pontjai a lyukakban (bal oldal) és az anódon becsapódó elektronok térbeli eloszlása (jobb oldal) Nyaláb fókuszáltság kissé változik, de ez a felbontó-képességet nem befolyásolja (csak a kiolvasó szálak és lyukak távolsága) az átmérő növelhető!

Eredmények


36

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

Eredmények

Nagyobb térerősség és kisebb karimaszélesség

esetén (optimális)

Optimális eloszlás, de túl nagy amplitúdó


37

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

Eredmények

1 μm

100 μm |E|


38

Összefoglalás

A Si alapú GEM erősítését és hatásfokát a lyuk átmérője, a karima szélessége és a feszültség egyaránt jelentősen befolyásolja, egymástól nem függetlenül. - Si alkalmazása sugárzásállóbbá teszi a detektort - Ez várhatóan megszünteti majd a feltöltődés problémáját is - És az átütés kockázata is csökkenhet - Karimaszélesség optimalizálása (1 és 100 μm között) - A GEM feszültség növelhető az erősítés jelentősen növekedni fog - A hatásfok a lyukak átmérőjével nem jelentősen, de növelhető a felbontás

romlása nélkül További feladatok (időfüggő szimulációk, prototípus, validálás, Garf++) A ROOT, Garfield++ és végeselem szimuláció nagyon hasznos és hatékony eszközök a részecskefizikai detektorok fejlesztéséhez A GEM detektorok mára nélkülözhetetlenné váltak a részecskefizikai alapkutatásban, és a Si alapú GEM ígéretes alternatíva, ami 2018-ban akár le is válthatja a jelenleg használt detektorokat.


Köszönöm a figyelmet!

gem detektorok és szimulációjuk a cern lhc totem...

Documents