Gazlı ve Yarıiletken Detektörler İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi

PARÇACIK DETEKTÖRLERİ I:
Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
İlhan TAPAN
Uludağ Üniversitesi
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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, gazlıyarıiletken ve sintilasyon detektörleri.
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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.
2 2 2

2
m
c
 
dE
Z
1

2
2 2
2
e

 4N A re me c z
ln
  
2 
dx
A 

2
z gelen parçacığın yükü,
Z ve A ortamın atom numarası ve atom ağırlığı,
me ve re elektronun durgun kütlesi ve yarıçapı,
N A Avagadro sayısı,
I ortamın iyonizasyon ve uyarma potansiyeli,
 Lorentz faktörü (E/mec2),
 parçacığın rölativistik hızı (V/c) ve
 yoğunluk etkisi
İfade ortamın durdurma gücü veya diferansiyel enerji kaybı
olarak da adlandırılır.
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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.
İyonize edici
radyasyon
İyonize edici
radyasyon
İlhan Tapan
1 cm
Argon
1 cm
Germanyum
dE/dx = 2.12 × 10-3 MeV/cm
Wi = 26 eV
~ 80 e-iyon çifti/cm
dE/dx = 7.29 MeV/cm
Wi = 2.9 eV
~ 2.5 × 106 e-hole çifti/cm
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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,
L ( ) 
 1

exp  (  e  )
2
 2

1
, en muhtemel enerji kaybından olan sapmadır,

İlhan Tapan
E  E

W

Bethe-Bloch formülündeki ortalama enerji kaybı,
E W en muhtemel enerji kaybı,
E gerçek enerji kaybıdır.
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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
Wi
E parçacığın toplam enerji kaybı
Wi Bir elektron-iyon çifti üretmek için gerekli
ortalama enerji
(gazlar için ortalama 30 eV civarındadır)
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
7
Gazlı Detektörler-Elektrik Alan Etkisindeki Yükler
Bir elektrik alan uygulandığında, gaz içerisinde oluşmuş
elektron-iyon çiftleri elektrik alan boyunca harekete zorlanırlar.
Bu hareket esnasında elektronlar gaz atomları ile çarpışarak
bir ortalama hıza -sürüklenme hızına (vdrift )- ulaşırlar.
e
E
vdrift =
2m
, 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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
10
Gazlı Detektörler-Elektrik Alan Etkisindeki Yükler
Eğer detektör içerisindeki elektrik alan değişken ise,
N = N0 exp
x2

    x dx 
 x1

x1 elektronun harekete başlama konumu,
x2 kontağın (Anot) konumu.
Katot yarıçapı b
V anot teline uygulanan voltaj,
r anot telinden olan uzaklık,
a anot telinin yarıçapı ve
b tüpün yarıçapıdır.
V
E (r ) 
r ln( b / a)
+
+
+
İlhan Tapan
+
+
+
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
Anot yarıçapı a
+
+
+
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
11
Gazlı Detektörler-Yük Kazancı
Gaz detektörler için yük çoğalma faktörü ya da kazancı,
M = N / N0 = ex = exp
x2

    x dx 
 x1

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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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.
  Ni
 S 

  
 S 
 Ni
2
İlhan Tapan
2
  1   M 
   


  N i  M 
2
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, 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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
16
Gazlı Detektörler-Yaşlanma (Aging)
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
17
Gazlı Detektörler-Yaşlanma (Aging)
THE ANODE WIRE DEPOSITS SAGA, kazanç kayıplarına yol açıyor
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
18
Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
19
Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
20
Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
21
Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
22
Gazlı Detektörler- Hızlandırıcılarda Kullanımı
Gaz Monitör Detektörü – Foton akısı ölçümü
Detektörden geçen fotonların sayısı, detekte edilen parçacıkların
(iyonlar/elektronlar) sayısına bağlı olarak bulunur.
N photon 
İlhan Tapan
N particle

N particle
Q.E.(h )  ph (h )  z    natom
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
23
Gazlı Detektörler- Hızlandırıcılarda Kullanımı
Demet kayıp monitörü – Kaçak ölçümü
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 parçacıkları veya ışınları
detekte etmek için kullanılırlar.
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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
24
Gazlı Detektörler- Hızlandırıcılarda Kullanımı
Demet kayıp monitörü – Kaçak ölçümü
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
25
Yarıiletken Detektörler
Yarıiletken detektörler nükleer ve yüksek
deneylerinde önemli bir geçmişe sahiptirler.
enerji
fiziği
İlk sinyal, 1951 yılında ters besleme voltajı uygulanmış
germanyum diyod üzerine  parçacıklarının düşürülmesi ile
gözlenmiştir
Yüksek enerji fiziği deneylerinde kullanılan ilk silikon detektör
dE/dx ölçümleri için tasarlanmıştır
Bir yarıiletken detektör yapmak
için, katkılanmış p ve n tipi
yarıiletkenlerden p-n eklemi
oluşturmak gerekir.
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
26
Yarıiletken Detektörler-Yük Taşıyıcılarının Oluşumu
Eklem içerisine giren ve enerjisi yarıiletkenin bant aralığı
enerjisinden daha yüksek olan foton, değerlik bandındaki
elektronu geride bir hol bırakacak şekilde iletkenlik bandına
uyarabilir
p-n eklemi içerisine giren fotonların soğurulmalarının konuma
bağlı değişimi,
N ( x)  N o e  x
x eklem içerisinde alınan yol, fotonun soğurulma katsayısıdır
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
27
Yarıiletken Detektörler-Yük Taşıyıcılarının Oluşumu
Foton soğurma katsayısının dalga boyuna bağlı değişimi (Si içerisinde)
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
28
Yarıiletken Detektörler- E alan altında yükler
Yarıiletken içerisinde bulunan yük taşıyıcıları, gelişi-güzel termik
hareket yaparlar fakat net olarak yer değiştirme yapamazlar.
Elektrik alan ( 2x102 V/cm) yarıiletkene uygulandığında, her bir yük
taşıyıcı elektrik alan doğrultusunda bir hız bileşeni kazanır. Bu
ilave hız sürüklenme hızı olarak adlandırılır.
Ve , V h 
Vs
 
1   0
   s




1



Eğer E alan değeri yeterince yüksek ise (>1x105 V/cm), yük
taşıyıcıların kinetik enerjileri çarpışma iyonizasyonu eşik
enerjisinden (impact ionization threshold) daha büyük
değerlere ulaşabilir
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
29
Yarıiletken Detektörler- E alan altında yükler
elektron ve hol için çarpışma iyonizasyonu tesir kesitleri
(impact ionization cross section), bir tek elektron yada holün
elektrik alan doğrultusunda yol alırken birim uzunluk başına
ürettiği e-h çifti sayısı olarak tanımlanır.
İyonizasyon tesir kesitleri elektrik alan şiddetine ve sıcaklığa
bağlı olup şu şekilde verilirler
T Kelvin derecesinde sıcaklık, E V/cm biriminde elektrik alandır
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
30
Yarıiletken Detektörler-Çığ Kazancı ve Kırınımı
İç kazanç (M), kontağa ulaşan yük taşıyıcılarının, fotonlar
veya yüklü parçacıklar tarafından üretilen birincil yük
taşıyıcılarına oranı olarak tanımlanabilir.
Çığ bozunumu olduğunda oluşan sonsuz sayıdaki e-h çifti,
kazancın sonsuz olmasına sebep olacaktır
Elektron ve hol için iyonizasyon tesir kesitlerinin eşit olduğu
durumda çığ kırınımı ifadesi;
wa

 e dx  1
0
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
31
Yarıiletken Detektörler-Tekrar Birleşme
Tekrar birleşme, detektör hacmi içerisinde yol alan elektronların
tamamlanmamış bağ yapısına sahip atomlar tarafından
yakalanması ile gerçekleşir.
Tekrar birleşme yapan yük taşıyıcıları artık serbest değildirler,
elektrik alan tarafından kontaklara sürüklenemez ve sinyale
katkıda bulunamazlar.
Detektör içerisinde oluşturulan yük taşıyıcılarının tekrar
birleşme yapma olasılığı zamanla şu şekilde değişir

yük taşıyıcılarının yaşam süresidir
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
32
Yarıiletken Detektörler-Radyasyon Hasarı
Özellikle yüksek enerji ve nükleer fizik deneylerinde kullanılan
yarıiletken detektörler, içerisinde bulunduğu ortamdaki yüksek
radyasyondan etkilenirler.
Radyasyon yarıiletken malzemenin yapısında bozulmaya
neden olarak detektörün çalışma performansını etkiler.
Radyasyon hasarı ile yarıiletken malzemede oluşan
mikrosobik etkiler, detektörde makroskobik etkiler oluşturur
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
33
Yarıiletken Detektörler-Mikroskobik Etkiler
Hadronlar ve yüksek enerjili leptonlar yarıiletken içerisine
girdiğinde örgüdeki bir atomu yerinden ederek onun örgü
içerisinde başka bir yere gitmesini sağlar. Böylece örgü atomları
arasına girmiş bir atom ve geride ondan kalmış bir boşluk
oluşur.
Bu çifte Frenkel çifti ve radyasyon tarafından oluşturulan bu tür
kusura nokta kusuru denir.
Silikon içerisinde nokta kusuru
oluşturmak için gereken enerji:
nötronlar için 185 eV,
elektronlar için 255 keV’ dir
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
34
Yarıiletken Detektörler-Mikroskobik Etkiler
Gelen radyasyonun enerjisi arttığında, örgüdeki daha çok atom
daha fazla enerjiye sahip olarak yerinden ayrılacak ve bu
enerjik atomlar da yeni Frenkel çiftleri oluşturabileceklerdir. Bu
şekilde oluşan kusura da demet kusuru denir
Silikon içerisinde demet kusuru
oluşturmak için gereken enerji:
nötronlar için 35 keV,
elektronlar için 8 MeV’ dir
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
35
Yarıiletken Detektörler-Mikroskobik Etkiler
Farklı tip ve enerjilerdeki radyasyonun, yarıiletken malzemede
yaptığı değişim iyonize etmeyici enerji kaybı (Non-Ionizing
Energy Loss NIEL) kavramı olarak adlandırılır.
İlhan Tapan
Parçacık tipi
Nokta kusuru
Demet kusuru
Nötron
x
xxxxx
Hadron (p, π-, π+, vb.)
xxxx
xx

xxxxx
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
36
Yarıiletken Detektörler-Makroskobik Etkiler
Radyasyon hasarı detektörün yapıldığı yarıiletken malzemenin
etkin katkı konsantrasyonunu (Neff) değiştirir. Böylece
başlangıçta n-tipi olan bir malzeme artan akı ile tip
değiştirerek p-tipi olur.
Nötron akısında bağlı olarak katkı konsantrasyonundaki değişim
N eff   N D exp  cD   
cD verici yok olma sabiti (donor removal coefficient) ve  alıcı
giriş oranıdır (acceptor introduction rate).
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
37
Yarıiletken Detektörler-Makroskobik Etkiler
Radyasyon yarıiletken malzemenin enerji band aralığı içerisinde
yeni elektriksel aktif seviyeler oluşturur, bu seviyelerde e-h
oluşumu detektörde bir kaçak akıma neden olur.
Detektörde, birim hacimde kaçak akımdaki değişim
I R / V   (T , t ) 
(T,t) sıcaklığa ve zamana bağlı hasar parametresidir
Yüklerin ortalama ömürlerindeki değişim 1 /  eff e ,h   e ,h  
e,h yük taşıyıcıların yakalanma olasılığıdır
Sabit bir çalışma voltajı altında detektörün yük toplama verimi
(charge collection efficiency, CCE) yük taşıyıcıların ortalama
ömründeki azalmaya bağlı olarak azalacaktır.
CCEe,h
İlhan Tapan
2
  drift
 w
   exp  
  eff
d 
e,h

Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler




UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
38
Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot
Bir çığ fotodiyot (APD), orantılı gaz detektörün benzeri olan ve
temel olarak, p ve n tipi yarıiletkenlerin birleştirilmesiyle oluşmuş
ters besleme voltajı ile çalışan yarıiletken bir detektördür.
CMS ECAL da kullanılan Hamamatsu reach-through APD
yapısı da böyle bir yapıya sahiptir.
Kuantum verimi
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
39
Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
40
Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot
CMS ECAL’ da yaklaşık 120000 adet çığ fotodiyot (APD),
PbWO4 kristali içerisinde oluşan fotonları doğrudan detekte
edebilmek için kristalin uç kısmına yerleştirilmektedir
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
41
Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot
Orantılı bölgede çalışan çığ fotodiyotlarda, alınan sinyalin
büyüklüğü ile üzerine düşen foton adedi orantılıdır. Bu orantılılık,
detektörün kuantum verimi ile iç kazancına bağlıdır. Orantılı
bölgede çalışan bir çığ fotodiyot için, kontağa ulaşan yük
taşıyıcıları tarafından oluşturulan sinyaldeki dalgalanma şu
şekilde ifade edilebilir
  Ni
 S 

  
 S 
 Ni
2
Yarıiletken detektörlerde
gürültü (excess noise),
İlhan Tapan
2
  1   M 
   


  N i  M 
kazançtaki
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
2
dalgalanmalar
ilave
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
42
Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot
Oluşan birincil yük taşıyıcı adedindeki dalgalanma oranı,
 Ni
Ni

1
Ni
olmak üzere, sinyal dalgalanması ifadesinde yerine konulduğunda
2
2
1  M 
S 
1  2 

 
N i 
M 
 S 
parantez içerisindeki terim ilave gürültü faktörüne karşılık
geldiğinden, kalorimetrede kullanılan bir APD’ nin sinyal
dalgalanması,
S
S
İlhan Tapan

F
Ni
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
43
Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
44
Gaz + Yarıiletken Detektör: GOSSIP
GOSSIP: Gas On Slimmed SIlicon Pixels
In GOSSIP, Electron-ion pairs are created, along the track, in the thin gas-filled drift gap.
The electrons drift towards a grid which is placed parallel to the (pixel) anode. A strong
electric field is applied in the gap between grid and anode, causing electron avalanches
and, consequently, gas electron multiplication. The avalanche charge induces a signal on
the pixel input pad.
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
45
Son
Teşekkürler
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
46
Ek
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
47
Elektromanyetik Radyasyonun Madde ile Etkileşmeleri
Deteksiyonda rol oynayan üç önemli E.M. etkileşme fotoelektrik
soğurum, compton saçılması ve çift oluşumudur
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
48
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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
49
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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
50
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
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
51
Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot
İlhan Tapan
Parçacık Detektörleri I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler
UPHDYO-VII, 21-26 Ağustos 2011, Bodrum-Türkiye
52