Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:17-6 44 CMS

Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:17-6
CMS-CASTOR ALT DETEKTÖRÜNÜN FOTOTÜPLERİNİN DOĞRUSALLIK VE
*
TOPLAMA VERİMLİLİĞİ TEST SONUÇLARI
The Test Results of Linearity and Collection Efficiency for CMS-CASTOR Sub
Detector’s Phototubes*
Sertaç ÖZTÜRK
Fizik Anabilim Dalı
Gülsen ÖNENGÜT
Fizik Anabilim Dalı
ÖZET
CASTOR kalorimetresi CMS deneyinin bir alt detektörüdür ve özellikle ağır
iyon çarpışmalarında çok önemli bir rol oynayacaktır. Çarpışma sonucu üretilen
yeni rölativistik yüklü parçacıklar CASTOR kalorimetresinden geçerken Cherenkov
ışınımına sebep olacaktır. Bu ışınım fototüpler tarafından varlanacak ve
parçacıkların türleri ve enerjisi hakkında bilgi sağlayacaktır. Her detektör bileşeni
gibi fototüplerinde detektöre monte edilmeden önce bazı testlerden geçirilmesi
zorunludur.
Bu çalışmada CASTOR fototüpleri için doğrusallık ve toplama verimliliği
incelenmektedir.
Anahtar Kelimeler: BHÇ, CMS, CASTOR, Kalorimetre, Fototüp.
ABSTRACT
CASTOR is a sub-detector of the CMS experiment and it will play very
important role in heavy ion collisions. The new charged relativistic particles
produced by collision will cause Cherenkov light passing through CASTOR
calorimeter. This Cherenkov light will be detected by phototubes and provides
information about the type and energy of particles. Like any component of a
detector, phototubes have to be tested before assembling.
In this tesis, it investigates the linearity and collection efficiency for
CASTORs phototubes.
Key Words: LHC, CMS, CASTOR, Calorimeter, Phototube.
Giriş
Yüksek enerji fiziği, maddeyi oluşturan temel parçacıkları ve etkileşmeleri
inceleyen bir fizik dalıdır. Bu etkileşmeleri açıklamak için standart model (SM)
adında bir kuram geliştirilmiştir. SM atom altı dünyayı anlamamızı sağlayan en
geçerli ve en iyi kuramdır. SM birçok deneysel testten başarı ile çıkmasına rağmen,
açıklayamadığı bazı sorular vardır. Bu da SM’ in ötesinde yeni fikir ve teorilerin
doğmasına neden olmuştur. Ortaya atılan bu yeni teorilerin geçerli olması için
mutlaka deneysel olarak gözlemlenmesi ve doğrulanması gerekir. Bu amaçla 2007
yılının sonlarına doğru çalıştırılması planlanan ve dünyanın en büyük ve en güçlü
parçacık hızlandırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) inşa edilmiştir.
Çevresi yaklaşık 27 km olan BHÇ de, kütle merkezi enerjisi 14 TeV olan iki proton
44
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:17-6
huzmesi kafa kafaya çarpıştırılacaktır. BHÇ halkası üzerindeki dört temel deneyden
biri olan CMS deneyidir.
CMS detektörü, eklenecek iki ileri kalorimetre (CASTOR VE ZDC) ile
birlikte BHÇ deki ağır iyon çalışmalarında kullanılmak için uygun hale gelecektir.
Ağır iyon-ağır iyon çarpışmalarında nükleer maddeyi çok yüksek enerjilerde
incelemek, kuarkların hapisten kurtuluşunu, kuark-gluon plazmasının özelliklerini
incelemek mümkün olacaktır (Dumanoglu,2003).
CASTOR (Centauro And STrange Object Research) CMS dedektörünün
bir alt kalorimetresidir. Çarpışma sonucu oluşan rölâtivisttik yüklü parçacıklar,
CASTOR kalorimetresinden geçerken oluşturacakları Cherenkov ışınımı yoluyla
fotoçoğaltıcı tüpler tarafından algılanacaktır ve parçacıkların türleri ve enerjileri
hakkında önemli bilgiler sağlayacaktır. CASTOR kalorimetresinde kullanılacak olan
fotoçoğaltıcı tüpler Japon Hamamatsu şirketi tarafından üretilen R5380 üretim
numaralı fototüplerdir. . Her detektör parçası gibi, bu fotoçoğaltıcı tüplerinden
CASTOR kalorimetresine monte edilmeden önce test edilmesi gerekir. Bu test
edilmesi gereken kriterlerden iki tanesi fototüpün doğrusallığı ve toplama
verimliliğidir.
Materyal ve Metot
CASTOR detektöründe absorblayıcı madde, olası en küçük duş ebadını
vermesi için tungstendir. Duşun elektron pozitron bileşeni tungsten tabakalar
arasındaki ince kuvartz plakalar tarafından örneklenir. Hadronlar için sinyali
oluşturan  bileşenidir. Relativistik elektronlar ve pozitronlar kuvartz plakalardan
geçerken Cherenkov ışınımı oluştururlar. Kuvartzın kullanılmasının nedeni
radyasyonun verdiği zararlara karşı dayanıklı olmasından dolayıdır. CASTOR
detektörünün 10 ile 100 MGy aralığında radyasyona maruz kalması
beklenmektedir. Kuvartz plakalar Cherenkov ışınımını verimli bir şekilde yakalamak
için 45° lik bir açıyla eğdirilmiştir. Yedi tane kuvartz plakadan gelen ışık, 22,5° lik
azimutsal açı ile yerleştirilmiş hava ile doldurulmuş ışık kılavuzları tarafından
toplanır. Bu ışık kılavuzları fotoçoğaltıcı tüplere bağlıdır ve üretilen sinyal toplanan
ışık miktarı ile orantılı olacaktır (Norbeck ve ark.,2004).
Fotoçoğaltıcılar, ışığı ölçülebilir bir elektrik akımına dönüştüren aygıtlardır.
Oldukça duyarlıdırlar ve nükleer ve yüksek enerji fiziğinde daha çok sintilatör
detektörü ile birlikte kullanılırlar.
Fotoçoğaltıcılar, foto duyarlılığı yüksek materyalden yapılmış bir katot,
takiben bir elektron toplayıcı sistem, bir elektron çoğaltıcı bölüm ( dinotlar ) ve son
olarak son sinyalin alındığı bir anottan meydana gelmektedir. Bütün parçalar
havası boşaltılmış bir cam tübe yerleştirilmiştir. Çalışması boyunca bir yüksek voltaj
katot, dinot ve anoda uygulanır. Gelen bir foton fotokatotu etkilediği zaman, bir
elektron fotoelektrik etki ile yayımlanır. Uygulanan yüksek voltajdan dolayı, elektron
ilk dinota doğru yönelir ve hızlanır. İlk dinota çarparak enerjisinin bir kısmını
dinottaki elektronlara transfer eder. Bu ikincil elektronların yayımlanmasına neden
olur. Bu elektronlar da bir sonraki diğer dinota yönelir ve hızlanmaya devam eder.
Elektronlar sıradaki dinota çarpar ve yeni elektronların yayımlanmasını sağlar. Bu
45
0
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:17-6
olay böylece devam eder ve bir elektron şelalesi dinotlardan aşağıya doğru
oluşturulur. Anotta bu şelale, kuvvetlendirilebilir ve analiz edilebilir bir akım vermek
için toplanır (Leo,1993).
Bir fotoçoğaltıcının elektron çoğaltma mekanizması, elektronlar her bir
dinotta verimli biçimde çoğaltılsın diye elektronların yörüngeleri dikkate alınarak
tasarlanır. Yine de bazı elektronlar çoğaltma işlemine hiçbir katkıda bulunmadan
yörüngelerinden sapabilirler. Fotokatottan yayımlanan elektronların ilk dinotun etkin
alanına ulaşma olasılığı toplama verimliliği (α) olarak adlandırılır. Etkin alan
fotoelektronların yörüngelerinden sapmaksızın birbirini izleyen dinotlarda verimli bir
biçimde çoğaltılabildikleri ilk dinotun alanıdır. İkinci ve sonraki dinotlarda çoğalıma
katkıda bulunmayan ikincil elektronlar olmasına rağmen bunların genel toplama
verimliliğine katkısı azdır. Dolayısı ile ilk dinottaki fotoelektron toplama verimliliği
çok önemlidir (Hamamatsu,2006).
Bir fotoçoğaltıcının doğrusallığı dinot şeklinin tipine ve tüp içindeki akıma
kuvvetli bir şekilde bağlıdır. Genelde fotoçoğaltıcı doğrusallığı her dinottaki akımın
onu takip eden diğer dinot tarafından bütünüyle toplanmasını gerektirir. Böylece ilk
katot akımı ile tam orantılı bir akım elde edilir. Akımın toplanması, dinotlar arasına
uygulanan voltaja bağlıdır.
Araştırma ve Bulgular
CASTOR kalorimetresinde 80 tane foto çoğaltıcı tüp kullanılacaktır. Tüm
yüksek enerji fiziği deneylerinde kullanılmak istenen malzemeler için üretici
firmadan deney kriterlerini sağlayacak malzeme üretmesi beklenir. Ancak bu
kriterlerin sağlandığını garanti etmek için bu malzeme detektöre takılmadan önce
fizikçiler tarafından test edilmektedir. Bu amaçla CASTOR kalorimetresinde
kullanılacak olan fotoçoğaltıcı tüplerden 34 tanesi bazı testler yapılmak üzere
Çukurova Üniversitesi Yüksek Enerji Fiziği laboratuarına gönderilmiştir. Çukurova
Üniversitesi Yüksek Enerji Fiziği Laboratuarı 2005 yılında, DPT (Devlet Planlama
Teşkilatı) projesi desteği ile kurulmuştur. Burada yapılan ilk önemli çalışma
CASTOR fotoçoğaltıcı tüplerinin kalite kontrol testleridir.
Bunun için iki adet karanlık kutu yaptırıldı. Bunlardan bir tanesi zaman
yanıtlama parametreleri ölçümleri için, diğeri ise; kazanç, karanlık akım, doğrusallık
ve toplama verimliliği ölçümleri almak için kullanılmıştır. İki test düzeneği
birbirinden farklıdır. Zaman yanıtlama parametrelerini ölçerken amaç osiloskopta
fotoçoğaltıcı sinyalini görmekken, diğer sistemde amaç fotoçoğaltıcının anot
akımını ölçmektir. Fotoçoğaltıcıya uygulanan gerilimi değiştirmek ve verileri kayıt
etmek için LabView’ de yazılan programlardan faydalanıldı.
Doğrusallık: Bir kalorimetrenin verimi ve güvenilirliği kullanılan
fotoçoğaltıcıların geniş ışık şiddeti aralığında doğrusal olmasına bağlıdır. Bir
fotoçoğaltıcı varlanan ışığın şiddetiyle orantılı sinyal üretir. Eğer bir fotoçoğaltıcının
çıkışı (toplam yük veya akıma göre) gelen ışık şiddetinin miktarı ile orantılı biçimde
doğrusalsa, o fotoçoğaltıcı doğrusaldır. Doğrusallık iki farklı yolla ölçülebilir. DC
doğrusallık sürekli bir ışık kaynağı ile belirlenir ve temelde fotoçoğaltıcının dinamik
46
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:17-6
aralıklarını gösterir. Puls doğrusallığı ise fotoçoğaltıcının bir sinyalden sonra geri
dönüp yeni sinyale hazır olma karakteristiklerini gösterir (Akgun,2003).
Laboratuarda CASTOR fotoçoğaltıcılarının doğrusallıkları ölçülürken DC
metottan faydalanıldı. Bunun için halojen tungsten lamba kullanıldı. Işık kaynağının
önüne farklı optiksel yoğunluklara sahip absorplayıcı filtreler yerleştirilerek
fotoçoğaltıcının değişik ışık şiddeti miktarları için aydınlatılması sağlandı.
Fotoçoğaltıcının çıkışındaki anot akımı Keitley marka pikoampermetre tarafından
okundu.
Optiksel Yoğunluk
1,00E-03
0
1
2
3
4
5
6
7
1,00E-04
R2 = 0,9918
Anot Akımı
1,00E-05
1,00E-06
1,00E-07
1,00E-08
1,00E-09
1,00E-10
Şekil 1. 6982 numaralı fotoçoğaltıcı için 1000 V daki anot akımı – optiksel yoğunluk
grafiği.
Toplama Verimliliği: Fotoçoğaltıcıya gelen ışık fotokatotdan fotoelektrik etki
ile elektronlar kopartır. Yayımlanan elektronların sayısı fotoçoğaltıcının kuantum
verimliliğine bağlıdır. CASTOR fotoçoğaltıcıları için fotokatot bialkaliden yapılmıştır
ve 420 nm dalga boyunda kuantum verimlilik %28 dir. Bunun anlamı, fotokatota
100 tane foton çarptığında, yaklaşık olarak 28 tane fotoelektron fotokatottan
yayımlanmaktadır.
Aynı ışık şiddeti altında, fotokatottan hemen hemen eşit miktarda
fotoelektron yayımlanması ve katot akımının uygulanan voltaja bağlı olmaması
beklenir. Fakat gerçekte böyle değildir. Fotokatotdan yayımlanan fotoelektronlar
her yöne doğru olup, bunları ilk dinota doğru odaklayacak ve hızlandıracak bir
elektrik alan gerekmektedir. Oluşan elektrik alan şiddeti uygulanan voltaj ile
orantılıdır. Belli bir voltaj değerinden sonra elektrik alan şiddeti o kadar kuvvetlidir ki
47
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:17-6
yayımlanan tüm fotoelektronları toplayıp ilk dinota gönderir. Bu voltaj değerinden
sonra gerilim arttırılsa dahi katot akımının sabit kalması beklenir.
Filtresiz
250
O.Y.=0,1
O.Y.=0,3
Katot Akımı (nA)
200
150
100
50
0
0
50
100
150
Voltaj (V)
200
250
300
Şekil 2. 6665 numaralı fotoçoğaltıcı için katot akımı – voltaj grafiği.
Halojen tungsten lambanın önüne farklı optiksel yoğunluklu (O.Y.) filtreler
yerleştirilerek fotoçoğaltıcının katot akımları ölçüldü. Beklenildiği gibi yaklaşık 100
V civarında katot akımı doyuma ulaştı.
Sonuç
Yapılan testler sonucu fototüplerin iyi bir doğrusallığa sahip olduğu görüldü.
Şekil 1, 6982 numaralı fotoçoğaltıcı için DC doğrusallık ölçümünü göstermektedir.
R 2  0,9918  1 olması, fotoçoğaltıcının bu ışık şiddeti aralığında iyi bir
doğrusallığa sahip olduğunu söylemektedir.
Toplama verimliliği ölçümlerinde katot akımının farklı ışık şiddetleri altında,
120 V civarında doyuma ulaştığı gözlemlendi.
Kaynaklar
LEO, W.R., 1993.Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, New
York
AKGUN, U., 2003. CMS HF Calorimeter PMTs and
 c Lifetime Measurement,
Iowa University, USA
DUMANOGLU, İ., 2003. CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısındak CMS Deneyi,
VIII. Ulusal Nükleer Bilimler ve Teknolojileri Kongresi, 15-17 Ekim, Erciyes
Üniversitesi, Kayseri
48
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:17-6
HAMAMATSU PHOTONICS, 2006. Photomultiplier Tubes Basics and Application
Third Edition, Japan
NORBECK, E., 2006. Physics at Very Small Angles with CASTOR at CMS, 22nd
Winter Workshop on Nuclear Dynamics, USA
49