Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Precalibrated Ion Beam Identification Detector

Philippe Klintefelt Collet – Rikard Lundmark

Chalmers University of Technology

15 juni 2012

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 1 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Introduktion

Introduktion

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 2 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

GSI

GSI – Gesellschaft Für Schwerionenforschung

Acceleratorbaserad anläggning för tungjonsforskning i Tyskland.

Bild från R. Thies

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 3 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

GSI

Cave C

Bild från Y. Aksyutina

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 4 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

GSI

Identifikation av joner i ett experiment

IdentifikationA/Z bestäms avfragmentseparatorn(FRS).Z bestäms genom attmäta energiförlust ochhastighet och appliceraBethes formel.

Här redan absolutkalibrerade skalor!

Bild från Alina & ShiftB.

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 5 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Bakgrund och frågeställning

Experimentfaser

Identifikation

1 Experimentuppställningenförbereds.

2 Utrustningen kalibreras (kräverstråle).

3 Experimentet utförs (kräverstråle).

4 Vidare kalibrering.

��������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������

Time the proposed detector might save

TimeBeamtime required (expensive)

��������

��������

Setup CalibrationExperimentCalibration

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 6 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Bakgrund och frågeställning

Frågeställning

1 Kommer den föreslagna detektorn att fungera?

2 Om den fungerar, hur väl fungerar den?

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 7 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Bakgrund och frågeställning

Tillvägagångssätt

1 Identifiera isotoper som är lämpliga att identifieras meddetektorkonstruktionen i fråga.

2 Skapa och köra Geant4-simuleringar av detektorn.

3 Analysera utdata från simuleringarna som om det vore verkligdetektor-data.

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 8 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Detektordesign

Scintillator platesBeam blocker

Ge detector

Shielding (red)

Scintillator tubes (cyan)

Wedges

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 9 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Detektor–partikel-interaktion

Partiklar ochdetektorkomponenter

a–f är inkommandepartiklar.A–E är detektorkom-ponenter.γ1, γ2, β1, β2 ärsönderfallspartiklar.

F

F

EBeam

B

D

C

C

C

C

d

c

a

b

e

f

A

A

γ2

β2

γ1

β1

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 10 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Identifikationsprocess — sammanfattning

SammanfattningIdentifikationen i fyrasteg:

1 A/Z och Z mäts uppav experimentupp-ställningen.

2 Partikeln implanterasett scintillatorrör.

3 Partikeln β ochγ-sönderfaller.

4 γ-energin mäts avGe-detektorn ochanalyseras.

Scintillator tube

Time

Ion flight

Measurement of experimental particle properties

Implantation β- and γ-decays

Data transfer

γ-photon propagation

Ge-detector

γ-photon energy measurement

Experimental setup

Analysis software

Proposed detector

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 11 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Identifikation

Identifikation av lämpliga nuklider

Krav på nuklider som skall identifieras av PIBIDBetasönderfaller till exciterat tillstånd i dotternuklid.

Halveringstid 1ms ≤ t1/2 ≤ 1 s.Alltför kort halveringstid ⇒ nukliderna kan hinna sönderfalla innan denår detektorn.För lång halveringstid ⇒ en ny nuklid kan hinna implanteras iscintillatorrören innan den första sönderfaller.

Sannolikheten för minst en emitterad γ-energi är ≥ 10% persönderfall.

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 12 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Identifikation

Nuklidkarta

8

20

28

28

8

20

50

50

82

126

82

152

2

2

Default nuclide color

ITAG detectable

Particle instable

Stable isotopes

PIBID detectable

107 identifierbara nuklider (22 i överlapp med ITAG).Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 13 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Detektorsimulering och analys

Simulering-analys-flödet

results

Other simulation

Realistic results

Statistics

Graphs

*Ion typesetc...

Settings Settings Settings*Geometry *Time between events

*Mixing ratioetc...

*Accuracy*Double implant handling

etc...

Detector simulation

PIBIDS Event mixer Data analysis software

Preliminary analysis

(ROOT)

Simulation results

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 14 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Identifikation i 17C-området

Identifikation av joner i ett experiment

IdentifikationSimuleringar kördes förnuklider nära 17C.Olika tid mellaninkommande joner,hantering avdubbelimplantation ochandra inställningarprövades.

Default nuclide color

ITAG detectable

Particle instable

Stable isotopes

PIBID detectable

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 15 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Identifikation i 17C-området

Identifikationsplott för nukliderna runt 17C

Ser bra ut! Men: tiden är ≈ 13 timmar.

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 16 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Optimeringar?

Optimeringsförsök

Mindre scintillatorerResultat: relativt större andelfelidentifikationer.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Relative number of correct coincidences versus scintillator tube diameter

Scintillator tube diameter /[mm]

Rel

ativ

e nu

mbe

r of

cor

rect

coi

ncid

ence

s

300 events/s30 events/s

Annat material mellanscintillatorrörenResultat: vissa material gerstörre antal träffar, men merinkorrekta sådana.

Tunnare material mellanscintillatorrörenResultat: svårare att göraidentifikation (mer brus).

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 17 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Optimeringar?

Optimeringsförsök

Strålskydd framför skyddet mellanscintillatorernaResultat: Tunt strålskydd ger någotbättre noggrannhet än inget alls.Dock: kan förhindra joner som annarsskulle passerat igenom helauppställningen.

Större radie pågermaniumdetektornResultat: Mer brus.

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 18 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats

Sammanfattning

ResultatNuklider identifierbara av detektorn har sökts fram.Detektorn fungerar.Identifikation i 17C-området ungefär 10 gånger för långsam gentemotönskvärd tidsåtgång.

Vad händer i framtiden?Vidare studier av detektordesign?Smartare identifikationsalgoritmer?

Philippe Klintefelt – Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 19 / 19