Vývoj testovacích metod v laboratoři křemíkových detektorů

Transkript

1 Zpráva o studentském fakultním grantu Vývoj testovacích metod v laboratoři křemíkových detektorů Autor: Martin Sýkora Typ práce: Projekt Instituce: Matematicko-fyzikální fakulta UK Ústav částicové a jaderné fyziky Místo a čas vzniku: Praha, 2013/2014 Vedoucí práce: RNDr. Peter Kodyš, CSc.

2 Úvod V tomto projektu bylo mým úkolem seznámit se s metodami užívanými v laboratoři pro výzkum křemíkových detektorů. Zadání mělo dvě části, tj. rozšířit teoretické a experimentální znalosti studenta v dané problematice. V teoretické části jsem se měl seznámit hlavně s vlastnostmi, stavbou a použitím křemíkových detektorů. Praktická část zahrnovala práci zaměřenou na programování programů, pomocí nichž by byla později možná komunikace s jednotlivými přístroji v laboratoři. Teoretická část Detektory Detektory částic slouží k určení parametrů prolétávající částice. Těmito parametry mohou být například hybnost, trajektorie či náboj. Samotné detektory se skládají z částí zvaných subdetektory, které mají obecně různou schopnost rozeznávat ty které částice, či informace o nich. Patří sem dráhové detektory, kalorimetry, magnety a triggerovací systém. V subdetektorech se využívají tzv. scintilační detektory. Scintilační detektor funguje na principu excitace aktivního media detektoru. Po následné deexcitaci dochází ke světelné emisi, z níž lze pomocí souboru informací z různých subdetektorů určit typ částice, která excitaci způsobila. Některých níže zmíněných subdetektorů je využito v detektorovém systému projektu ATLAS v CERN (viz Obrázek 1). CERN (Conseil Européen pour la recherche nucléaire) je evropská organizace pro jaderný výzkum se sídlem ve švýcarské Ženevě. Největším projektem v CERN je projekt ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), což je experiment na hadronovém urychlovači částic LHC (Large Hadron Collider), pomocí něhož se chtějí vědci dozvědět více o vlastnostech částic a hmoty ve vesmíru, temné hmotě, skrytých dimenzích a také dokázat existenci Higgsova bosonu, což se již povedlo v roce Dráhové detektory Mlžná a bublinová komora, které patří do skupiny dráhových detektorů, využívají přesyceného plynu, respektive přehřáté kapaliny. Toto prostředí je po průletu částice ionizováno a vznikají kapičky, dle nichž lze vypozorovat dráhu prolétávající částice. Z toho můžeme usoudit, jaký typ částice mohl komorou prolétávat. Tyto komorové detektory se používaly na počátku 20. století, ale postupem času je vytlačily modernější elektronizované detektory včetně křemíkových detektorů. Kalorimetry Kalorimetry můžeme rozdělit na tři základní druhy. Elektromagnetickým kalorimetrem lze určit, zda se jedná o elektron, foton nebo pozitron. Hadronový kalorimetr pak zaznamená hadrony, které zachytí. Třetím typem kalorimetru jsou tzv. mionové komory, které sice nezachycují miony, ale pomocí toroidálního magnetického pole proměřují jejich trajektorii.

3 Využívají se tenkostěnné hliníkové trubice o poloměru 30mm, které obsahují v jejich podélné ose dráty s vysokým napětím. Miony procházející trubicemi ionizují plyn v nich a díky přiloženému vysokému napětí ionty driftují k elektrodám, což vede k určení polohy prolétávajícího mionu. Magnety a trigger Abychom byli schopni měřit hybnosti elektricky nabitých prolétávajících částic, je nutné ovlivňovat jejich dráhu. Tuto činnost zabezpečuje magnetické pole, jež je produkováno solenoidem. Toto magnetické pole má velikost 2T. Supravodivé cívky solenoidu jsou umístěny v elektromagnetickém kalorimetru. Dalším zdrojem magnetického pole jsou toroidální systémy, které jsou tvořeny válcovými toroidy z plochých cívek a dvěma koncovými toroidy na obou koncích válcové části. Jelikož při částicovém experimentu rozsahu ATLAS je nutné zpracovat velké množství dat a bylo by nemožné tato data vyhodnotit, existuje tzv. triggerovací systém, který funguje jako takový filtr. Vyhodnocuje zajímavost daných dat na základě vstupních parametrů a pro experimentátora potenciálně nezajímavé výsledky nepropustí dál. Obrázek 1: Systém detektorů projektu ATLAS v CERN (převzato z [3])

4 Křemíkové detektory Na obrázku 1 jsou uprostřed detektoru vyobrazeny tzv. vnitřní detektory, které jsou důležité pro určení dráhy částice. Tyto detektory se z větší části skládají z detektorů křemíkových. Polovodiče se využívají hlavně kvůli tomu, že energie nutná k excitaci jejich elektronů není velká. Elektrony tedy snadněji přecházejí z valenčního do vodivostního pásu a vzniká tak pár elektron-díra. Tento jev je vyprovokován průletem nabité částice detektorem, kdy vzniká mnoho párů elektron-díra v závislosti na typu částice a její energii. Elektrony jsou urychlovány přiloženým napětím a vytvářejí další takovéto páry. Tomuto fyzikálnímu ději říkáme multiplikace. Abychom nepřipustili zpětnou rekombinaci, používají se spolu s přiloženým napětím P-N přechody, které neobsahují volné nabité částice. Ke vzniku páru elektron-díra však může docházet i náhodnými tepelnými fluktuacemi. Jak již bylo řečeno, není třeba dodat tolik energie k přeskočení elektronu do vodivostního pásu, a tak například při vyšší tepelné energii se může elektron samovolně excitovat. Fluktuace lze tlumit například chlazením detektoru. Detektory jsou složeny z jednotlivých elektrod, které jsou uspořádány na jedné straně křemíkové destičky. Na tuto stranu destičky je přivedeno napětí, přičemž druhá strana je uzemněná. Křemíkové detektory se dělí na dva základní typy dle uspořádání elektrod. Tzv. pixelové detektory mají elektrody uspořádány ve dvou směrech a tvoří pravoúhlou síť, což umožňuje určit přesnější polohu prolétávající částice. Tyto detektory jsou však dražší než tzv. stripové detektory, které se vyznačují uspořádáním elektrod do proužků (stripů). Při průletu částice detektorem dojde k výrazné ionizaci a vzniku mnoha párů elektron-díra. V P-N přechodu se tedy objeví nabité částice, které jsou přitahovány příslušnou nejbližší elektrodou. Vzniká krátký elektrický puls, který je sbírán a odveden do vyhodnocovacího čipu. Podle toho, na kterém odvodném kanálu se objeví signál, lze zrekonstruovat průsečík prolétávající částice. Signály přicházející z detekčních stripů v experimentu ATLAS jsou snímány v intervalech 25 ns. Obrázek 2: STC Forward middle modul s křemíkovým detektorem z projektu ATLAS (převzato z [4])

5 Zkoumání detektorů laserem Polovodičové detektory tedy mají využití ve velkých mezinárodních projektech jako je projekt ATLAS ve švýcarském CERN, nebo japonské projekty Belle a Belle II v KEK (The High Energy Accelerator Research Organization) u Tokia. Před zařazením vyrobených detektorů do provozu v těchto projektech je však nutné je otestovat, aby se potvrdila jejich plná funkčnost. Toto testování lze provádět nábojem generovaným vnějším pulzem v detektoru. To lze provést více způsoby. Buď můžeme použít svazek vysokoenergetických částic, což je však časově i finančně náročná záležitost, nebo zkoumat detektor pomocí beta zářičů. Třetím způsobem, který se praktikuje také na MFF UK, je testování pomocí laserového svazku. Laser (viz Obrázek 3) ovládaný přes počítač je umístěn v izolovaném testovacím prostoru, tzv. black boxu, který zabraňuje ovlivnění experimentu vnějšími vlivy jako je světelné záření. Obrázek 3: Laser Omikron LDM[xxx].[yyy].A350 (převzato z [5]) Při důkladném zkoumání je samozřejmě třeba prozkoumat každé místo křemíkového detektoru, které je určeno k detekci částic. Proto musíme posouvat laserem vůči detektoru třemi posuvnými stolky (viz Obrázek 4a), které zabezpečují posun ve třech osách. Stolky jsou ovládány přes své motorky, jež jsou napojeny na ovladač (viz Obrázek 4b), který zprostředkovává komunikaci mezi motorky stolků a počítačem. Pomocí předem připravených programů pak určujeme, jak bude měření probíhat. Používaný stolek 8MT , jehož krok je lze posouvat až o 1/8 kroku. Obrázek 4a: Posuvný stolek 8MT (převzato z [6])

6 Obrázek 4b: ovladač 8DCMC1-USB-B1-1 (převzato z [6]) Experimentální část ROOT Prvním úkolem byla instalace softwaru do mého počítače, který by zprostředkovával komunikaci mezi mnou vytvořenými programy a ovládaným přístrojem. Tuto úlohu dobře splňuje software vytvořený vývojáři v CERN zvaný ROOT. Tento program má mnoho užitečných funkcí, ale v mém případě ho stačilo zprovoznit pouze pro kompilaci vlastních programů. Po úspěšné instalaci dle návodu (viz Zdroje[1]) byl ROOT schopen správně kompilovat. Pro kompilování programů jsem využil prostředí Microsoft Visual Studio C RS232 a USB Nanocounter Před komunikací s laserem, který byl pro tento projekt primární, bylo třeba vyzkoušet funkčnost ROOTu na nějakém jednodušším přístroji. Takový požadavek splňoval USB counter, do kterého byl poslán dotaz na počet přijatých impulzů a přístroj vracel počet zpět. Komunikace probíhala pomocí komunikačního rozhraní RS232. Má v sobě zabudovány základní funkce jako čtení, vypsání ze vstupu a ukončení komunikace. Stejně tak jsem vyzkoušel spuštění tzv. USB Nanocounter přes zmíněné RS232. Oba testy se zdařily a mohl jsem přejít k psaní programu pro laser. Laser Podle manuálu k laseru Omikron používanému ke zkoumání detektorů v laboratoři jsem vytvořil program, který později úspěšně komunikoval s laserem. Pokud jsem tedy přeložil program kompilátorem MSVC++ a ROOT, jenž přes RS232 poslal vybraný příkaz laseru, laser se úspěšně vypínal a zapínal.

7 Program V programu jsme pracovali se základními procedurami, které jsou zmíněny v příloze č. 1. Nejprve jsme vyžadovali, aby se identifikovalo zařízení zapojené v USB (viz Příloha 2), čímž jsme vyloučili případnou nefunkčnost komunikačního spojení. Popis důležitých příkazů uvádím v příloze. V příloze č. 3 je uveden nejdůležitější výtah celého programu, kde posílám příkaz na laser podle návodu (zde zjišťuji stav přístroje). Zakomentované jsou také příkazy "LON" pro spuštění, "LF" pro vypnutí a "RS" pro resetování laseru. Diskuse Na projektu mne zpočátku zaujala možnost naučit se něco nového, což se také naplnilo. Jelikož všechny programy kompilované přes ROOT musely být napsány v jazyce C, popřípadě C++, společně s metodami testování detektorů jsem pronikal také o něco málo hlouběji do programování, které je pro komunikaci s dnešními laboratorními přístroji téměř samozřejmostí s ohledem na přesnost měření. Jelikož jsem měl možnost prostudovat si manuál ke zmíněnému laseru Omikron, zjistil jsem také další funkce, které se dají pomocí programu na laseru nastavovat, jako je třeba regulace intensity paprsku. Závěr V projektu jsem se zabýval testovacími metodami v laboratoři křemíkových detektorů. Po instalaci program ROOT jsem se seznámil s funkcemi komunikačního rozhraní RS232 a úspěšně obdržel odpověď od jednoduchého přístroje, stejně jako od USB Nanocounteru. Nakonec se mi podařilo komunikovat s laserem na bázi zapínání a vypínání, což byl jeden z hlavních cílů tohoto projektu. Dále jsem rozšířil své teoretické znalosti z programování v jazyce C++ a v oblasti vlastností křemíkových detektorů.

8 Zdroje [1] Virius M. Jazyky C a C++. Grada Publishing a.s., Praha [2] Bažant, Pavel. Využití laseru při testování polovodičových detektorů Bakalářská práce. Univerzita Karlova, MFF, Ústav částicové a jaderné fyziky. [3] Poslušný, Jan. Měření polohově citlivých polovodičových detektorů Bakalářská práce. Univerzita Karlova, MFF, Ústav částicové a jaderné fyziky. [4] Řezníček, Pavel. Tests of semiconductor microstrip detectors of ATLAS detector Diplomová práce. Univerzita Karlova, MFF, Ústav částicové a jaderné fyziky. [5] Omicron Diode Lasers. Citováno Dostupné na adrese: [6] Opto-Mechanics Products. Citováno Dostupné na adrese: Přílohy 1. Funkce použité v programu: void Omikron(void); //hlavní funkce void TurnOff(void); //vypínání laseru void TurnOn(void); //zapínání laseru void Reset(void); //resetování laseru 2. Inicializace zařízení připojené v USB: const char *configfile = "cfg/omikron.cfg"; int ISSIMUL = 0; TUSB *tusbdrv; tusbdrv = new TUSB(); if (tusbdrv->rtest()!= 1) { //příkaz pro test načtení (správná hodnota 1) ISSIMUL = 1; printf("error! Driver is not loaded succesfuly!\n"); return; int iret = 1; printf("configfile: %s\n", configfile); if (!ISSIMUL) { if ((iret = tusbdrv->rusbinit((char*)configfile))!= 0) { //inicializace driveru* ISSIMUL = 1; printf("error! Hardware is not connected or bad configuration:\n"); if (iret == -1) printf("\t\tmissing config file - check if exist!\n"); else if (iret == -2) printf("\t\tcom port is not ready for work or device is unconnected - check it!\n");

9 else { printf("init OK\n"); else { printf("driver problem\n"); return; *inicializace vrací hodnotu 0, pokud je vše v pořádku, jinak se jedná o určitou chybu 3. Posílání příkazů laseru a přijímání odpovědí: char back[2000]; char sent[2000]; // CR LF = 0x0d,0x0a //znaky na konci posílaného řetězce (vyplývá z návodu) sprintf(sent,"s? %c%c\0",0x0d,0x0a); // zjišťování stavu laseru // sprintf(sent,"rs %c%c\0",0x0d,0x0a); // resetování // sprintf(sent,"lon %c%c\0",0x0d,0x0a); // poloha zapnuto // sprintf(sent,"lf %c%c\0",0x0d,0x0a); // poloha vypnuto printf("sent = >%s<\n",sent); // odpověď laseru tusbdrv->rusbclose(); // ukončení komunikace return;