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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-87275
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8727/


Vykydal, Zdenek

Evaluation of radiation field properties with pixel semiconductor detectors operating in particle tracking mode

Analyse der Eigenschaften eines Strahlungsfeldes mittels Halbleiter-Pixel-Detektoren im Particle Tracking Mode

Dokument1.pdf (8.782 KB) (md5sum: 2f02c2a23552746c89bb54ef31115b44)

Kurzfassung in Englisch

The usage of radiation detectors covers a wide range of applications from basic research towards industry or medicine. Continuous technological progress in electronic fabrication processes with help of the sophisticated data analysis methods now allows faster extraction of more complex information about interacting particles.
This thesis defines the methodology of evaluation of complex radiation field properties using Medipix2 semiconductor pixel detector which has been successfully used in the network of 16 detectors installed and operated in the ATLAS experiment at CERN in the frame of ATLAS-MPX project. The aim of the network is to perform real-time measurements of spectral characteristics and composition of the radiation environment inside the ATLAS detector. With the devices, in two different modes of operation, a large dynamic range of particle flux can be covered, of at least 9 orders of magnitude, which corresponds to the highest luminosity, while also measurements of the radiation background outside the collisions can be made. An important goal is the determination of the neutron component of the mixed radiation field. To identify different types of neutrons, the 300 um thick silicon sensor area of each ATLAS MPX device has been divided into several regions, covered by different neutron converter materials. A 6LiF layer is used for thermal neutron detection and a polyethylene foil for fast neutron detection. The calibration of the detection efficiency of all devices has been performed with various known neutron sources: 252Cf, 241AmBe, thermal neutrons and 14 MeV neutrons from Van de Graaff accelerator.
ATLAS MPX devices have been operated almost continuously starting from early 2008 (background and cosmic radiation measurements and the first LHC beam appearances in 2008 and 2009) through the stable LHC operation during the 2010 and 2011 run periods up to nowadays. This thesis presents the first evaluations of the luminosity dependence, activation of the environment and comparison of the different radiation groups with the Monte Carlo simulations.
Based on the several years of experience with ATLAS MPX network operation and data analysis several ideas for the future upgrade of the detector network are presented including new Timepix readout chip, multilayer detector concept and possibility of usage of the CdTe sensor material.
The results presented in this thesis have proven to be an important feedback for ATLAS community and will possibly allow the calculation of the safety factors to be used in the future to determine the viability of the ATLAS electronics exposed to growing doses of neutrons and photons, in particular in view of planned LHC upgrade. There is and growing interest in these results also from the other large LHC experiments.


Kurzfassung in Deutsch

Die Nutzung von Strahlungsdetektoren umfasst einen weiten Bereich von Anwendungen in der Grundlagen-Forschung bis zur Industrie- und Medizin-Applikationen hin. Der kontinuierliche technologische Fortschritt in der Elektronik-Fertigung in Kombination mit hochentwickelter Daten-Analyse erlaubt heute eine schnellere Extrahierung von komplexen Informationen über wechselwirkende Teilchen.
Diese Arbeit beschreibt die Methodik der Auswertung komplexer Strahlungsfelder durch Nutzung von pixelierten Medipix2 Halbleiter-Detektoren, die erfolgreich im Rahmen des ATLAS-MPX Projekts am CERN beim ATLAS-Experiment in einem Netzwerk von 16 Detektoren installiert und betrieben wurden. Das Ziel dieses Netzwerks ist die Durchführung von Echtzeit-Messungen über spektrale Charakteristiken und die Strahlungsumgebung innerhalb des ATLAS-Detektors. Mit den Medipix2-Detektoren, die in zwei unterschiedlichen Betriebsweisen eingesetzt werden, kann ein hoher dynamischer Bereich von Teilchenflüssen erfasst werden, der mindestens 9 Größenordnungen überstreicht und damit sowohl Messungen bei höchster Luminosität als auch Untergrundmessungen ohne Teilchenkollisionen ermöglicht. Ein wichtiges Ziel ist die Bestimmung der Neutronenkomponente des gemischten Strahlungsfelds. Um die unterschiedlichen Neutronentypen zu identifizieren, wurde die Fläche des 300 um dicken Silizium Sensors jedes ATLAS-MPX Geräts in unterschiedliche Regionen eingeteilt und mit verschiedenen Neutronen-Konvertern beschichtet. Eine 6LiF Schicht wird zur Detektion thermischer Neutronen genutzt und eine Polyethylen Folie für den Nachweis schneller Neutronen. Die Detektionseffizienz-Kalibrierung aller Geräte wurde mit bekannten Neutronenquellen durchgeführt: 252Cf, 241AmBe, thermischen Neutronen und 14 MeV Neutronen von einem Van de Graaff Beschleuniger.
Die ATLAS-MPX Geräte wurden nahezu kontinuierlich betrieben, beginnend Anfang 2008 mit Messungen des Untergrunds und der kosmischen Strahlung, nachfolgend mit ersten LHC Strahl-Messungen 2008 und 2009, und weiterführenden Messungen während des stabilen LHC Betriebs in den Jahren 2010 und 2011 bis heute. Diese Arbeit präsentiert erste Untersuchungen der Luminositäts-Abhängigkeit, der Aktivierung der Umgebung und einen Vergleich der unterschiedlichen Strahlungs-Gruppen mit Monte Carlo Simulationen.
Basierend auf den jahrelangen Erfahrungen mit dem ATLAS-MPX Netzwerk und der zugehörigen Datenanalyse werden einige Ideen für zukünftige Upgrades des ATLAS Detektor Netzwerks präsentiert inklusive des neuen Timepix Auslese-Chips, Vielschicht-Detektor-Konzepten und der Möglichkeit der Nutzung von CdTe Sensor Material.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Resultate haben sich als wichtiges Feedback für die ATLAS Community herausgestellt und werden möglicherweise die Berechnung von Sicherheitsfaktoren für die Funktionsfähigkeit zukünftiger ATLAS Elektroniken erlauben, die insbesondere durch das geplante LHC Upgrade zunehmend höheren Dosen von Neutronen und Photonen ausgesetzt sein werden. Auch die anderen, großen LHC Experimenten zeigen ein wachsendes Interesse an diesen Resultaten.


SWD-Schlagwörter: Silicium , Hochenergiephysik , Detektor
Freie Schlagwörter (deutsch): Medipix , Pixel-Detektor , Atlas
Freie Schlagwörter (englisch): Medipix , Pixel detector , semiconductor , ATLAS
PACS Klassifikation Semiconduc , 29.40.Wk
Institut: Freiburger Materialforschungszentrum
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Fiederle, Michael (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.06.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 22.10.2012
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