Precalibrated Ion Beam Identification Detector

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

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

GSI Cave C Bild från Y. Aksyutina Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 4 / 19

GSI Identifikation av joner i ett experiment Identifikation A/Z bestäms av fragmentseparatorn (FRS). Z bestäms genom att mäta energiförlust och hastighet och applicera Bethes formel. Här redan absolutkalibrerade skalor! Bild från Alina & ShiftB. Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 5 / 19

Bakgrund och frågeställning Experimentfaser Identifikation 1 Experimentuppställningen förbereds. 2 Utrustningen kalibreras (kräver stråle). 3 Experimentet utförs (kräver stråle). 4 Vidare kalibrering. 000000000000 1111111111110000000 000000000000 1111111111110000000 000000000000 1111111111110000000 000000000000 111111111111 Setup 0000000 1111111 Calibration 000000000000 1111111111110000000 000000000000 1111111111110000000 000000000000 1111111111110000000 Time the proposed detector might save 00000000000000000 11111111111111111 00000000000000000 11111111111111111 00000000000000000 11111111111111111 Experiment Calibration 00000000000000000 11111111111111111 00000000 11111111 00000000 11111111 00000000 11111111 00000000 11111111 00000000 11111111 00000000 11111111 00000000 11111111 Beamtime required (expensive) Time Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 6 / 19

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

Bakgrund och frågeställning Tillvägagångssätt 1 Identifiera isotoper som är lämpliga att identifieras med detektorkonstruktionen i fråga. 2 Skapa och köra Geant4-simuleringar av detektorn. 3 Analysera utdata från simuleringarna som om det vore verklig detektor-data. Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 8 / 19

Detektordesign Wedges Scintillator tubes (cyan) Shielding (red) Ge detector Beam blocker Scintillator plates Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 9 / 19

Detektor partikel-interaktion Partiklar och detektorkomponenter a f är inkommande partiklar. A E är detektorkomponenter. γ 1, γ 2, β 1, β 2 är sönderfallspartiklar. a b c d Beam e f F A A E D γ 1 β 1 β 2 C C C C B F γ 2 Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 10 / 19

Identifikationsprocess sammanfattning Sammanfattning Identifikationen i fyra steg: 1 A/Z och Z mäts upp av experimentuppställningen. 2 Partikeln implanteras ett scintillatorrör. 3 Partikeln β och γ-sönderfaller. 4 γ-energin mäts av Ge-detektorn och analyseras. Experimental setup Measurement of experimental particle properties Ion flight Proposed detector Scintillator tube Implantation Time β- and γ-decays γ-photon propagation Ge-detector γ-photon energy measurement Data transfer Analysis software Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 11 / 19

Identifikation Identifikation av lämpliga nuklider Krav på nuklider som skall identifieras av PIBID Betasönderfaller till exciterat tillstånd i dotternuklid. Halveringstid 1 ms t 1/2 1 s. Alltför kort halveringstid nukliderna kan hinna sönderfalla innan de når detektorn. För lång halveringstid en ny nuklid kan hinna implanteras i scintillatorrören innan den första sönderfaller. Sannolikheten för minst en emitterad γ-energi är 10 % per sönderfall. Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 12 / 19

Introduktion och GSI Detektordesign Metod Resultat Slutsats Identifikation Nuklidkarta 152 Default nuclide color Stable isotopes PIBID detectable ITAG detectable Particle instable 126 82 82 50 50 28 20 28 8 20 2 8 2 107 identifierbara nuklider (22 i överlapp med ITAG). Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 13 / 19

Detektorsimulering och analys Simulering-analys-flödet Other simulation Settings results Settings Settings *Geometry *Ion types etc... *Time between events *Mixing ratio etc... *Accuracy *Double implant handling etc... Graphs Realistic results Detector simulation PIBIDS Event mixer Data analysis software Simulation results Statistics Preliminary analysis (ROOT) Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 14 / 19

Identifikation i 17 C-området Identifikation av joner i ett experiment Identifikation Simuleringar kördes för nuklider nära 17 C. Olika tid mellan inkommande joner, hantering av dubbelimplantation och andra inställningar prövades. Default nuclide color Stable isotopes PIBID detectable ITAG detectable Particle instable Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 15 / 19

Identifikation i 17 C-området Identifikationsplott för nukliderna runt 17 C Ser bra ut! Men: tiden är 13 timmar. Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 16 / 19

Optimeringar? Optimeringsförsök Mindre scintillatorer Resultat: relativt större andel felidentifikationer. Relative number of correct coincidences Relative number of correct coincidences versus scintillator tube diameter 1 300 events/s 30 events/s 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Scintillator tube diameter /[mm] Annat material mellan scintillatorrören Resultat: vissa material ger större antal träffar, men mer inkorrekta sådana. Tunnare material mellan scintillatorrören Resultat: svårare att göra identifikation (mer brus). Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 17 / 19

Optimeringar? Optimeringsförsök Strålskydd framför skyddet mellan scintillatorerna Resultat: Tunt strålskydd ger något bättre noggrannhet än inget alls. Dock: kan förhindra joner som annars skulle passerat igenom hela uppställningen. Större radie på germaniumdetektorn Resultat: Mer brus. Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 18 / 19

Sammanfattning Resultat Nuklider identifierbara av detektorn har sökts fram. Detektorn fungerar. Identifikation i 17 C-området ungefär 10 gånger för långsam gentemot önskvärd tidsåtgång. Vad händer i framtiden? Vidare studier av detektordesign? Smartare identifikationsalgoritmer? Philippe Klintefelt Rikard Lundmark PIBID 15 juni 2012 19 / 19