Razpisana dela v laboratoriju za razvoj fotonskih detektorjev

Razpisana magistrska dela

Karakterizacija modulov za detektor obročev Čerenkova pri spektrometru Belle II

Za identifikacijo pionov in kaonov bo v smeri visokoenergijskega curka v spektrometru Belle II skrbel detektor obročev Čerenkova. Detektor sestavlja aerogel kot sevalec fotonov Čerenkova, prazen prostor za razšiirjanje obročev in detektor fotonov. Nahaja se v notranjosti magneta z močnim magnetnim poljem 1,5 T. Za detekcijo posameznih fotonov bomo uporabili 430 modulov, sestavljenih iz hibridnih plazovnih fotodiod (HAPD) in čitalne elektronike. Pred vgradnjo v detektor bo potrebno module preizkusiti. Za to bo potrebno sestaviti aparaturo, s pomočjo katere bomo preverili pravilno delovanje modulov.

Delo bo obsegalo:
  • priklop štirih modulov
  • test delovanja elektronike
  • nastavitev napajalnih napetosti
  • priprava proženega svetlobnega curka iz polvodniškega laserja
  • distribucija curka po štirih svetlobnih vlaknih do vstopnih oken senzorjev
  • kontrolo pozicije svetlobnih curkov
  • meritev odziva modula na svetlobne kanale
  • porazdelitev po višini sunkov in določitev ojačenja v centrih kanalov senzorjev.
  • meritev pozicijske odvisnosti odziva
  • izdelava poročila s karakterizacijo modula

Sledilni sistem THGEM

Namen dela je študij, načrtovanje in izdelavo komore za sledenje nabitih osnovnih delcev. Na Odseku za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev pri testih fotonskih detektorjev v visokoenergijskih curkih nabitih delcev uporabljamo večžične proporcionalne komore, ki kot ojačevalni plin uporabljajo mešanico Ar-CO2 (70%:30%). Pomnoževanje poteka v taki komori v bližini anodnih žžic, ki ležžijo v ravnini med dvema katodnima ravninama, ki sta za določanje mesta preleta delca segmentirani na pasove. V zadnjem času so se kot zanimiva alternativa anodnim žžicam za pomnoževanje plazu pokazale THGEM - perforirane epoksi plošče, ki jih uporabljamo za izdelavo tiskanih vezij. Njihova izdelava je enostavna, za načrtovanje pa lahko uporabljamo standardna orodja (npr. Altium Designer).

Delo bo obsegalo:
  • seznanitev z obstoječimi sledilnimi večžičnimi proporcinalnimi komorami
  • načrtovanje THGEM z Altium Designer
  • izdelava komor
  • kalibracija komor z radioaktivnim izvorom nizke aktivnosti Fe-55 in Sr-90
    • postavitev sistema za zajemanje podatkov s pomočjo večkanalnega časovno digitalnega pretvornika (TDC) in nabojno občutljivega pretvornika (ADC).
    • meritev osnovnih karakteristik takega sledilnega sistema
    • analiza podatkov z uporabo programskega paketa ROOT ( http://root.cern.ch ).
  • postavitev sledilnega sistema s pomočjo več sledilnih komor in
  • umeritev s pomočjo kozmičnih delcev
  • preizkus delovanje sledilnega sistema na demonstracijskem detektorju obročev Čerenkova.
Literatura:

Karakterikterizacija čitalne elektronike za detektor obročev Čerenkova pri Belle II

Za identifikacijo pionov in kaonov bo v smeri visokoenergijskega curka v spektrometru Belle II poskrbel detektor obročev Čerenkova. Detektor sestavlja aerogel kot sevalec fotonov Čerenkova, prazen prostor za razširjanje obročev in detektor fotonov. Ker se detektor nahaja v magnetnem polju jakosti 1,5 T, za zaznavo posameznih elektronov ne moremo uporabiti fotopomnožževalk, pač pa bomo za to uporabili 430 hibridnih plazovnih fotodiod (HAPD), ki za delovanje potrebujejo posebno čitalno elektroniko. Vezje sestavljajo štirje čipi, ki poskrbijo za ojačenje in digitizacijo analognih vhodnih signalov in programabilno vezje FPGA, ki poskrbi za zajem in prenos podatkov po podatkovnih linijah, kontrolira pa tudi periferne enote. Te kontrolirajo nastavitev napajalnih in napetosti praga za digitizacijo. Pred vgradnjo v detektor bo potrebno čitalno elektroniko preizkusiti. Za to bo potrebno sestaviti merilni sistem, ki bo izvedel nekaj osnovnih testov in meritev, s pomočjo katerih bomo preverili pravilno delovanje vezja.

Delo bo obsegalo:
  • priprava merilnega sistema, ki bo omogočal
    • nalaganje firmware-a,
    • preverjanje serijske številke čipa,
    • test napajalnih napetosti in temperaturnih senzorjev,
    • nalaganje nastavitvenih parametrov v čipe,
    • odziv vezja za različne nivoje nivoja diskriminacije,
    • preizkus vezja s testnim signalom,
    • določitev mrtvih in vročih kanalov in
    • obremenilni test z napajalnimi napetostmi za HAPD
  • meritev 450 vezij,
  • ovrednotenje vezij za uporabo v spektrometru Belle II,
  • analiza podatkov in priprava poročila
Plan dela:
  • Začetek: 1.10.2014
  • Postavitev merilnega sistema: 1 mesec
  • Meritev vezij: 2 meseca
  • Priprava poročila in analiza podatkov: 2 meseca
Literatura:

Razvoj čitalne elektronike za demonstracijski RICH

V laboratoriju uporabljamo za demonstracije RICH, ki ga sestavljajo posoda z vodo kot sevalcem in sferičnim ogledalom, ki izsevane fotone Čerenkova v goriščni ravnini zbere v krog in jih tam zaznamo s fotonskim detektorjem. Fotonski detektor sestavlja mrežža večanodnih fotopomnožževalk Hamamatsu R5900-M16. Za zanavanje fotonov uporabljamo v okviru eksperimenta Belle II posebno čitalno elektroniko, s katero zajemamo podatke s hibridnih plazovnih fotodiod, ki imajo dosti manjši signal. Čitalno elektroniko bi lahko prilagodili za čitanje fotopomnožževalk in tako enostavno omogočili čitanje dosti večjega števila kanalov kot sedaj (64 kanalov), s tem pa omogočili finejšo granulacijo detektorja.

Delo bo obsegalo:
  • pregled elementov demonstracijske aparature
  • načrtovanje in izdelava prilagoditvenega vezja med fotopomnožževalkami in čitalno elektroniko.
  • vgradnja čitalne elektronike v sistem
  • prilagoditev softwera za zajem in prikazovanje rezultatov
  • preizkus sistema z enostavnim sledilnim sistemom s kozmičnimi delci
  • izdelava simulacije detektorja in primerjava z meritvami

Nadgradnja in umeritev pozitronskega tomografa

Na Fakulteti za Matematiko in Fiziko se v okviru laboratorijskih vaj pri predmetu Medicinska fizika študenti seznanijo z delovanjem pozitronskega tomografa. Obstoječa demonstracijska aparatura z notranjim premerom okrog 10 cm obsega štiri scintilacijske detektorje, ki zaznajo anihilacijske žarke gama iz radioaktivnega izvora (fantoma) na vrtljivi mizici in čitalno elektroniko na osnovi standardnih analogno digitalnih pretvornikov. Scintilacijski detektorji so sestavljeni iz segmentiranih kristalov LYSO in večanodnih fotopomnoževalk. Pozitronski tomograf omogoča osnovne meritve, zaradi majhne pokritosti zornega polja pa je rekonstrukcija slike okrnjena. V okviru nadgradnje tomografa želimo s scintilacijskimi detektorji opremiti cel obroč in tako izboljšati ločljivost slike.

Delo bo obsegalo:
  • pregled obstoječega sistema,
  • optimizacijo stika med fotopomnoževalko in segmentiranim scintilatorjem.
  • izdelavo in preizkus detektorskih modulov,
  • vgradnja modulov v tomograf in priklop na čitalno elektroniko
  • prilagoditev programov za za zajem in prikazovanje rezultatov
  • preizkus in umeritev sistema s točkastim radioaktivnim izvorom
  • rekonstrukcija slike sistema treh točkastih izvorov
  • priprava navodil za laboratorijsko vajo

Literatura:

Karakterizacija silicijevih fotopomnoževalk za pozitronski tomograf z meritvijo časa preleta fotonov Čerenkova.

Kontrola visokih napetosti pri detektorju fotonov Čerenkova v spektrometru Belle II

Pretekla diplomska dela

Nova vrsta večžične proporcionalne komore z zakasnilno linijo kot detektor sledi nabitih delcev

Za sledenje nabitih delcev v testnih žarkih ali pri poskusih s kozmičnimi mioni je bistven enostaven, zanesljiv in cenen detektor sledi nabitih delcev. Za testne žarke se v primeru, ko je potrebna natančnost določitve sledi reda 0.5-1 mm, s pridom uporablja sedaj že (zaradi Nobelove nagrade izumitelju G. Charpaku) legendarna večžična proporcionalna komora. Ceno sledilnega sistema in kompleksnost aparature lahko pomembno zmanjšamo, če ne opremimo vsake anode posebej s čitalno elektroniko, ampak za čitanje uporabimo zakasnilno linijo. Tudi tukaj pa se da sistem dodatno poenostaviti. Namesto navitja kot zakasnilno linijo uporabimo kar ustrezno oblikovano pasovno strukturo na tiskanini. Takšna komora je zanimiva tudi zaradi svoje majhne debeline. Prelimininarni testi so pokazali, da tak koncept detektorja deluje po pričakovanjih, zato je smiseln naslednji korak, izdelava in testiranje sistema dveh komor takega tipa. Naloga bo obsegala konstrukcijo dveh komor tega tipa, umeritev komor z radioaktivnimi izvori, določitev ločljivosti meritve točke preleta nabitega delca, meritev izkoristka in test s kozmičnimi mioni.

Meritev časovne resolucije večanodne fotopomnoževalke z mikrokanalnimi ploščami

Identifikacija nabitih delcev je ena izmed bistvenih komponent eksperimentalnih aparatur v fiziki osnovnih delcev. V zadnjem desetletju je vodilno vlogo aparature za identifikacijo prevzel detektor Čerenkovih obročev. Kot prostorsko občutljivi števec fotonov v detektorju Čerenkovih obročev, ki ga načrtujemo za nadgradnjo spektrometra Belle, proučujemo nov tip detektorja. Gre za večanodno fotopomnoževalko, pri kateri je dinodno pomnoževalno strukturo zamenjalo zaporedje dveh mikrokanalnih plošč s porami premera 25 mikrometrov. Prelimininarni testi v testnem žarku so pokazali, da tak detektor svetlobe zelo učinkovito zaznava posamezne fotone, pred običajnimi fotopomnoževalkami pa ima veliko prednost: deluje tudi v magnetnih poljih gostote do 0.8 T. Za potencialno uporabo tega detektorja je bistveno, kakšen je časovni odziv. Po eni strani je boljša časovna resolucija ugodna za zmanjševanje ozadja, po drugi strani pa bi z zelo dobro resolucijo tak detektor lahko uporabili za novo vrsto detektorskega sklopa, kjer bi ob Čerenkovem kotu merili tudi čas preleta. Na ta način bi lahko bistveno izboljšali zanesljivost ločevanja med pioni in kaoni v območju gibalnih količin pod 1 GeV/c. Naloga bo ob meritvi časovne ločljivosti obsegala tudi meritev krajevne odvisnosti odziva večanodne fotopomnoževalke in vpliv vpadnega kota fotonov na izkoristek detekcije in na presluh med kanali. Meritve bodo potekale v laboratoriju za razvoj detektorjev Odseka za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev (F9) na IJS.

Večanodna fotopomnoževalka kot detektor scintilacijskih fotonov pri pozitronski emisijski tomografiji

Ena izmed najbolj učinkovitih modernih diagnostičnih metod je pozitronska emisijska tomografija (PET). Pri tej metodi pacientu v kri vbrizgamo beta+ radioaktivni izotop. Pri razpadu nastali pozitron se v telesu na razdalji < 1 mm anihilira z elektronom, rezultat anihilacija pa sta dva kolinearna žarka gama z energijo enako masi elektrona 511 keV. Če oba fotona zaznamo, vemo, da je njun izvor nekje na daljici zveznici obeh mest detekcije. Z računalniško rekunstrukcijo slike porazdelitev daljic pretvorimo v porazdelitev izvorov, to pa dobi v roke zdravnik. Kot detektor žarkov gama z energijo 511 keV običajno uporabljamo anorganske kristale. Ti morajo biti dovolj hitri, da v aparaturi ne prihaja do naključnih koincidenc. Tradicionalno scintilacije v kristalu zaznamo z enokanalno fotopomnoževalko. V zadnjih nekaj letih pa se je pokazalo, da bi tudi večanodne fotopomnoževalke zaradi kompaknosti in zelo majhnega presluha lahko služile kot detektor svetlobe. Zaradi zelo dobre krajevne ločljivosti (vsaka anoda pokriva področje 4.5 mm x 4.5 mm) bi s takim detektorjem lahko sestavili tudi tako imenovano mikro-PET aparaturo za študij fizioloških procesov v miših, na primer pri razvoju novih vrst zdravil. Diplomska naloga bo obsegala simulacijo odziva aparature za različne vrste in geometrije kristalov, in optimizacijo in izbiro parametrov testne aparature. Prototip sistema, zaporedje nekaj fotopomnoževalk na kristalu, bomo testirali z beta+ radioaktivnim izvorom Na-22. Izmerili bomo izkoristek sistema in krajevno ločljivost. Posebno skrb bomo namenili tistim območjem na površini kristala, ki jih ne pokriva aktivna površina fotopomnoževalk. Meritve bodo potekale v laboratoriju za razvoj detektorjev Odseka za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev (F9) na IJS.

Razvoj hitrega časovno digitalnega pretvornika

Za ločevanje kaonov od pionov z gibalnimi količinami do 4 GeV/c načrtujemo v spektrometru Belle na Japonskem izgradnjo detektorja obročev Čerenkova, ki bo kot sevalec uporabljal kremenov aerogel, kot fotonski detektor pa trenutno preizkušamo različne detektorje fotonov. Pri tem proučujemo novo metodo, pri kateri lahko z meritvijo časa prihoda fotonov na fotonski detektor izboljšamo identifikacijo delcev. Ker bo pozicijsko občutljivi detektor pokrival povšino nekaj m2, potrebujemo na izhodu iz detektorja enostavno elektroniko. Zaradi šuma na svetlobnih senzorjih moramo signale zaznati v ozkem časovnem oknu. Ena od možnih rešitev je uporaba električnih programabilnih polj (FPGA - field programmable gate arrays), ki se zaradi fleksibilnosti čedalje pogosteje uporabljajo v nuklearni elektroniki. Enote FPGA omogočajo, da lahko le s programiranjem logičnih blokov relativno hitro spremenimo funkcijo vezja in si na ta način prilagodimo čitalno elektroniko. Namen diplomskega dela je študij take čitalne elektronike in izdelava večkanalnega časovno digitalnega pretvornika, ki bo imel časovno resolucijo pod ns. Delo bo obsegalo načrtovanje, izdelavo in umeritev predlaganega pretvornika s pomočjo sodobnih orodij za načrtovanje in programiranje vezij. Potekalo bo v laboratoriju za razvoj detektorjev Odseka za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev (F9) na Institutu Jožef Stefan.

Razvoj aparature za detekcijo eksplozivov

Skrita eksplozivna sredstva so vzrok večine smrti v kriznih žariščih po svetu. Še posebej velik problem prestavljajo minska polja, ki ostanejo ne-eksplodirana na območjih preteklih konfliktov. Pri odkrivanju tovrstnih eksplozivov pomembno vlogo predstavljajo detektorji za odkrivanje eksplozivov. Detektorji za kovine, sicer enostavni in učinkoviti pri klasičnih eksplozivih, so za zaznavanje plastičnih eksplozivov neuporabni.

Namen diplomskega dela je raziskati novo metodo, ki temelji na meritvi Comptonsko sipanih žarkov gama. Obstoječe metode radiografije s Comptonsko sipanimi žarki zahtevajo uporabo mask in kolimiranega izvora za izboljšanje kontrasta slike. Zaradi različnih sipalnih lastnosti eksplozivov in zemlje lahko na ta način v principu določimo lego eksploziva. Predlagano diplomsko delo bi raziskalo izpeljanko te metode, pri kateri si obetamo bistveno izboljšavo kontrasta. V okviru diplomskega dela bo kandidat raziskal občutljivost, globinsko resolucijo in kontrast metode. Delo bo potekalo v Laboratoriju za razvoj detektorjev na Odseku za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev (F9) Instituta Jožef Stefan.

Vpliv scintilacij v aerogelu na ločevanje v detektorju Čerenkovih obročev

Za ločevanje kaonov od pionov z gibalnimi količinami do 4 GeV/c načrtujemo v spektrometru Belle na Japonskem izgradnjo detektorja obročev Čerenkova, ki bo kot sevalec uporabljal kremenov aerogel. Kremenov aerogel je umetna porozna snov z lomnim količnikom med 1.005 in 1.2, torej med plini in trdnimi oziroma tekočimi sevalci. Do pred nekaj leti je bil zaradi Rayleighejevega sipanje za svetlobo relativno slabo prepusten, razvoj v zadnjih letih pa je omogočil njihovo uporabo v detektorjih osnovnih delcev. Testi, ki smo jih opravili s prototipom takega detektorja kažejo, da tak detektor deluje po predvidevanjih. Do sedaj relativno neraziskan pa je bil obstoj scintilacij v aerogelu. Predmet diplomskega dela je študij scintilacij v aerogelu s pomočjo spektrometra za vidno svetlobo. Delo bo obsegalo načrtovanje, postavitev in umeritev eksperimentalne naprave za meritev scintilacij. S tako pripravljeno aparaturo bo možna meritev spektra scintilacij v aerogelu in meritev njihove časovne porazdelitve. Na osnovi meritev bo ocenjen vpliv na ločevanje kaonov od pionov v načrtovanem detektorju obročev Čerenkova z aerogelom kot sevalcem. Delo bo potekalo v Laboratoriju za razvoj detektorjev na Odseku za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev (F9) Instituta Jožef Stefan.

Primerjava fotonskih detektorjev za pozitronsko emisijsko tomografijo

Zadnja leta izredno narašča pomen uporabe pozitronske tomografije v medicini tako za diagnostiko kot tudi med zdravljenjem. Pri tej metodi pacientu v kri vbrizgamo radiofarmak, označen z beta+ radioaktivnim izotopom. Pri razpadu nastali pozitron se v telesu na razdalji <1mm anihilira z elektronom, rezultat anihilacija pa sta dva kolinearna žarka gama z energijo enako masi elektrona 511 keV. Če oba fotona zaznamo, vemo, da je njun izvor nekje na daljici zveznici obeh mest detekcije. Z računalniško rekunstrukcijo slike porazdelitev daljic pretvorimo v porazdelitev izvorov, to pa dobi v roke zdravnik. Kot detektor žarkov gama z energijo 511 keV običajno uporabljamo anorganske kristale. Ti morajo biti dovolj hitri, da v aparaturi ne prihaja do naključnih koincidenc. Scintilacije zaznamo z detektorjem fotonov. Do nedavna so v komercialno dosegljivih sistemih uporabljali enokanalne fotopomnoževalke, z razvojem pozicijsko občutljivih detektorjev pa lahko ob hkratni segmentaciji kristalov ločljivost slike močno povečamo. Nekatere vrste detektorjev (npr. večanodne fotopomnoževalke z mikrokanalnimi ploščami) omogočajo, da lahko zelo natančno izmerimo tudi čas zaznave interakcije in s tem občutno zmanjšamo število naključnih koincidenc. Diplomska naloga bo obsegala primerjavo učinkovitosti različnih detektorjev fotonov, vpliv krajevne in časovne ločljivosti na kvaliteto slike, študij globine interakcije in študij vključitve časa preleta v rekonstrukcijo slike. Kandidat bo pri delu uporabljal programski paket Gate (Geant4 Application for Emission Tomography), ki vsebuje tako simulacijo odziva detektorja in rekonstrukcijo slike, na voljo za računanje pa mu bo gruča računalnikov. Delo bo potekalo na Odseku za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev (F9) na Institutu Jožef Stefan.

-- RokPestotnik - 15 Sep 2014

This topic: Main > MainLabModules > PhdetLab > DiplomskaDela
Topic revision: 26 May 2015, rok
This site is powered by FoswikiCopyright © by the contributing authors. All material on this collaboration platform is the property of the contributing authors.
Ideas, requests, problems regarding Foswiki? Send feedback