VLOGA ZA (SO)FINANCIRANJE
RAZISKOVALNEGA PROJEKTA ZA LETO 2001

(RESEARCH PROPOSAL)

II. VSEBINA PREDLAGANEGA RAZISKOVALNEGA PROJEKTA[1]

1. Naslov raziskovalnega projekta (Title of Proposed Project):

Števec Čerenkovih fotonov z aerogelom kot sevalcem

2. Predlog projekta (Proposed Research)

2.1. Izhodišče raziskave in predstavitev problema
(Scientific Background of the Proposed Research):

Čerenkovo sevanje, ki ga v prozorni snovi povzročijo hitri nabiti delci, je temelj različnih metod za detekcijo in identifikacijo delcev. Kot izvore Čerenkovega sevanja so do sedaj uporabljali plinske in trdne (oziroma tekoče) sevalce. Prag za sevanje fotonov je za pione v plinskih sevalcih nad 2,5 GeV/c, v trdnih (tekočih) pa pod 0,2 GeV/c, medtem ko vmesno področje ostane nepokrito. Gre za kinematično območje, ki je bistveno pri proučevanju redkih razpadov mezonov B. Ti procesi so predmet raziskav več eksperimentov, od teh nekateri že potekajo, drugi pa so v pripravi.

Rešitev prinaša silicijev aerogel, porozna snov z lomnim količnikom med 1,005 in 1,06. Uporabo aerogela kot Čerenkovega sevalca sta do sedaj omejevali sorazmerno slaba prepustnost za svetlobo in higroskopičnost. Nove sintezne metode in izboljšani postopki pri izdelavi aerogelov so v zadnjem času omogočili, da so danes dostopni aerogeli, ki imajo boljšo svetlobno prepustnost, nekateri med njimi pa so celo hidrofobni. Na ta način se je odprla možnost za uporabo Čerenkovega sevanja iz aerogela pri razvoju detekcijskih metod za zaznavanje in ločevanje delcev.

Aerogel kot Čerenkov sevalec so do sedaj uporabili za ločevanje delcev že pri dveh eksperimentih v fiziki osnovnih delcev: pri eksperimentu HERMES na nemškem institutu DESY v Hamburgu in pri eksperimentu BELLE na institutu KEK v Tsukubi na Japonskem. Dobljeni rezultati kažejo, da bi bilo smiselno tak sevalec uporabiti tudi v detektorju Čerenkovih obročev s tankim sevalcem brez fokusiranja s sistemom zrcal (t.i. proximity focusing RICH). Prednost takega tipa detektorjev je v kompaktnosti, ki je posebej pomembna pri spektrometrih ob visokoenergijskih trkalnikih. Z uporabo boljših aerogelov ter v zadnjem času razvitih večanodnih fotopomnoževalk nameravamo izpopolniti metodo za detekcijo Čerenkovih fotonov.

V sklopu predlaganega projekta bomo pripravili testno aparaturo, s katero bomo preizkusili delovanje detektorja Čerenkovih obročev s tankim sevalcem brez fokusiranja. Raziskali in preizkusili bomo sisteme za zbiranje svetlobe, ki so bistveni za uspeh metode, saj je aktivna površina fotopomnoževalk zaznavno manjša od celotne površine, ki jo pokrivajo.

Razvoj števca Čerenkovih fotonov ponuja potencialno uporabo pri detekciji izvorov beta. Posebej zanimiva je detekcija radioaktivnega izotopa Sr-90 v okolju. Izotop Sr-90 je visoko radiotoksičen, saj se tako kot kalcij veže v kosteh in ima razpolovni čas 28,5 let, hčerinski izotopY-90 pa seva beta elektrone z relativno visoko največjo energijo (Emax = 2,27 MeV). Omenjeni radioaktivni izotop Sr-90 sodi med fisijske produkte, zaradi česar lahko ob morebitni nesreči v jedrski elektrarni onesnaži okolje. V tem primeru je pomembno hitro in natančno izmeriti njegovo koncentracijo v različnih vzorcih. Sr-90 in Y-90 sta čista beta sevalca in jih s standardnimi metodami gama spektrometrije ne moremo identificirati. Identifikacijo nuklidov z uporabo beta spektrometrije otežuje dejstvo, da je spekter zvezen, z veliko prekrivajočimi se prispevki različnih nuklidov v vzorcu. Standarna metoda temelji na večstopenjski kemijski analizi in je časovno zahtevna in zapletena.

Pred časom so sodelavci Instituta Jožef Stefan predlagali metodo, ki temelji na dejstvu, da je zgornja meja energijskega spektra beta pri Y-90 relativno visoka. Z izbiro aerogela s primernim lomnim količnikom lahko dosežemo, da le beta elektroni z dovolj visoko energijo sevajo Čerenkove fotone, tako je na primer prag v aerogelu z lomnim količnikom n=1,06 pri energiji 1 MeV. Na ta način lahko ločimo prispevke različnih radioaktivnih izotopov.

V okviru predlaganega projekta bomo z modeliranjem fizikalnih procesov, ki jih povzročijo beta elektroni, ter ozadja žarkov gama in kozmičnih delcev, optimizirali parametre detektorja. S takim detektorjem bi bile mogoče hitre meritve nizkih aktivnosti izotopa Sr-90.

2.2. Analiza in pregled relevantne literature (in rezultatov raziskav)
(Present State-of-the-Art in the Proposed Field of Research):

Eksperiment BELLE je prvi eksperiment v fiziki osnovnih delcev, pri katerem so uporabili aerogel v pragovnem detektorju Čerenkovega sevanja, medtem ko so pri eksperimentu HERMES prvi z uporabo aerogela opazovali Čerenkove obroče (referenci 1 in 2). T. Iijma je predstavil idejo, da bi aerogel uporabili kot detektor Čerenkovih obročev s tankim sevalcem brez sistema zrcal (referenca 3). Potrebo po razvoju takega detektorja kažejo tudi spoznanja eksperimenta BABAR, kjer v detektorju Čerenkovih obročev uporabljajo velik volumen snovi z velikim lomnim količnikom. Pri tem že nizkoenergijski elektroni iz ozadja povzročijo signal, ki zaznavno prispeva k ozadju meritev (referenca 4).

Naše izkušnje z večanodnimi fotopomnoževalkami kot detektorji posameznih fotonov (reference 5-8) in optičnim sistemom za zbiranje svetlobe (referenca 9) kažejo, da bo možno razviti primeren fotonski detektor za tak tip Čerenkovega števca. Pri projektu je pomembno upoštevati tudi velik napredek na področju izdelave materialov iz aerogela (reference 2, 10-12). Pri raziskavi uporabe detektorja Čerenkovih fotonov z aerogelom kot sevalcem pri meritvah radioaktivnosti beta v vzorcih so bistvene pretekle izkušnje, pridobljene pri testiranju detektorja čistih sevalcev beta na podlagi aerogela, ki je bilo opravljeno na našem institutu (referenca 13).

Nekaj avtorjev je raziskalo možnost meritve Sr-90/Y-90 v vodnih raztopinah z uporabo komercialnih tekočih scintilatorjev (reference 14-17). Prag za Čerenkovo sevanje in izrazita energijska odvisnost izkoristka detekcije v vodnih raztopinah bi se sicer lahko uporabila za ločevanje in s tem za znižanje prispevka nizkoenergijskih sevanj beta in gama (referenca 18). Ker pa relativno visok lomni količnik vode (n = 1,33) ustreza relativno nizkemu energijskemu pragu 0,263 MeV za sevanje Čerenkova, bi v takem detektorju večina radionuklidov prispevala k signalu. Zato ocenjujemo, da ima v projektu predlagana metoda bistvene prednosti.

Reference:

1. T. Iijima et al., Nucl. Instr. and Meth. A453 (2000) 217-221.

2. E. Aschenauer et al., Nucl. Instr. and Meth. A440 (2000) 338-347.

3. T. Iijima, "Aerogel Cherenkov Counter in Imaging Mode", JPS Meeting, Tokio, September 1997.

4. I. Adam, "DIRC, the particle identification system for BABAR", SLAC-PUB-8590, Aug. 2000.

5. P. Križan et al., Nucl. Instr. and Meth. A394 (1997) 27-34.

6. S.Korpar et al., Nucl. Instr. and Meth. A442 (2000) 316-321.

7. S.Korpar et al., Nucl. Instr. and Meth. A433 (1999) 128-135.

8. I.Arinyo et al., Nucl. Instr. And Meth. A453 (2000) 289-295.

9. D.R. Broemmelsiek, Nucl. Instr. and Meth. A433 (1999) 136-142.

10. R. De Leo et al., Nucl. Instr. and Meth. A457 (2001) 52-63.

11. A.R.Buzykaev et al., Nucl. Instr. and Meth. A433 (1999) 396-400.

12. T. Sumiyoshi et al., Nucl. Instr. and Meth. A433 (1999) 385-391.

13. D.Brajnik et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A353 (1994) 217-221.

14. W.J. Gelsema et al., Int. J. Appl. Radiat. Isot. 26 (1975) 443.

15. J.E. Martin, Int. J. Appl. Radiat. Isot. 38 (1987) 953.

16. H.H. Ross, Anal. Chem. 41 (1969) 1260.

17. B. Carmon, Int. J. Appl. Radiat. Isot. 30 (1979) 97.

18. K.Walter et al., Radio. Acta 62 (1993) 207-212.

2.3. Pomembnost pričakovanih raziskovalnih rezultatov (Scientific/Technological Relevance):

2.3.1. Pomen za razvoj znanosti (Relevance to Science Development):

Identifikacija nabitih delcev, predvsem ločevanje kaonov od pionov, je bistvena pri meritvah redkih razpadov mezonov B in D. Z uporabo aerogela v detektorjih Čerenkovih obročev bo mogoč nadaljnji razvoj identifikacijskih metod. Predvsem bodo postali bolj dosegljivi tudi redki dvodelčni razpadi mezonov B, kar bo olajšalo meritev kršitve CP v sistemu mezonov B.

Projekt je pomemben tudi za nadaljnji razvoj metode za meritev radioaktivnosti čistih beta sevalcev s Čerenkovim sevanjem v aerogelu. Z raziskavami in optimizacijo posameznih komponent merilnega sistema in njihove postavitve pričakujemo, da bo izkoristek za detekcijo sevanja beta iz razpadne verige Sr-90/Y-90 dovolj visok, da bo omogočal meritve majhnih koncentracij radiotoksičnega izotopa Sr-90.

2.3.2. Pomen za aplikacijo (Relevance to Application):

Aparatura za meritev nizkih aktivnosti Sr-90, ki bi jo lahko razvili na podlagi izsledkov tega projekta, bi omogočala enostavno rokovanje in hiter odziv in bi bila uporabna za končnega uporabnika. Izdelek bi lahko bil potencialno uporaben kot del kontrole kvalitete hrane, predvsem kontrole koncentracije Sr-90 v živalskih kosteh.

2.3.3. Pomen za sofinancerje/uporabnike (Relevance to Beneficiaries):

2.3.4. Pomen za širjenje in izkoriščanje znanja (za aplikativne raziskave)
(Dissemination and Exploitation of Results):

2.4. Podroben opis programa raziskovalnega projekta
(Detailed Description of the Work Programme):

· Postavitev sistema z detektorjem Čerenkovih obročev z uporabo obstoječe opreme

· Študij optičnega sistema za zbiranje Čerenkovih fotonov

· Preizkus sistema s kozmičnimi mioni

· Pregled manjkajočih komponent, izboljšave in preizkus

· Test detektorja v testnem žarku

· Postavitev sistema za meritev radioaktivnosti čistih beta sevalcev

· Optimizacija aparature s simulacijo fizikalnih procesov in ozadja ter preizkus nadgrajenega detektorja

2.5. Časovna razporeditev (Timescale):

V prvem letu bomo podrobno pregledali delovanje posameznih obstoječih komponent detektorja ter sestavili in preizkusili prototip. V drugem letu bomo aparaturo nadgradili na podlagi izkušenj, pridobljenih s testnimi meritvami. V tem letu bomo tudi postavili aparaturo za meritev nizkih aktivnosti Sr-90. V tretjem letu projekta pa bomo razvili končno različico aparature z optimizacijo uporabljenih sestavnih delov.

2.6. Raziskovalna oprema (Research Equipment):

2.6.1. Razpoložljiva raziskovalna oprema (nad 5000 ECU) potrebna za izvedbo projekta
(Available Research Equipment):

Laboratorij za razvoj detektorjev osnovnih delcev, Odsek za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev, Institut Jožef Stefan:

· Programska oprema LabView in PC računalnik Pentium III, operacijski system Windows98

· radioaktivni izvor beta elektronov Sr-90 (Amersham), večžična proporcionalna komora in

plastični scintilatorji

· večanodne fotopomnoževalke Hamamatsu , R5900-M16 in R5900-M4

· ojačevalnik, oblikovalnik sunkov in diskriminator ASD8

· Plinski sistem s plini, ki so potrebni za delovanje

· Merilni enoti CAMAC in NIM z :

· Visokonapetostnim napajalnikom CAEN 4CH HV Power Supply Mod. N470

· Nizkonapetostnim napajalnikom Voltcraft LV Power Supply

· CAEN CAENET Camac controller Mod. C117B

· LeCroy 8901A GPIB vmesnik

· analogno-digitalnim pretvornikom Ortec ADC Mod. AD811 in LeCroy ADC 2249A

· časovno-digitalnim pretvornikom LeCroy TDC 4291B

· digitalno-analognim pretvornikom CAEN 16 CH Multiplexed DAC Mod. C221

· števcem CAEN 16 CH ECL scaler Mod. C257

· števcem CAEN Preset Counter and Gate Mod. C423

· diskriminatorjem Philips 7106 16 Channel Discriminator Latch

· števcem CAEN Quad Scaler and Preset Counter Mod. N145

· diskriminatorjem EG-G-ESN Octal CF discriminator CF800

· logičnim vezjem Philips scientific Quad Linear Fan In-Out Mod.744

· logičnim vezjem Philips scientific Quad Two Fold Logic Unit Mod. 752

· ojačevalnikom Ortec Fast Amplifier FTA 820A

· zakasnitveno enoto Philips scientific Dual Delay Module Mod.792

2.6.2. Manjkajoča raziskovalna oprema (nad 5000 ECU) potrebna za izvajanje projekta
(Required Research Equipment):

/

3. Mednarodno sodelovanje (International Cooperation)

3.1. Sodelovanje v mednarodnih projektih (Participation in International Projects):

/

3.2. Druge oblike sodelovanja (Other Forms of Cooperation):

/

4. Projektna skupina (Project Team) (glej prilogi A in B)

4.1. Odgovorni nosilec (Principal Researcher)

4.1.1. Ime in priimek, akademski ter znanstveno-raziskovalni naziv odgovornega nosilca
(Name, Degree):

dr. Rok Pestotnik, asistent z doktoratom

4.1.2. Kratka biografija odgovornega nosilca
(CV of the Principal Researcher):

Dr. Rok Pestotnik se je rodil 3.1.1972. V osmem razredu osnovne šole je prejel prvo nagrado na zveznem tekmovanju iz fizike v Dečanih, Srbija. Po končani osnovni in srednji šoli je po služenju vojaškega roka 1990/91 študiral fiziko na Fakulteti za naravoslovje in tehnologijo Univerze v Ljubljani in diplomiral leta 1996 z diplomskim delom Večanodna fotopomnoževalka kot krajevno občutljivi detektor Čerenkovih obročev. Zanj je prejel študentsko Prešernovo nagrado Fakultete za matematiko in fiziko za leto 1996. Istega leta se je vpisal na enovit doktorski študij Fizika osnovnih delcev in jedra, ki ga je končal marca 2001 z zagovorom doktorskega dela Identifikacija pionov, kaonov in protonov v spektrometru HERA-B. Med samim usposabljanjem je bil zaposlen na Fakulteti za matematiko in fiziko kot mladi raziskovalec, aprila 2001 pa se je zaposlil na Institutu Jožef Stefan kot asistent z doktoratom. Leta 1999 je bil izvoljen za asistenta na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. Področje raziskav dr. Roka Pestotnika sta eksperimentalna fizika osnovnih delcev in razvoj detekcijskih metod za identifikacijo osnovnih delcev. Kot član mednarodne kolaboracije od leta 1996 sodeluje pri eksperimentu HERA-B, ki raziskuje redke razpade v fiziki mezonov D in B. Sodeloval je tudi pri razvoju fotonskih detektorjev in elektronike za detektor Čerenkovih obročev pri eksperimentu HERA-B. V okvir njegovega doktorskega usposabljanja je sodilo tudi raziskovalno delo v tujini, od tega eno leto (1999/2000) na inštitutu DESY v Hamburgu. Poleg izkušenj na področju eksperimentalne fizike se je poglobljeno ukvarjal s simuliranim modeliranjem fizikalnih procesov in z njim povezanim razvojem programske opreme.

4.2. Reference odgovornega nosilca in ostalih raziskovalcev projektne skupine
(Professional References of the Members of the Project Team)

- priložite izpise bibliografij iz COBISS-a oz. za medicino iz baze IBMI za obdobje od 1998 dalje

4.2.1. Navedite seznam člankov odgovornega nosilca v mednarodno priznanih publikacijah (samo toliko, da se vidi izpolnjevanje pogoja)[2]
( List of Scientific Articles of Principal Researcher Published in Internationally Recognized Publications ):

Glej priloženo bibliografijo odgovornega nosilca. Odgovorni nosilec projekta je mlajši od 35 let in je zagovarjal doktorat leta 2001.

4.2.2. Navedite seznam člankov v mednarodno priznanih publikacijah za tretjino raziskovalcev v projektni skupini, ki izpolnjuje pogoje za odgovornega nosilca:
(samo toliko, da se vidi izpolnjevanje pogoja)²
(List of Scientific Articles Published in Internationally Recognized Publications of Qualified Researchers in the Team):

Glej priloženo bibliografijo raziskovalcev. Oba raziskovalca v projektni skupini sta mlajša od 35 let in sta zagovarjala doktorat leta 2001.

4.2.3. Navedite najbolj citiran članek odgovornega nosilca citiran v mednarodno priznanih publikacijah v zadnjih 10 letih, število citatov te publikacije in vir informacije o citatih (CAS, ISI, SSCI, AHCI, itd.)

(The Most Frequently Cited Article of Principal Researcher in Internationally Recognized Publications in Last 10 Years, Number of Citations and Citation Source):

S.Korpar et al., The HERA-B RICH, Nucl. Instr. Meth.A433 (1999) 128-135, 7 citatov , vir: ISI

4.2.4. Navedite najbolj citiran članek za tisto tretjino raziskovalcev v projektni skupini, ki izpolnjuje z zakonom in pravilnikom določene pogoje za odgovornega nosilca – citiranih v mednarodno priznanih publikacijah v zadnjih 10 letih, število citatov te publikacije in vir informacije o citatih (CAS, ISI, SSCI, AHCI, itd.)
(The Most Frequently Cited Article of Project Team in Internationally Recognized Publications in Last 10 Years, Number of Citations and Citation Source):

Albrecht H. et al., Evidence for Lambda(c)(2593)(+) production, Phys. Lett. B 402 (1997) 207-212, 4 citati, vir:ISI

4.3. Navedite mednarodne patente katerih avtor (soavtor) je odgovorni nosilec in tretjina raziskovalcev v projektni skupini, ki izpolnjuje z zakonom in pravilnikom določene pogoje za odgovornega nosilca (International Patents of Project Team):

/

V

Ljubljani

, dne

23.4.2001

Odgovorni nosilec:

(Principal Researcher)

Rok Pestotnik

---

[1] Dokument lahko v obliki obrazca za Word 6.0 uporabite za pripravo opisa vsebine projekta, lahko pa vam služi samo kot pregled točk, ki jih mora opis vsebine projekta vsebovati.

[2]18. člen Pravilnika o pogojih in metodologiji izbora in financiranja projektov temeljnega in aplikativnega raziskovanja: 18. člen

Znanstveno zmožnost raziskovalcev za izvedbo predlogov projektov temeljnega in aplikativnega raziskovanja se oceni z vidika:

- znanstvene utemeljenosti predloga projekta;

- raziskovalne usposobljenosti projektne skupine.

Projektna skupina izkazuje usposobljenost, če:

1. odgovorni nosilec izpolnjuje z zakonom določene pogoje za odgovornega nosilca in:

- ima vsaj en članek kot edini avtor, objavljen v mednarodno priznani publikaciji v zadnjih treh letih ali ustrezno število člankov v soavtorstvu,

- je bil citiran v mednarodno priznanih publikacijah v zadnjih desetih letih, ali

- ima mednarodne patente.

Navedene zahteve ne veljajo za odgovorne nosilce projektov, ki so mlajši od 35 let in od zagovora njihovega doktorata niso potekla več kot tri leta.

2. vsaj ena tretjina aktivnih raziskovalcev v projektni skupini izpolnjuje z zakonom in s tem pravilnikom določene pogoje za odgovornega nosilca,

3. oprema raziskovalne skupine zagotavlja izvedbo projekta.

Znanstveno-raziskovalni sveti natančneje določijo pogoje iz tega člena.