Study of Radiation Damage of Lead Tungstate Crystals in the Context of CMS ECAL

Autor: Edström, Daniel
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2011
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: The Large Hadron Collider, LHC, at CERN is capable of producing proton-proton collisions at a total energy of 14 TeV. Four principal detectors are installed in the LHC to detect the various particles created in the collisions. In one of these detectors, the CMS, scintillating crystals of lead tungstate are utilized to convert the energy of electromagnetic particles to visible light. Due to the high amount of radiation in the detector, the performance of the crystals may degrade during the lifetime of the detector. In this work, crystals such as the ones used in the CMS detector are irradiated with gamma radiation and protons to estimate the transmission loss in the crystals. The spontaneous recovery at room temperature is studied over a period of several weeks. Induced diffusion is also studied. In addition, techniques for reversing crystal damage are presented and studied. The techniques used are thermal bleaching, restoration by heating the crystals, and optical bleaching, restoration by exposing the crystals to light of a specified wavelength.The light yield, the amount of light extracted per unit of deposited energy, for different crystals and different types of sources has also been compared. The sources used have been gamma, alpha and neutron sources. The induced absorption of standard PWO endcaps at 422 nm after being exposed to 1 kGy gammas was measured to be in the range of 0.6 to 0.7 m-1For mo-doped crystals the corresponding value was measured in the range of 0.2 to 0.3 m .-1 When increasing the dose to 100 kGy the induced .absorption at 422 nm was found in the range of 1.17 to 1.32 m-1for standard crystals and 3.02 to 4.43 m-1for molybdenum doped crystals. The transmission could be completely recovered using thermal bleaching for both gamma and proton induced damage, while optical bleaching has so far only been shown to perform a limited recovery. Proton irradiated samples demonstrated an induced diffusion, which could be eliminated using thermal bleaching.The light yield of the measured crystals was shown to be consistently lower for alpha particles and neutrons than for gamma particles. The rates varied in the range of 5% to 27% when comparing the light yield for alpha particles to gamma particles, and in the range of 5% to 70% when comparing neutrons to gammas
LHC, “Large Hadron Collider”, är en partikelaccelerator vid CERN med en förmåga att producera kollisioner mellan protoner och protoner vid 14 TeV total energi. Fyra huvuddetektorer är installerade i LHC för att detektera de partiklar som skapas vid kollisionerna. I en av dessa detektorer, CMS, används scintillationskristaller av bly-wolfram-oxid för att omvandla energin från elektromagnetiska partiklar till synligt ljus. På grund av den stora mängden strålning i detektorn kan dessa kristallers egenskaper försämras över tiden.I detta arbete har kristaller av den typ som används i CMS-detektorn bestrålats med gammapartiklar och protoner för att uppskatta förlusten av transmission i kristallerna. Den spontana återhämtningen av transmission har studerats över en period av flera veckor. Inducerad diffusion från protoner har också studerats. Tekniker för att återfå kristallernas egenskaper presenteras och deras effektivitet studeras. Teknikerna som används är termisk blekning, återhämtning genom uppvärmning av kristallerna, och optisk blekning, återhämtning genom att belysa kristallerna med ljus av en specifik våglängd.Mängden ljus en kristall producerar per enhet av deponerad energi för olika kristaller och typer av källor har studerats. De använda källorna har varit gamma-, alfa- och neutronkällor.Den inducerade absorptionen hos standard endcap-kristaller vid 422 nm efter 1 kGy gammastrålning uppmättes mellan 0,6 och 0,7 m-1 För molybdenium-dopade kristaller var det motsvarande värdet .mellan 0,2 och 0,3 m-1 Efter en dos av 100 kGy uppmättes den inducerade absorptionen mellan 1,17 .och 1,32 m-1för standardkristaller och mellan 3,02 och 4,43 m-1för molybdenium-dopade kristaller. Transmissionen kunde helt återfås medelst termisk blekning för både gamma- och protoninducerad skada, medan optisk blekning hittills endast uppvisat delvis återhämtning. Protonbestrålade prov visade en inducerad diffusion, som kunde elimineras med termisk blekning.Mängden ljus de studerade kristallerna producerar visades vara konsekvent lägre för alfapartiklar och neutroner än för gammapartiklar. Kvoten mellan mängden ljus producerat av alfapartiklar och gammapartiklar varierade mellan 5 % och 27 % för de olika kristallerna. Motsvarande kvot för ljus producerat av neutroner och gammapartiklar varierade mellan 5 % och 70 %.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: