ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Aydın AYHAN CMS CASTOR DETEKTÖRÜNDE KULLANILAN KUVARTZ PLAKALARIN ÜRETİLMESİ VE DETEKTÖRE MONTAJI FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2009

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ CMS CASTOR DETEKTÖRÜNDE KULLANILAN KUVARTZ PLAKALARIN ÜRETİLMESİ VE DETEKTÖRE MONTAJI Aydın AYHAN YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI Bu tez../.../2009 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza:... İmza:. İmza:. Prof.Dr.Eda EŞKUT Prof.Dr.Gülsen ÖNENGÜT Yrd.Doç.Dr. Nuri EMRAHOĞLU DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdür İmza ve Mühür Bu Çalışma Ç.Ü. Araştırma Fonu Tarafından Desteklenmiştir. Proje No:FEF.2008.YL.9 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ CMS CASTOR DETEKTÖRÜNDE KULLANILAN KUVARTZ PLAKALARIN ÜRETİLMESİ VE DETEKTÖRE MONTAJI Aydın AYHAN ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman Prof. Dr. Eda EŞKUT Yıl 2009, Sayfa 65 Jüri Prof. Dr. Eda EŞKUT Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT Yrd.Doç. Dr. Nuri EMRAHOĞLU CASTOR, bir tungsten-kuvartz örnekleme kalorimetresidir. Kalorimetrede tungsten plakalar soğurucu ve kuvartz plakalar aktif madde olarak kullanılır. CASTOR CMS deneyinin ileri bölgesindeki 5,15 < η < 6, 5 pseudorapidite aralığını kapsayacaktır. Kalorimetre Çerenkov ışığı etkisine göre çalışmaktadır. CASTOR un IV. Prototipi ve gerçek CASTOR un bir oktantlık hadronik kısmında kullanılan kuvartz plakalar üretilmiştir. Üretimden önce kuvartzlara bazı işlemler uygulanmış ve bu işlemlerden sonra kuvartzların ışık geçirgenlik değerleri elde edilmiştir. Elde edilen bu değerlerden sonra kuvartzların üretimine ve detektöre monte edilmesine geçilmiştir. Bu tez çalışmasında, kuvartzlarla yapılmış olan çalışmalar ele alınmıştır. Anahtar Kelimeler: CASTOR, CMS, Kuvartz, Çerenkov Işınımı I

4 ABSTRACT MSc THESIS PRODUCTION OF QUARTZ PLATES USED IN THE CMS CASTOR DETECTOR AND THEIR INSTALLATION TO DETECTOR Aydın AYHAN DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF CUKUROVA Süpervisor Prof. Dr. Eda EŞKUT Year 2009, Pages 65 Jury Prof. Dr. Eda EŞKUT Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT Asist.Prof. Nuri EMRAHOĞLU CASTOR is a tungsten-quartz sampling calorimeter. Tungstens are absorber and quartz plates are active material. It will be installed in the CMS experiment forward region, with covering pseudorapidity range 5,15 < η < 6, 5. Calorimeter works as Cerenkov effectbased. Quartz plates were produced for hadronic section used in IV. prototype of CASTOR and an octant of real CASTOR. Before production some steps were applied to quartzes and after these steps it was taken from the Light Transmittion Rate of quartzes.after taken from these rates it was passed to production of quartz and installation to detector. In this study it was considered the done works with quartzes. Key Words: CASTOR, CMS, Quartz, Cherenkov Radiation II

5 TEŞEKKÜR Bu tezin oluşumunda değerli zamanını, düşünce ve deneyimlerini benden esirgemeyen, bana güvenerek CERN de bulunmamı sağlayan sevgili hocam ve danışmanım Prof. Dr. Eda EŞKUT a sonsuz teşekkür ederim. Yapmış olduğum çalışmalarda deneyimlerini benden esirgemeyen sevgili hocalarım Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT, Prof. Dr. Ayşe POLATÖZ ve Doç. Dr. İsa DUMANOĞLU na çok teşekkür ederim. Tez süresince çalışmalarımda bana yardımcı olan Dr. Kenan SÖĞÜT, Arş. Gör. Salim ÇERÇİ, Arş. Gör. Numan BAKIRCI ya ve CERN de bulunduğum süre boyunca birlikte çalıştığım değerli Micheal LEBEAU ve bütün laboratuar arkadaşlarıma çok teşekkür ederim. Bugünlere kadar gelebilmemde desteklerini hiç bir zaman benden esirgemeyen ve bana her zaman inanan sevgili annem Fatma AYHAN, sevgili abim Yılmaz AYHAN, sevgili kızkardeşim Emine AYHAN, sevgili kardeşim M.Emir AYHAN, sevgili yengem Çiğdem AYHAN ve sevgili dostum Murat YAVUZ a sonsuz teşekkür ederim. Ayrıca sekiz ay boyunca CERN de bulunmamı sağlayan TAEK (Türkiye Atom Enerji Kurumu) na ve yüksek lisans çalışmalarımı maddi olarak destekleyen Çukurova Üniversitesi Araştırma Projeleri Birimi ne teşekkür ederim. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ...I ABSTRACT...II TEŞEKKÜR...III İÇİNDEKİLER...IV ÇİZELGELER DİZİNİ...VI ŞEKİLLER DİZİNİ...VII SİMGELER VE KISALTMALAR...X 1.GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) CMS (Compact Muon Solenoid) Deneyi CMS Detektörünün Alt Birimleri İzleyici Sistem Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL) Hadronik Kalorimetre (HKAL) Mıknatıs Müon Sistemi CASTOR CASTOR da Araştırılacak Fizik Konuları CASTOR un Mekanik Tasarımı Çerenkov Işınımı MATERYAL VE METOD Aktif Madde Olarak Kuvartz Erimiş Silika (Fused Silika) Kuvartz CASTOR un Hadronik Kısmında Kullanılan Kuvartzların Üretimi Spektro-Fotometre (SF) SF Dizaynı Kuvartz Ölçümlerinde Kullanılan SF Düzeneği Kuvartz Plakalarının Üretim Aşamaları...31 IV

7 3.4. Kesme, Parlatma ve Cilalama Makineleri ve Bunlar ile Yapılan İşlemler Fırınlama ve Asetonda Bekletme ARAŞTIRMA VE BULGULAR DELPHİ Tabakalarının Kesilmesi Kuvartz Numunelerinin Test Edilmesi SONUÇLAR VE ÖNERİLER...57 KAYNAKLAR...59 EKLER...61 ÖZGEÇMİŞ...65 V

8 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 2.1. CMS süperiletken solenoid mıknatıs parametreleri (CMS TDR I,2006)..13 Çizelge 3.1. Kesim Koordinatları Çizelge 4.1. Farklı işlemlerden geçen kuvartz numuneler (ADIGÜZEL,2008)...48 VI

9 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 2.1. BHÇ Kompleksi ( Şekil 2.2. CMS Detektörü ( /CMSchallenges/CMSchallenges.ındex.html)...7 Şekil 2.3. Silikon Piksel ve Silikon Mikro-Şerit den oluşmuş CMS izleyici sistem ( II57Lo/R2YCfV)...9 Şekil 2.4. CMS EKAL ( P Şekil 2.5. CMS HKAL...12 Şekil 2.6. CMS Süper İletken Mıknatıs ( Şekil 2.7. Müon Sistemi( barrel_ring_with_muon_chambers.jpg) 14 Şekil 2.8. CASTOR detektörünün konumu (2008 JINST 3 S08004) Şekil 2.9. CASTOR kalorimetresinde kullanılan W tabaka Şekil Q plakalar Şekil CASTOR un bir oktantı...19 Şekil CASTOR un mekanik tasarımı (2008 JINST 3 S08004)...21 Şekil Jetler arkalarında iz bırakır Şekil Çerenkov konisi ( Şekil 3.1. Farklı yapılı kuvartzlar ( Şekil 3.2. SF test düzeneği...29 Şekil 3.3. Işık geçirgenlik ölçümünde kullanılan program (Courtesy of CMA Group at CERN)...30 Şekil 3.4. SF nin görünümü (Courtesy of CMA Group at CERN) Şekil 3.5. Dörtlü grup halinde yapıştırılan kuvartzlar...32 Şekil 3.6. Parlatma ve Cilalama aleti Şekil 3.7. Kesme makinesi...34 VII

10 Şekil 3.8. Kesme işlemi için kullanılan yardımcı alet...34 Şekil 3.9. Parlatma makinesi...35 Şekil Cilalama makinesi...36 Şekil Kuvartz geometrisi...37 Şekil Dörtlü Q grup...38 Şekil Fırınlamadan sonra kuvartzlar...38 Şekil Tüm işlemlerden geçen bir kuvartz plaka...39 Şekil 4.1. Tabakaların küçük plakalara ayrılması için kullanılan kesim şeması...40 Şekil , 2212 ve 2213 numaralı O kuvartzların ışık geçirgenliği...43 Şekil , 2112 ve 2113 numaralı O+KT yapılan kuvartzların ışık geçirgenlik değerleri...44 Şekil numaralı kuvartzın ışık geçirgenlik değerleri Şekil 4.5. O+KT+YS işlemleri yapılan 1143 numaralı kuvartzın 1100 C ısıtıldıktan sonraki ışık geçirgenliği...45 Şekil 4.6. Radyasyon dayanıklılığı gösteremeyen bazı kuvartz numuneler...46 Şekil numaralı kuvartzın ışık geçirgenlik değerleri...47 Şekil MRad lık doz uygulandıktan sonra 324 numaralı kuvartzın ışık geçirgenlik değerleri...48 Şekil 4.9.a. 21, 22, 23, 24, 25, 45, 46, 47 ve 48 numaralı kuvartzların radyasyondan sonra ışık geçirgenlik değerleri...48 Şekil 4.9.b. 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63 ve 64 numaralı kuvartzların radyasyondan sonra ışık geçirgenlik değerleri...49 Şekil 4.9.c. 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 ve 72 numaralı kuvartzların radyasyondan sonra ışık geçirgenik değerleri...49 Şekil 4.9.d. 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 ve 80 numaralı kuvartzların radyasyondan sonra ışık geçirgenlik değerleri...50 Şekil 4.9.e. 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87 ve 88 numaralı kuvartzların radyasyondan sonra ışık geçirgenlik değerleri...50 Şekil CASTOR un dördüncü prototipi...51 Şekil CASTOR un bir oktantlık kısmına yerleştirilen kuvartz plakalar...52 Şekil CASTOR un kuvartz ve tunsten plakaları...52 VIII

11 Şekil Beşli kuvartz ve tungsten plakalara bağlanan FÇT ler...53 Şekil CMS teki konumuna yerleştirilmek üzere 1/8 i tamamlanan CASTOR kalorimetresi...54 Şekil CASTOR un CMS deki yeri...54 Şekil CMS ye yerleştirilen CASTOR...55 Şekil EM için kullanılan orijinal kuvartzların ışık geçirgenlik değerleri...55 Şekil EM için kullanılan O+5 MRad lık doz sonrasında ölçülen ışık geçirgenlik değerleri...56 Şekil 5.1.a. Schott kuvartzlarının ışık geçirgenlik değerleri...57 Şekil 5.1.b. Hereous kuvartzlarının ışık geçirgenlik değerleri...58 IX

12 SİMGELER VE KISALTMALAR YEF : Yüksek Enerji Fiziği SM : Standart Model CERN : Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi BHÇ : Büyük Hadron Çarpıştırıcısı LEP : Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı PSB : Proton Siklotron İtici PS : Proton Siklotronu SPS : Süper Proton Siklotron CMS : Küçük Müon Solenoid CASTOR: Centauro ve Acayip Cisim Araştırmaları HF : İleri Hadronik Kalorimetre ZDC : Sıfır Derece Kalorimetre TOTEM : Toplam Etkileşme Tesir Kesiti Teleskopu DQM : Hapsedilemeyen Kuark Madde QCD : Kuantum Renk Dinamiği DELPHİ : Lepton, Foton ve Hadron tanımlayıcı Detektör SF : Spektro-Fotometre FÇT : Foto Çoğaltıcı Tüp MeV : Milyon Elektron Volt GeV : Milyar Elektron Volt TeV : Trilyon Elektron Volt X 0 λ η : Radyasyon Uzunluğu : Nükleer Etkileşme Uzunluğu : Yarı rapidite X

13 1. GİRİŞ Aydın AYHAN 1. GİRİŞ Parçacık veya Yüksek Enerji Fiziği (YEF), maddenin temel yapıtaşlarını ve bu yapı taşlarının davranışlarını en temel düzeyde kontrol eden, kuvvetleri araştıran fizik dalıdır. Maddenin bilinmeyenlerini ve Büyük Patlamadan günümüze kadar Evren in oluşum süreçlerini anlamak için kuramsal ve deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Kuramsal çalışmalar Standart Model (SM) denilen bir model ile açıklanmaktadır. Deneysel çalışmalar için hızlandırıcı ve detektörler kullanılmaktadır. Hızlandırıcılar, parçacık demetlerini hızlandırarak onlara enerji kazandıran makinelerdir. Hızlandırıcıların yapıları, uygulanan elektrik ve manyetik alana bağlıdır. Parçacıklar elektrik alandan dolayı hızlanır. Manyetik alan ise parçacıkların bir yörüngede dolaşmasını ve belli bir noktaya odaklanmasını sağlar. Günümüzde doğrusal ve dairesel olmak üzere iki çeşit hızlandırıcı vardır. Doğrusal hızlandırıcılarda parçacık demetleri hızlandırıcının bir noktasından başlayarak hedefe kadar elektrik alanı yardımıyla bir doğru boyunca hızlandırılır. Dairesel hızlandırıcılar üzerinde hareket eden parçacık demetleri ise istenilen hıza ve enerjiye ulaşana kadar daire üzerinde defalarca dönebilirler. Dairesel hızlandırıcılara uygulanan farklı elektrik alanları ile demetler ışık hızına çok yakın hızlara kadar hızlanabilir. Günümüzde hem doğrusal hem dairesel hızlandırıcıların birlikte kullanıldığı hızlandırıcılar da vardır. Bu tip hızlandırıcılar için verilebilecek en iyi örneklerden biri CERN (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) nde bulunan BHÇ (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) dir. Hızlandırıcı üzerinde ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS - Büyük Toroidal Detektör), CMS (Compact Muon Selonoid - Küçük Müyon Selonoid), ALICE (A Large Ion Collider Experiment Büyük İyon Çarpıştırıcı Deneyi), LHCb (A Large Hadron Collider Beauty) olmak üzere dört büyük deney bulunmaktadır. BHÇ de 14 TeV (1TeV=10 12 ev) kütle merkezi enerjisine sahip iki proton ( pp) hüzmesi ve 5.5 TeV lik ağır iyonlar ( PbPb) çarpıştırılacaktır. BHÇ de Büyük Patlama dan saniyenin milyarda birinden de kısa süre sonraki şartlar laboratuar koşullarında yaratılarak Higgs bozonu, madde-antimadde asimetrisi, süpersimetrik parçacıklar, mini kara delikler, gravitonlar gibi yeni parçacıklar 1

14 1. GİRİŞ Aydın AYHAN araştırılacaktır. Ayrıca Evrendeki karanlık maddenin yapısı, evrenin başlangıcında var olan sıcak ve yoğun maddenin özellikleri anlaşılmaya çalışılacaktır. Çukurova Üniversitesi Deneysel Yüksek Enerji Fiziği grubu 1996 yılından bu yana CMS deneyinin alt detektörlerindeki çalışmaları yürütmektedir. Grup elemanlarımız CMS nin hadronik kalorimetresi (HKAL) nin alt detektör birimlerinde çalışmaktadır. Bu tez çalışması HKAL in ileri detektörlerinden biri olan CASTOR (Centauro And STrange Object Research) kalorimetresinin dördüncü prototip inde ve gerçek CASTOR un bir oktantlık kısmında kullanılan kuvartz plakaların üretimi ile ilgilidir. CERN de üretilen kuvartz plakalar LEP (Büyük Elektron Pozitron Çarpıştırıcısı) in DELPHI (DEtector with Lepton, Photon and Hadron Identification) detektöründen alındı. LEP, CERN in BHÇ den önceki hızlandırıcısıdır. Tezin önceki çalışmalar kısmında BHÇ, CMS ve CASTOR detektörü hakkında bilgi verildi. Kuvartz plakaların üretilmesi için kullanılan makinelerin ayrıntıları ve kuvartz ların üretim aşamaları materyal ve metod kısmında tartışıldı. Kuvartz plakaları seçmek için yapılan ışık geçirgenlik ölçümleri araştırma ve bulgular kısmında verildi. Orijinal DELPHI tabakalarının üstünde bulunan Bakır-Krom ( Cu - Cr) izlerini temizleme işlemi üç aşamada yapıldı. Kuvartz nümunelerin ışık geçirme oranının performansını test edebilmek için numuneler İsviçre de bulunan PSI (Paul Scherrer Institute) de 60 Co kaynağı kullanılarak üç farklı dozda radyasyona maruz bırakıldı. Radyasyondan sonraki ışık geçirgenlik oranlarını ölçmek için nümunelerin üzerine 250 nm den başlayarak 5nm lik artışlarla 700 nm ye kadar farklı dalga boyunda ışık gönderildi. Tüm nümuneler uygulanan farklı dozlarda dalga boyu ile değişim gösterdi. Tüm işlemlerden başarı ile geçen plakalardan ışık geçirgenlikleri % 50 in üstünde olanlar CASTOR kalorimetresinin dördüncü prototipinde ve gerçek CASTOR un bir oktantlık hadronik kısmında kullanılmak üzere seçildi 2

15 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2.1 Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) Parçacıklar hızlandırıcılar kullanılarak çarpıştırılır. Yaygın olarak kullanılan iki tip hızlandırıcı vardır. Birincisi parçacıkların sabit bir hedef ile çarpışması diğeri parçacık hüzmelerinin birbirleri ile kafa kafaya gelecek biçimde çarpıştırılmalarıdır. Hızlandırıcılar üzerine yerleştirilen parçacık detektörleri ise çarpışmadan sonra meydana gelen yeni parçacıkları varlayarak onların momentumları, enerjileri, kütleleri ve yükleri hakkında bilgi verir. Bir hızlandırıcı aşağıdaki ana bileşenlerden oluşur ( Radyo Frekans (RF) Kovuğu ve Elektrik Alanlar; Parçacıkların hızlandırılmasında en önemli yapılardan biridir. RF kovukları hüzme borusu boyunca belirli aralıklarla yerleştirilir ve uygulanan elektrik alanı parçacık demetlerinin hızlanmasını ve enerji kazanmalarını sağlar. Vakum odası; Parçacıkların içinde ilerledikleri hüzme borusu olarak da bilinen metal bir borudur. Parçacıklar ve gaz molekülleri arasındaki çarpışmaları yok etmek için boru içinde ultra yüksek bir boşluk oluşturulur. Böylece parçacıkların hızını engelleyen etkiler azaltılır. Mıknatıslar; Hızlandırıcılarda dipol ve kuadrupol olmak üzere iki tip mıknatıs kullanılır. Dipol mıknatıslar parçacık yörüngelerinin bükülmesini sağlar kuadrupol mıknatıslar ise hüzmeyi odaklamak ve parçacıkları bir arada birbirine yakın tutmak için kullanılır. Bugün Dünya nın en yüksek enerjili parçacık hızlandırıcısı Cenevre yakınlarında, İsviçre ve Fransa sınırlarını içine alan BHÇ dir. Çevresi 27 km olan hızlandırıcı yerin yaklaşık 100 m altındadır. Bu hızlandırıcı, her şeyin temelini oluşturan maddenin en küçük yapı taşlarını ve Evren hakkında bilinmeyenleri daha iyi anlamamızı sağlayacaktır. 3

16 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN BHÇ Şekil 2.1 de görüldüğü gibi bir hızlandırıcı kompleksi olup CERN de daha önce var olan LEP (Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı) tünelinde yeni bir parçacık çarpıştırıcısı olarak inşa edilmiştir. BHÇ' de proton-proton (pp ) ve ağır kurşun iyonları (PbPb ) çarpıştırılacaktır. Kompleksin başlangıç noktası, hidrojen atomlarının iyonize edilerek proton ve elektronlara ayrıştırıldığı iyon kaynağıdır. İyonize olan protonlar önce doğrusal hızlandırıcılar (LINAC2) ile Proton Siklotron Booster (PSB) e pompalanır ve proton ların enerjisi 9 1,4 GeV (1GeV = 10 ev) e ulaşır. Daha sonra protonlar enerjilerinin 25 GeV ye çıktığı Proton Siklotron (PS) e oradan da çevresi 6 km olan Süper Proton Siklotron (SPS) e ulaşır. SPS de enerjisi 450 GeV e çıkan proton hüzmesi zıt yönde iki ayrı kola ayrılır. BHÇ çalışmaya başladığında her bir kol üzerindeki protonlar ışık hızına yakın hızlara erişerek enerjileri 12 7 TeV (1TeV = 10 ev) olacaktır. Şekil 2.1. BHÇ Kompleksi ( 4

17 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN 11 Proton demeti her birinde 100 milyar (10 ) proton olan 2800 öbekten oluşacaktır. Öbekler aralarında 7 m mesafe olacak biçimde her 25 ns de BHÇ' ye enjekte edilecektir. Protonlar BHÇ tünelini saniyede defa dolaşacaktır. Demetler saniyede 40 milyon kez birbirleri içinden geçecektir. Toplam çarpışma sayısı olan ışıklılık L 10 cm s olacaktır. de BHÇ' PbPb çarpışmaları da gerçekleşecektir. BHÇ' de süper iletken elektro mıknatıslar kullanılmıştır. Süper iletkenler, ısıları belli bir seviyeye düşürüldüğünde elektrik akımına karşı dirençlerini tamamen kaybeden maddelerdir. Süper iletken malzemelerde elektriksel direnç neredeyse yoktur. Dolayısıyla elektrik akımı bir süper iletkenden hiç enerji kaybına uğramadan akabilir. Bu da elektriğin kaynağından kullanılacağı yere taşınırken oluşan her türlü kaybın ortadan kalkması anlamına gelir. Bir metalin atomları normalde düzensiz yerleşmiştir ve bunlar her zaman titreşir. Süper iletkenlikte ise herhangi bir metal 0 Kelvin ya da 273 C a kadar soğutulduğunda (mutlak 0 noktasında) o metalin atomları hareketsiz kalacaktır. Böylece o metalin içinden geçecek olan elektronların karşılaşacağı engel kalmadığından maddenin direnci sıfıra düşecektir. BHÇ' de elektro-mıknatıslar için 6 mikron (saç telinin 1/10 u ) kalınlığında km uzunluğunda 6400 adet süper iletken niyobyum-titanyum (Nb - Ti) tel kullanıldı. Bu uzunlukta bir telle Dünya nın ekvatordaki çevresini 5,5 kez dolaşmak mümkündür. 0 Nb - Ti telin süper iletkenlik özelliği gösterebilmesi için - 271,3 C a kadar soğutulması gerekir. Bu sıcaklıkta, elektromıknatıslardan geçerek A akım 8,3 Tesla' lık bir manyetik alan oluşur. Bu manyetik alan Dünya nın manyetik alanından kez daha büyüktür (Güler, 2008). İki proton demeti çarpıştığında oluşacak sıcaklık Güneş in çekirdeğinkinden 1000 milyon kere daha fazla olacaktır. 5

18 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN 2.2 CMS (Compact Muon Solenoid) Deneyi CMS, BHÇ halkası üzerinde bulunan dört büyük deneyden biridir. CMS detektörü, pp ve PbPb çarpışmalarını TeV enerji ölçeğinde araştırabilecek genel amaçlı bir detektör olarak tasarlanmıştır. Parçacık demetleri, BHÇ halkaları içinde hızlandırılıp hızları ışık hızına yakın hızlara eriştikten sonra, parçacık detektörleri içerisinden geçen ve parçacıkların ters yönlere doğru hareket etmesini sağlayan halkaların detektör içerisindeki kesişim noktalarında çarpıştırılacaklardır. Detektör pp çarpışmalarında s = 14 TeV lik enerjide L cm sn lüminosite ile, PbPb çarpışmalarında ise, s NN = 5, 5 TeV lik enerjide L cm 2 sn 1 lik lüminosite ile çalışacaktır. CMS de bakılması düşünülen fizik konularının başında elektro-zayıf simetri kırınımı, maddeye kütle kazandırdığına inanılan Higgs parçacığı araştırmaları, madde-anti madde asimetrisi, Standart Model (SM) ötesi fizik ve güçlü etkileşimle bozunum konuları gelmektedir (Physics Technical Design Report, Addendum 1). Yarıçapı 14,6 m ve uzunluğu 21,6 m olan CMS detektör ünün ağırlığı ton dur. Detektör hüzme borusu boyunca eşmerkezli silindirik katmanlardan oluşan soğansı bir yapıya sahiptir. Parçacıkların bırakacağı izler katmanlar boyunca radyal olarak yayılır. 2003) CMS in tasarım hedefleri ve gereksinimleri aşağıda özetlenmiştir. (Akgün, Yüksek manyetik alan oluşturmak için güçlü bir süper iletken solenoid, İz momentumlarının ölçümü için iç izleyici sistemi, Yüksek çözünürlüklü bir Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL), kayip E T ölçümlerini gerçekleştirecek ve jetleri yüksek çözünürlükte belirlemek için Hadronik Kalorimetre (HKAL), Mükemmel bir müon sistemi, 6

19 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Detektör en içten dışa doğru; İzleyici, EKAL, HKAL, mıknatıs ve müon spektrometresi olacak biçimde sıralanmıştır. CMS detektörü Şekil 2.2 de gösterilmiştir. CMS, BHÇ nin diğer üç büyük detektörü gibi yerin100 m altında bulunan çarpışma noktasına yerleştirilmiştir. Şekil 2.2. CMS Detektörü ( /CMSchallenges/CMSchallenges.ındex.html). 2.3 CMS Detektörünün Alt Birimleri Detektör sistemleri çarpışmadan sonra oluşan parçacıkların izlerini takip eden, bırakacakları enerjileri ölçen, yük, momentum ve kütlelerini belirleyen alt detektör birimlerden oluşur. 7

20 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN İzleyici Sistem Detektör içinde meydana gelen bir çarpışmadan sonra oluşan bütün parçacıklar detektör içinde ilerlerken farklı yollar izler. Parçacıkların yollarını belirlemek için CMS detektörünün en iç kısmına silikon piksel ve silikon mikro-şerit katmanlarından oluşan izleyici sistem yerleştirilmiştir. Bu sisteme iz-takip edici detektör de denilmektedir. Çarpışma sonrası oluşan parçacıklar önce sistemle etkileşeceklerdir. Detektör 2,2mçapında olup 5,4 m uzunluğunda silindirik bir yapıya sahiptir. İzleyici sistem manyetik alan yardımıyla parçacıkların momentumları ve yükleri hakkında bilgi edinebilmemizi sağlar. İzler, sarmal yapılarına, düşük ve yüksek momentumlarına ve parçacıkların bir doğru boyunca ilerlemelerine göre parçacığın yapısı hakkında bilgi verir. Sistem her 25 ns de, 0.0 < η < 3. 0 pseudorapidite aralığında 1000 tane yüklü parçacık kaydedebilme özelliğine sahiptir. Yüksek kanal yoğunluğu iyi bir uzaysal çözünürlük için tercih edilmiştir. İzleyici için seçilen malzemenin, içinde hareket edecek olan parçacıkların izlerini saptırmamak için çok düşük kütle numaralı materyalden yapılan katmanlar seçilmiştir. İzler, parçacıkların her bir katman boyunca ilerlerken mikro-şerit lerde kaydedilen vuruşları ile belirlenecektir (2008 JINST 3 SO8004). Silikon piksel detektör üç katmanlı bir fıçı şeklinde tasarlanmıştır. Fıçı yapı her iki taraftan iki katmanlı kapakla desteklenmiştir. Bu detektörü silikon mikro-şerit detektör sarar. Detektörde 10 7 tane silikon mikro-şerit, hüzme borusunu çevreleyecek biçimde iç içe yerleştirilmiştir. 8

21 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Şekil 2.3. Silikon Piksel ve Silikon Mikro-Şerit den oluşmuş CMS İzleyici Detektör ( II 57Lo/R2YCfV) Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL) Kalorimetreler içinden geçen parçacıkların enerjilerine karşı duyarlı detektörlerdir. Çarpışma sonucu oluşan parçacıklar kalorimetre tarafından ya durdurularak ya da enerjilerini kalorimetrede bırakarak başka parçacıkların oluşmasını sağlarlar. Bu detektörler müyon ve nötrino dışında bilinen tüm parçacıkları durdurabilir. Kalorimetreler pasif veya soğurucu denilen yüksek yoğunluklu malzeme tabakaları ile aktif ortam denilen sıvı argon veya katı kurşuncam gibi malzemelerden yapılır. Elektromanyetik kalorimetre elektron ve pozitron gibi hafif kütleli ve foton gibi kütlesiz olan ve elektromanyetik etkileşme yapan parçacıkların detektörde bıraktığı enerjiyi ölçer. Kalorimetreye giren yüksek enerjili elektron ve fotonlar kalorimetrenin atomları ile etkileşerek enerjilerini daha düşük enerjili elektron, 9

22 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN pozitron ve fotonlardan oluşan elektromanyetik duşlarla kaybeder. Duş oluşumu parçacığın enerjisi kalorimetre tarafından tamamıyla soğurulana kadar devam eder. CMS' de kullanılan Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL) homojen hermitik bir yapıya sahiptir. Kalorimetre fıçı ve kapak olmak üzere iki kısımdan oluşur. Fıçı kısmında yaklaşık adet kurşun tungstat ( PbWO 4) kristal ve her iki kapak kısmında adetten fazla PbWO 4 kristal kullanılmıştır. EKAL' de kullanılan toplam kristal sayısı yaklaşık olarak dir. Kalorimetre de PbWO 4 3 ( d PbWO 4 = 8,28 gr/cm ) kristali kullanılmasının nedeni; PbWO 4 in kısa radyasyon uzunluğuna ( X = 0,89 0 cm) ve küçük Moliere yarıçapı ( 2,2 cm) na sahip olmasıdır. Fıçı kısmında foto detektör olarak silikon çığ foto diyotlar ve kapak kısmında ise vakum foto diyotlar kullanılmıştır (CMS TDR-I, 2006). Higgs parçacığı çarpışmalar sonucunda oluşan elektron, pozitron ve fotonlar tarafından tanımlanabileceğinden EKAL in Higgs parçacığını keşfetme de önemli bir rol oynayacağı beklenmektedir. CMS' de kullanılan EKAL Şekil 2.4 de verilmiştir. Şekil 2.4. CMS EKAL ( P5). 10

23 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Hadronik Kalorimetre (HKAL) Proton ve nötron gibi kuark içeren parçacıkların (hadronlar) detektörde bıraktığı enerji hadronik kalorimetreler (HKAL) tarafından ölçülür. CMS deneyindeki HKAL, EKAL ile mıknatıs arasına yerleştirilmiştir. HKAL tüm hadronik duşların yönünü, enerjisini ölçmek, oluşan duşlardaki fotonları, elektronları ve muonları tanımlamak üzere tasarlanmıştır. SM Higgs bozunum kanalları, çarpışmalardan sonra oluşan jetlerin ve/veya kayıp dik enerjinin belirlenmesini gerektirmektedir. Kayıp dik enerji süper simetrik parçacıklar ayrıca nötrino ve tau gibi zayıf etkileşen parçacıkların da keşfedilmesi için önemlidir. HKAL bu fizik araştırma programlarını yürütebilecek kapasitededir (CMS TDR-I, 2006). HKAL merkezi ve ileri kalorimetre olmak üzere iki kısımdan oluşur. Solenoidin içinde bulunan merkezi kalorimetre de aktif ortam olarak plastik sintilatörler ve soğurucu olarak bakır kullanılmıştır. Merkezi kalorimetre hadronik fıçı (HB), hadronik kapak (HE) ve dış kısım (HO) dan oluşmuştur. Kayıp enerji çözünürlüğünü iyi bir şekilde belirlemek için kalorimetre η < 5. 0 bölgesini kapsayacak şekilde yerleştirilmiştir. Hadronik fıçı ve hadronik kapak kısmı η < 3. 0 pseudorapidite bölgesinde, dış kısım ise η <1. 4 pseudorapidite bölgesini kapsamaktadır. HKAL in CMS teki konumunu gösterir bir fotoğrafı Şekil 2.5 de verilmiştir. Kayıp dik enerji ölçümleri için önemli olan İleri Kalorimetre (HF), 3.0 < η < 5.0 pseudorapidite aralığını kapsar ve etkileşme noktasından 11 m uzağa yerleşmiştir. CASTOR, HKAL in diğer ileri kalorimetresidir. CASTOR ile ilgili ayrıntılı bilgi bu bölüm içinde verilecektir. 11

24 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Şekil 2.5. CMS HKAL Mıknatıs CMS' de çizelge 2.1 de bazı özellikleri verilen süper iletken solenoid mıknatıs kullanılmaktadır. Kütlesi ton civarında olan solenoid 4T lık manyetik alan oluşturabilecek özelliktedir. 4T yaklaşık olarak Dünya nın manyetik alanının katı civarındadır. Mıknatıs ağırlık, büyüklük ve yapısal sertlik bakımından ve CMS nin diğer detektör bileşenlerini destekleyen en temel detektörüdür. 12

25 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Manyetik Alan İç Çapı Uzunluk 4 T 5,9 m 12,9 m Dönme Sayısı 2168 Akım Depolanan Enerji Basınç 19,5 ka 2,7 GJ 64 atm Çizelge 2.1. CMS süperiletken solenoid mıknatıs parametreleri (CMS TDR-I,2006). Şekil 2.6. CMS Süper İletken Mıknatıs ( 13

26 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Müon Sistemi Müon sistemi CMS in solenoid mıknatısını saran detektörüdür. Müonların tanımlanması, momentumlarının ölçülmesi için kullanılan müon sistemi aralarında demir tabakalar bulunan dört müon istasyonundan oluşmuştur. Bir fıçı kısmı ( η <1. 2 ) ve iki tane kapak ( 0.9< η < 2. 4) olacak şekilde parçalara bölünmüştür. Son müon istasyonundan önce soğurucunun toplam kalınlığı iyi müon belirlenmesine izin veren 16 etkileşim uzunluğundadır. Toplam m 2 lik bir alanı kapsar ve solenoid in yapısından dolayı silindirik bir yapıya sahiptir. İyi bir müon tanımlanması, momentum ölçümü ve tetikleme (trigger) ile sağlanır. Müon momentum çözünürlüğü ve tetikleme için yüksek manyetik alanlı solenoid ve onun demir boyunduruğu kullanılmaktadır. Şekil 2.7. Müon Sistemi ( barrel_ring_with_muon_chambers.jpg) 14

27 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN CASTOR CMS deneyinde HF, CASTOR (Centauro And Strange Object Research) ve ZDC (Zero Degree Calorimeter) olmak üzere üç ileri kalorimetre bulunmaktadır. CASTOR ve ZDC kalorimetreleri hem pp hemde ağır iyon-iyon (PbPb ) çarpışmaları ile ilgili fizik konularını araştıracaktır. Ağır PbPb çarpışmalarında, nükleer madde çok yüksek enerjilerde incelenerek kuarkların hapisten kurtuluşu, kuark-gluon plazmasının özellikleri araştırılacaktır. Ayrıca CASTOR kozmik ışın çarpışmalarına benzeyen ilginç olayları ve düşük x fiziği olaylarını da araştırmayı planlamaktadır. Çekirdek-çekirdek çarpışmalarında, çok ileri faz uzayında, son derece yüksek baryokimyasal bir ortamda bir takım fiziksel olaylar oluşur. BHÇ deneylerinde de gözlenecek olan bu olaylar SPS deki baryon yoğunluğundan çok daha yoğun olan bir ortamda oluşacaktır. Ağır iyon çalışmaları nötron yıldızlarının özünde var olduğu düşünülen, düşük sıcaklıkta hapis olamayan kuark madde (DQM) durumunun anlaşılmasını sağlayacaktır. Diğer taraftan kozmik ışın deneylerinde doğası henüz anlaşılmayan sayısız olağanüstü olaylar gözlenmektedir. Bu olaylar BHÇ deki hızlandırıcı deneyleri ile laboratuar ortamında tekrar oluşturulacaktır. Böylece ilk kez yüksek enerjili ağır iyon olaylarının laboratuar ölçümleri ve analizleri yapılarak özellikleri araştırılacaktır (Aris, 1997). Bu ölçümlerde hemen hemen hiç elektromanyetik bileşeni olmayan ve küçük parçacık sayısıyla karakterize edilen olaylar (Centauro olayları) ve acayip kuark içeren acayip hadronlarca zengin olaylar da araştırılacak fizik programının konularındandır CASTOR da Araştırılacak Fizik Konuları CASTOR bir etkileşmenin hadronik ve fotonik bileşenlerini (foton ve yüklü parçacık çokluları, elektromanyetik ve hadronik enerjileri) ölçmek ve çok ileri faz 15

28 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN uzayındaki nesneleri tanımlamak üzere tasarlanmıştır. PbPb çarpışmalarında araştırılacak olan bazı fizik konuları aşağıda verilmiştir (Aris, 1997); Normal hadronik etkileşmelerle düşük enerjili yüklü parçacık çoklularını karşılaştırmak, Olayların enerji ve parçacık çokluluğu cinsinden fotonik ve hadronik bileşenleri arasındaki dengesizliğini saptamak, Detektörde çok büyük miktarda bırakılan enerjideki düzensizliğe bakmak, Normal hadronların etkileşme menzilinin çok daha ötesinde yüksek giriciliği olan nesneleri araştırmak. Ayrıca, difraktif ve düşük-x QCD ile kozmik ışınlara bağlı konuların araştırılması da planlanmaktadır. CMS kayıp dik enerji bakımından zengin olacağından hermitik bir yapıya sahiptir ve kayıp dik enerjinin % 6 sının CASTOR da kalacağı beklenmektedir. Bu enerjinin doğru tahmin edilmesi kayıp dik momentumun da doğru anlaşılmasını sağlar. Bu nedenle CASTOR kayıp dik enerji ölçümlerinde önemli bir rol oynayacaktır CASTOR un Mekanik Tasarımı CASTOR Elektromanyetik (EM) ve Hadronik (HAD) kısımdan oluşan ve Çerenkov ışınımı esasına göre çalışan bir Tungsten (W)- Kuvartz (Q) örnekleme kalorimetresidir. CMS' de HF ve TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC) den sonra yerleştirilecek olan kalorimetre, CMS nin etkileşme noktasından 14,38 m uzaklıktadır. Şekil 2.8 de CASTOR un CMS deki yeri gösterilmektedir. CASTOR, CMS detektörünün ileri bölgesinde 5,15 < η < 6,5 lık pseudorapidite aralığını (0,5 0 ile 0,09 0 aralığındaki açı bölgesini) kapsayacaktır (CMS TDR-I, 2006). 16

29 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Şekil 2.8. CASTOR detektörünün konumu (2008 JINST 3 S08004). CASTOR hüzme borusunu saran iki yarım silindirden oluşacaktır. Kalorimetrede kullanılan W plakalar soğurucu (Şekil 2.9), Q plakalar (Şekil 2.10) aktif ortam özelliğindedir. W tabakaların yoğunluğu 18,5 g/cm 3 tür. EM kısımda kullanılan W plakaların kalınlığı 5 mm, Q plakalarının kalınlığı 2 mm olacaktır. HAD kısımdaki W ve Q plakalarının kalınlığı sırasıyla 10 mm ve 4 mm dir. CASTOR tamamlandığında iç yarıçapı 3,7 cm, dış yarıçapı 14 cm, genişliği 10,5 λ ve toplam uzunluğu 1,5 m olacaktır, burada λ toplam radyasyon uzunluğudur (2008 JINST 3 S08004). 17

30 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Şekil 2.9. CASTOR kalorimetresinde kullanılan W plaka. Şekil Q plakalar. 18

31 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Kalorimetre 8 oktanttan (dairenin 1 / 8 i) oluşacaktır. Her oktant iki yarımoktanttan oluşmaktadır. Bir oktantta 28 kanal (Okuma Birimi-OB) bulunacaktır. Bu kanallardan 4 tanesi EM, 24 tanesi de HAD kanallardan gelen sinyalleri okuyacaktır. CASTOR da 32 tanesi EM ve 192 tanesi HAD kanal a ait olmak üzere toplam 224 kanal bulunacaktır. Bu okuma kanalları Çerenkov Işınımı 'na dayalı sinyalleri algılar. Rölativistik yüklü parçacıklar kuvartz plakalardan geçerken Çerenkov ışınımı oluşturur. Oluşan bu ışık iç yansımalarla ışık kılavuzlarına iletilir. Çerenkov ışığını iyi yakalayabilmek için W ve Q plakalar 45 0 ' lik açı ile eğdirilmiştir. Bir W ve bir Q plaka olmak üzere oluşturulan beşli gruplar (veya beşli örnekleme birim-öb) hava özlü ışık toplayıcılar aracılığı ile foto çoğaltıcı tüpler (FÇT) e bağlanacaktır. Böylece Q plakalarında oluşan Çerenkov ışınımı FÇT ler de elektronik sinyallere dönüştürülerek okunacak ve parçacıklar hakkında bilgi verecektir. Üretilen sinyal toplanan ışık miktarı ile orantılı olacaktır (CMS TDR-I-2006). CASTOR un 1 / 8 i yani bir oktantı Şekil 2.11 de gösterilmektedir. Şekil CASTOR un bir oktantı. 19

32 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Her OB beş tane ÖB ye bağlanır. Bir ÖB, 1W plaka + 1Q plaka dan oluşur CASTOR un EM ve HAD kalorimetrelerinin bazı özellikleri aşağıda verilmektedir (2008 JINST 3 S08004). EM kısım Soğurucu ortam: W plakalar Kalınlık: 0 5,0 45 = 7,07 mm = 1,988 X 0 Aktif ortam: Erimiş (fused) silika katkılı Q plakalar Kalınlık: 0-2 2,0 45 = 2,83 mm = 2,4.10 X 0 ÖB = 9,9 mm = 2,012 X 0 ve OB = 10,06 X 0 HAD kısım Soğurucu ortam: W plakalar Kalınlık: 10, = 14,14 mm = 0,1452 λ Aktif ortam: Erimiş silika katkılı Q plakalar Kalınlık: 0-2 4,0 45 = 5,66 mm = 1,3210 λ ÖB = 19,8 mm = 0,1584 λ ve OB = 0,792 λ Kalorimetrenin mekanik tasarımı Şekil 2.12 de gösterilmiştir. 20

33 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Şekil CASTOR un mekanik tasarımı (2008 JINST 3 S08004) Çerenkov Işınımı Rus fizikçi Pavel Alekseyevich Čerenkov parçacıkların boşluk hariç herhangi bir ortamda ışık hızından daha hızlı gitmelerinin mümkün olduğunu ve arkalarında mavi bir ışık bıraktığını söylemiştir. Bu mavi ışık ilk kez Çerenkov tarafından gözlendiğinden Çerenkov Işınımı olarak bilinir. Çerenkov ışınımı parçacıklar ışık hızından daha hızlı hareket ettiğinde oluşan bir ışınım türüdür. Oluşan ışınım FÇT ler kullanılarak tespit edilir yılında İlya M. Frank ve İgor Y. Tamm bu ışınımın varlığını ışıkla parçacığın o ortamdaki bağıl hızlarıyla bağıntı kurarak açıkladılar ve bu üç fizikçi 21

34 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN 1958 yılında Nobel Fizik Ödülü aldılar. Rölativistik hareket eden bir parçacık, hızı v >c/ n olan bir ortamda ilerleyebilir. Kırılma indisi n olan bir ortamda β =v/ c hızı ile hareket eden parçacık klasik teoriye göre konik bir dalga cephesi boyunca yaklaşık olarak 410 ile 450 nm dalga boyu aralığında mavi bir ışık yayar. Bu ışık Çerenkov açısı ( θ c = arccos(1/ nβ )) ile yayılır (Wigmans, 2000). Işık konisi tıpkı suda hızla giden bir geminin arkasında bıraktığı yay şeklindeki şok dalgalarına benzer. Jetler de ses hızını geçince bir ses patlaması yaparlar ve arkalarında koniye benzer görüntü bırakırlar (Şekil 2.13). Şekil Jetler arkalarında iz bırakır. Oluşan ışık, elektrik sinyaline dönüştürülerek parçacığın enerjisi hesaplanabilir. Çerenkov konisinin yayılma açısı θ c nin, parçacığın β hızı ve kırılma indisi ile olan ilişkisi cos θ = 1 nβ (2.1) c / ile verilir. β min =1/n bir eşik değeridir ve bunun altında Çerenkov ışınımı yoktur. ( 22

35 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Aydın AYHAN Şekil Çerenkov konisi ( 23

36 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN 3. MATERYAL VE METOD Aktif madde olarak kuvartzlar Parçacık sinyallerini varlamak ve parçacık kimliklerini hassas biçimde belirleyebilmek için detektörlerde kullanılacak malzemelerin çok iyi seçilmesi gerekir. CASTOR kalorimetresinde soğurucu olarak tungsten ve aktif ortam olarak kuvartz plakalar kullanıldı. BHÇ de her 25 ns de bir çarpışma olacağı için detektör çok büyük radyasyona maruz kalacaktır. Kuvartz lar yüksek radyasyon dayanıklılığı gösteren ve hızlı yanıt veren malzemelerdir. 100 MRad a kadar radyasyon dayanıklılığı göstermekte olup 10 ns nin altında yanıt (tepki) verebilirler. Ayrıca kullanılan kuvartz ların yüksek sıcaklık değerlerine karşı da dayanıklı olması kuvartz seçiminde aranan önemli bir özelliktir Erimiş Silika (Fused Silika) Kuvartz CASTOR da erimiş silika adı verilen silisyum dioksit (SiO 2 ) kuvartzlar kullanıldı. Bunlar SiO 2 in kristal yapıya sahip olmayan formudur. Yüksek saflık oranına sahip bir sentetik amorf silikon dioksit bileşendir. Tipik olarak cam benzeri yapı gösterir. Yoğunluğu saflık derecesine göre değişmekte olup 2,2 ile 2,6 gr/cm 3 arasındadır. Erime sıcaklığı kuvartz ın içerdiği kimyasal bileşiklere bağlı olup 1100 ile 2000 C arasındadır. Farklı yapıya sahip birkaç SiO 2 kuvartz nümune Şekil 3.1 de verildi. %99,9 saf SiO 2 kuvartz; sıfıra yakın termal genleşmeye sahip olmalı, yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklı olmalı, yüksek kimyasal saflığa sahip olmalı, aşınmaya karşı direnmeli, ultraviyole ışıktan kızıl-ötesi ışığa kadar geniş bir optik geçirgenlik özelliği olmalı, 24

37 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN mükemmel bir elektriksel izolasyon kalitesine sahip olmalıdır. ( Şekil 3.1. Farklı yapılı kuvartzlar ( Kuvartzlar sadece parçacık fiziği detektörlerinde değil teknolojinin birçok alanında kullanılır. Yüksek sıcaklıkta çalışan lambalar ve yüksek sıcaklıktan etkilenmeyen optik bileşenler bunlardan birkaçıdır. Ayrıca ani sıcaklık değişimi gösteren sistemlerde ayna ve lens olarak, osilatörlerde, saat sanayisinde, hava kontrol sistemlerinde de kuvartzlardan faydalanılır ( 25

38 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN CASTOR un Hadronik Kısmında Kullanılan Kuvartzların Üretimi Gelen yüksek enerjili + e ve - e ların başlattığı duş içindeki yüklü parçacıklar kuvartz plakalardan geçerken ışık oluşturur. Bu ışık iç yansımalarla kuvartz plakaların ucuna ulaşıp kalorimetrenin derinlikleri boyunca yayılır ve hava özlü ışık kılavuzları aracılığı ile FÇT lere ulaşır. Çerenkov ışınımını artırmak için CASTOR da kullanılan kuvartz plakalar hüzme eksenine göre 45 0 lik açı yapacak şekilde yerleştirilmiştir (CMS TDR-I,2006). CASTOR kalorimetresinin dördüncü prototipinin hadronik kısmı 2008 yılında yapılan hüzme testleri için ve gerçek CASTOR un (1/8) bir oktantlık hadronik kısmı ise CMS detektöründeki yerine yerleştirilmek üzere hazırlandı. Her iki hadronik kısımda kullanılan kuvartz plakalar CERN de üretildi. Üretilen kuvartzlar CERN deki LEP deneylerinden biri olan DELPHI detektöründen alındı. DELPHI detektöründen boyutları 345x375 mm 2 olan toplam 160 adet kuvartz tabaka söküldü ve 102 tanesi üretim için kullanıldı. Bunların bir kısmı DELPHI detektöründe LEP veri alımı esnasında kullanılan, bir kısmı ise hiç kullanılmamış olan tabakalardı yılında yapılan hüzme testlerinde bu kuvartzların kullanılmasının nedeni veri okuma elektroniğinin ve detektörün genel performansının hızlıca anlaşılmasını sağlamaktır. Ayrıca bu biçimde CASTOR projesine fazladan maliyetin olması da engellenmiştir. İlk aşamada, orijinal DELPHI kuvartz tabakalarının üzerinde bulunan bakırkrom ( Cu - Cr) şeritler temizlendi. Temizleme işlemi için iki ayrı yol izlendi. Bu şeritler normal çözücü maddeler (alkol v.s) kullanılarak çözülemediği için çözücü olarak Sülfirik Asit (H 2 SO 4 ) ve Sodyum Permanganat (KMnO) kullanıldı. Temizlenen kuvartzların üzerinde yer alabilecek çok küçük toz zerreciklerinin de ortadan kaldırılması için kuvartzlar C ye kadar ısıtıldı. Bu işlemlerden sonra, kuvartzların ışık geçirgenlik değerlerine bakılarak bu değerler orijinal hallerde alınan ölçümlerle karşılaştırıldı ve temizleme süreci için yapılan uygulamaların kuvartzın yapısında herhangi bir olumsuz sonuca neden olup olmadığı araştırıldı. Bazı kuvartz nümuneler, İsviçre nin Zürih kentinde bulunan PSI (Paul Scherrer Institute) e gönderildi ve 60 Co kaynağı kullanılarak 1,5 MRad, 17 MRad ve 50 MRad 26

39 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN dozlarındaki radyasyona maruz bırakıldı. Tüm kuvartzların ışık geçirgenlikleri Spektro-Fotometre (SF) olarak adlandırılan bir düzenek kullanılarak ölçüldü. Ölçme işlemi her aşama için ayrı ayrı yapıldı. Başlangıçta ölçümler ışığın dalga boyu 250 nm den başlayarak 5 nm artırmak sureti ile 700 nm ye kadar yapıldı. Ancak zaman açısından kazanç sağlamak için dalga boyunun alt sınırı 350 nm ye çıkarıldı ve kuvartzların çoğu 5 nm lik artışlar ile nm dalga boyu aralığında ışık geçirgenlikleri için ölçüldü. Bu aşamaların ayrıntılarına bakmadan önce ölçümler için kullandığımız Spektro-Fotometre düzeneğini tanıyalım. 3.2 Spektro-Fotometre (SF) Spektro-Fotometre (SF) renklere bağlı olarak ışığın şiddeti veya dalga boyu hakkında bilgi verir. SF ler görünür ( nm), ultraviyole ( nm) ve kızıl ötesi dalga boylarında doğrudan veya başka bir madde ile tepkimeye girdikten sonra ışığı soğurabilen her türlü maddenin ölçülmesini sağlarlar. Günümüzde kullanılan çok farklı çeşitte SF vardır. Bunlar dalga boyu aralığına, ışık şiddetine veya dalga boyunu farklı şekillerde ölçme tekniklerine göre değişir. Bu düzenekle yapılan önemli bir inceleme herhangi bir maddeden geçen ışığın maddeyi terk ettikten sonra ne kadarının madde tarafından soğurulduğunun belirlenmesidir SF Dizaynı Günümüzde kullanılan SF ler çalışma prensibine göre tek ve çift hüzmeli olmak üzere iki şekilde tasarlanmaktadır. Çift hüzmeli olanlar farklı ışık hüzmesi boyunca ışık şiddetinin oranını ölçer. Tek hüzmeli bir SF ise, daha çok mutlak ışık şiddetini ölçer. Oran ölçümleri kolay olmasına ragmen, tek hüzmeli SF kullanım açısından daha avantajlıdır ( SF lerde spektrum analizi için genellikle bir monokromatör (renk seçici) kullanılır. Monokromatörler sürekli spektruma sahip ışığı farklı renklere ayırıp belli bir noktaya odaklar. SF de ayrıca gelen ışığı toplaması için FÇT ler veya foto 27

40 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN sensörler kullanılır. SF de bir ölçüm yaparken cihaz içerisinde sırasıyla şu aşamalar gerçekleşir: ışık kaynağı nümuneye doğru ışık yayar, nümune ışığı soğurur, nümuneyi geçebilen ışık FÇT veya foto sensörlerde toplanır, FÇT veya foto sensörler nümunenin ne kadar ışık soğurduğunu ölçer Kuvartz Ölçümlerinde Kullanılan SF Düzeneği EKAL de kullanılan PbWO 4 (kurşun-tungstat) kristallerinin ışık geçirgenlik performanslarını ölçmek için CERN de CMS-EKAL Kristal Laboratuar ında bir Spektro-Fotometre sistemi kurulmuştur. CASTOR un kuvartz plakalarının ışık geçirgenlik değerlerini ölçmek için biz de aynı sistemden yararlandık. Bu ölçümlerden elde edilen sonuçlara bağlı kalarak hüzme testlerinde ve CASTOR un bir oktantında kullanılacak kuvartz plakalar seçilmiştir. Bu çalışma 2008 yılının Şubat-Mayıs döneminde tamamlanmıştır. Testler için kullanılan SF düzeneği Şekil 3.2 de verilmiştir (Adıgüzel. A, 2008). Düzenek genel olarak karanlık bir kutu, bir yüksek voltaj ünitesi, bir spektrometre, çeşitli yoğunluklarda filtrelerin olduğu bir motor ve verilerin okunmasını sağlayan ve okunan verileri depolayan LabView programının kullanıldığı bir bilgisayardan oluşur. Işık kaynağı olarak Xe (Zenon) lambası kullanıldı. Düzenek kısaca şu biçimde çalışır; Xe lambasından yayılan ışık, bir monokromatör (prizma) aracılığıyla farklı dalga boylarına (renklere) ayrılır. İstenilen dalga boyundaki ışık bir akım kesici filtre aracılığıyla belli bir noktaya odaklanır. Bu filtreden geçen ve kuvartz üzerinde bir noktaya odaklanan ışık, kuvartzın bir yüzeyinden girip diğer yüzeyinden çıkar ve sinyal bir FÇT yardımıyla okunur. Düzenekteki FÇT amaca uygun olarak yaklaşık 3000 Volt a kadar beslenebilir ancak ölçümlerde 1000 V ile beslendi. Kuvartza gelen ışığın dalga boyu 250 nm den başlayarak 5 nm lik artışlarla 700 nm ye kadar çıkarıldı. Kuvartzdan geçtikten sonra ışık şiddetinin ne kadar değiştiği FÇT yardımı ile okundu. Bunun için önce bir 28

41 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN referans ölçüm yapıldı. Referans ölçüm yapılırken düzenekten kuvartz çıkarıldı ve yalnızca kaynaktan gelen ışık şiddeti kaydedildi. Ardından kuvartz düzeneğe konularak çeşitli dalga boylarında kuvartzdan geçen ışık şiddeti kaydedildi. CASTOR da dalga boyu aralığı 410 ile 450 nm olan tipik Çerenkov ışığı ile ilgilenilecektir. Bu spektrumda mavi ışığa karşılık gelmektedir. Bu nedenle zaman kaybını önlemek amacıyla bazı kuvartzlar için ışık geçirgenlik ölçümleri sadece 350 nm ile 550 nm aralığında yapıldı (Adıgüzel. A, 2008). Şekil 3.2 SF test düzeneği. Ölçümleri yaparken kullanılan LabView tabanlı yazılımda dikkat edilmesi gereken nokta başlangıç olarak seçilen dalga boyunun referans olarak seçilen dalga boyundan daha büyük olmasıdır. Karanlık kutuda kuvartzların yerleştirildiği hareketli platform, ölçüm yaparken sistemi hiç durdurmadan kuvartz üzerindeki farklı noktaların ölçülmesini sağlar. LabView bilgisayar programı yardımıyla 29

42 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN hareketli platformun koordinatları ayarlanarak ışık hüzmesinin kuvartz üzerinde hangi noktaya çarptırılacağı belirlenebilir. Şekil 3.3 de kullanılan bilgisayar yazılımının ekranı gösterilmiştir (Courtesy of CMA Group at CERN). Şekil 3.3 Işık geçirgenlik ölçümünde kullanılan program (Courtesy of CMA Group at CERN). Ölçümlerde bir test süresince karanlık kutu içindeki platforma aynı anda 3 kuvartz yerleştirildi. Yapılacak ölçüme bağlı olarak yaklaşık 6 cm uzunluğundaki her kuvartz örneği üzerinde 3 veya 5 nokta seçildi. Her nokta, seçilen bir başlangıç dalga boyu (250 nm veya 350 nm) ve buna eklenen 5 nm lik artışlar dikkate alınarak ölçüldü. Seçilen noktalar arasındaki uzaklığın uzun veya kısa seçilmesi ölçüm yapılan yüzeyin boyutlarına bağlıdır. Ölçümlerimiz için kullandığımız kuvartz 30

43 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN nümuneler üzerindeki iki nokta arasındaki uzaklık 20 mm ve 50 mm arasında değişmektedir. Her orijinal nümune nin ışık geçirgenlik ölçümleri, aynı ölçüm sırası ile kimyasal temizleme sonrası, 1100 C de fırınlama ve çeşitli dozlarda uygulanan radyasyon işlemlerinden sonra da yapıldı. SF nin genel görünümü Şekil 3.4 de verildi. Şekil 3.4. SF nin görünümü (Courtesy of CMA Group at CERN). 3.3 Kuvartz Plakaların Üretilme Aşamaları 102 tabakadan alınan nümunelerin ışık geçirgenlik testleri yapıldı. Her tabaka 0,4x10x15 cm boyutlarında küçük plakalar oluşturacak biçimde kesildi ve kuvartz yüzeylerinin üstündeki olabilecek olası kir ve tozlanma metil alkol ile temizlendi. 31

44 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN Plakaların çapraz iki köşesinde yapıştırıcı (1745 seri numaralı ThreeBond- CYANOACRYLATE) madde kullanılarak tüm kuvartzların geniş yüzeyleri üst üste gelecek şekilde kırılmaya karşı direnç gösterebilmeleri için dörtlü gruplar halinde yapıştırıldı. Şekil 3.5 te düzgün şekilde yapıştırılan dörtlü kuvartz nümune görülmektedir. 4 lü gruplar daha sonra Şekil 3.6 da gösterilen parlatma ve cilalama aletinin içine yerleştirildi ve sabitlendi. Parlatma ve cilalama aleti de daha sonra bahsedeceğimiz parlatma ve cilalama makinesinin içindeki platforma yerleştirildi. 4 lü kuvartz gruplarının optik yüzeyleri burada parlatıldı ve cilalandı. Şekil 3.5. Dörtlü grup halinde yapıştırılan kuvartzlar. 32

45 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN Şekil 3.6. Parlatma ve Cilalama aleti Kesme, Parlatma ve Cilalama Makineleri ve Bunlar ile Yapılan İşlemler CASTOR kalorimetresinin 2008 hüzme testleri için kullanılan dördüncü prototipi ve CASTOR kalorimetresinin 2008 de çalışması planlanan bir oktantında kullanılan tüm hadronik kısım kuvartzları, CERN Kristal Grubu Laboratuarı nda bulunan kesme, parlatma ve cilalama makineleri kullanılarak hazırlandı. Her makine de farklı boyutlarda mikron mertebesinde elmas parçacıkları bulunmaktadır. Makineler çok hassas kesme, parlatma ve cilalama işlemlerini yapabilecek şekilde tasarlanmıştır. Şekil 3.7 de gösterilen kesme makinesinde bulunan hareketli platform x- doğrultusunda, platformun üstüne sabitlemiş olan disk ise y-z doğrultuları boyunca hareket etmektedir. Kuvartzlar disk üzerindeki küçük elmas parçaları ile kesildi. Üç boyutlu hareket hem otomatik olarak hem de elle ayarlanabilir. Diskin dönüş hızı dakikada 20 bin devirdir. Kuvartzların kesim işlemi esnasında zarar görmemesi için, 33

46 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN Şekil 3.8 de görülen aletler kullanılarak hem kuvartz plakaların sıkıştırması hem de aletin üstündeki vida yuvası aracılığı ile platforma sabitlenmesi sağlandı. Şekil 3.7. Kesme makinesi. Şekil 3.8. Kesme işlemi için kullanılan yardımcı aletler. 34

47 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN Şekil 3.9. Parlatma makinesi Kuvartz yüzeyleri kesim işleminden önce ve sonra parlatıldı. Parlatma işlemi, Şekil 3.9 da görülen kırmızı yüzey üzerinde bulunan mikron mertebesindeki elmas parçaları ile yapıldı. Silindir içinde bulunan kırmızı yüzey dakikada yaklaşık olarak devir yapmaktadır. Ayrıca kuvartz ve yüzey arasında meydana gelebilecek sürtünme etkisini azaltabilmek için 30 s aralıklar ile su ve seyreltilmiş gliserin 5 s boyunca yüzeye püskürtüldü. Püskürtme işlemi makineye monte edilen bir pompa ile yapıldı. Bu işlem kuvartzların yüzeyi pürüzsüz ve düzgün olana kadar devam etti. Genellikle her kuvartz için makine 10 ile 15 dakika arasında çalıştırıldı. Kuvartz yüzeyinin iyi parlatılması ve halkanın dönme hızını yavaşlatmak için Şekil 3.9 daki makinenin üzerine ağırlık konuldu. İstenilen yüzeye ve parlaklılığa sahip olmayan kuvartzlar tekrar yerlerine yerleştirildi ve aynı işlem 15 dakika boyunca uygulandı. Makinenin kuvartz yüzeylerine zarar vermemesi için 2 gün süre ile yüzey eğimine bakıldı. İşlemler en düz yüzey elde edinceye kadar tekrarlandı. Kuvartz yüzeyler parlatma işleminden sonra cilalandı. Parlatma işleminde kullanılan elmas parçacıkları diğer iki makinede kullanılandan daha küçük boyutludur. Cilalama makinesi de parlatma makinesinde olduğu gibi sürtünme 35

48 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN esasına göre çalışmaktadır. Kuvartzlar Şekil 3.10 da görülen yüzey üzerine yerleştirildi ve platform 15 dakika döndürüldü. Kuvartz yüzeyinin zarar görmemesi için 30 s aralıklarla yüzeye silika sıkıldı. Bu işlemden sonra silikayı temizlemek için yüzeylere 3 dakika boyunca su uygulandı. Şekil Cilalama makinesi. 4 lü gruplar halinde parlatılan, cilalanan ve kesilen kuvartz plakalar, hem CASTOR kalorimetresinin dördüncü prototipinin hadronik kısmını hem de gerçek CASTOR un bir oktantlık hadronik kısmındaki geometriye uyum sağlamak için Şekil 3.11 e göre kesildi. 36

49 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN D C B B C D R L E A A E Şekil Kuvartz geometrisi. Bu işleme başlamadan önce kesilecek her kenar için kesim makinesinin elektronik kısmında y ve z koordinatları ayarlandı. Koordinatlar Çizelge 3.1 de verilmiştir. Kenar Y koordinatı(cm.) Z koordinatı(cm.) Kuvartzın kenar açısı BC CD ,75 E 1, A 3, Çizelge 3.1. Kesim Koordinatları. Geometriye uygun olarak yapıştırılan, kesilen ve parlatılan dörtlü Q plaka grubu Şekil 3.12 de verilmiştir. 37

50 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN Şekil Dörtlü Q grubu Fırınlama ve Asetonda Bekletme Dörtlü gruplar önce 190 C ye kadar ısıtılan fırında bir saat bekletildi. Isıtılan kuvartzların üzerindeki maddeyi çıkartmak için kuvartz plakalar aseton içinde 24 saat bekletildi. Daha sonra kuvartz yüzeyleri metil alkol ile temizlendi. Şekil 3.13 de kesim ve fırınlanma işlemleri tamamlanan kuvartz plakalar gösterilmektedir. Şekil Fırınlamadan sonra kuvartzlar 38

51 3. MATERYAL VE METOD Aydın AYHAN Kuvartz plaka üretiminin son aşamasında plakaların kenarları ince şerit bakır folyo ile kaplandı. Bunun nedeni Çerenkov ışınımının kuvartz kenarlarından kaçmasını engellemektir. Şekil 3.14 de bütün aşamalardan başarı ile geçen ve kullanıma hazır olan bir kuvartz görülmektedir. Şekil Tüm işlemlerden geçen bir kuvartz plaka. 39

52 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR 3. Bölüm de bahsedildiği gibi DELPHI deneyinden alınan kuvartz tabakalar, CASTOR kalorimetresinin dördüncü prototipinde ve gerçek CASTOR un hadronik kısmının bir oktantında kullanılmak üzere testlerden geçirilerek CERN de üretildi. Kuvartz tabakalar önce ışık geçirgenlik testlerine tabi tutuldu. Testleri geçenler kuvartz plaka üretimi için kullanıldı. Bu bölümde kuvartz plakaları seçmek için yapılan ölçümlerin ayrıntılarını tartışacağız DELPHI Tabakalarının Kesilmesi DELPHI den alınan 102 adet büyük kuvartz tabaka üzerindeki şeritler ve diğer yabancı maddeler H 2 SO 4 kullanılarak temizlendi. Bu tabakalar water-jet (çok basınçlı su) tekniği kullanılarak Şekil 4.1 deki gibi boyutları 0,4x10x15 cm 3 olan küçük plakalar biçiminde kesildi. i.a i.1 i.2 i.3 i.4 i.b i.c i.5 i.d Şekil 4.1 Tabakaların küçük plakalara ayrılması için kullanılan kesim şeması. 40

53 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekilde görülen i.1, i.2, i.3, i.4, i.5 kısımları, hazırlanan prototip ve gerçek CASTOR un hadronik kısmı için kullanıldı. i.a, i.b, i.c ve i.d parçalarından sadece i.b in ışık geçirgenlik testleri yapıldı. Her bir büyük DELPHI tabakasından hadronik kısım için 5 adet kuvartz plaka çıkartıldı. Böylece toplam 102 büyük tabakadan 510 adet kuvartz plaka elde edilmiştir. Fakat bu 510 adet plakanın bir kısmı water-jet işlemi sırasında zarar gördüğü için bunlar kullanılmamıştır Kuvartz Numunelerin Test Edilmesi En iyi ışık geçirgenliğine sahip kuvartzları seçme işlemi üç aşamada yapıldı: 1-) Orijinal (O) kuvartzların ışık geçirgenliklerinin ölçülmesi, 2-) Orijinal kuvartzların üzerindeki yabancı maddelerin kimyasal temizliği (KT) yapıldıktan sonra (O+KT) ışık geçirgenliklerinin ölçülmesi, 3-) Temizlenen kuvartzların yüksek sıcaklık (YS) dayanıklılığı test edildikten (O+KT+YS) sonra ışık geçirgenliklerinin ölçülmesi. Bu işlemlerden sonra nümunelerin tamamı farklı dozlarda radyasyona tutuldu. Kuvartz nümunelerinden 17 tanesi hiç kullanılmadı. 52 tanesinin ışık geçirgenliği O olarak, 22 tanesinin O+KT ve 6 tanesinin O+KT +YS işlemlerinden sonra ölçüldü. Kullanılan kuvartz tabakaların yarısı 5 MRad lık diğer yarısı ise 17 MRad lık radyasyondan sonra seçildi. Fakat kuvartz nümunelerle çalışılırken 1 ve 1.4 MRad gibi düşük radyasyon dozları da kullanıldı. Çizelge 4.1 de bir grup kuvartz için yapılan işlemler gösterilmiştir. 41

54 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN 5 MRad 17 MRad O O+KT O+KT+YS O O+KT O+KT+YS Çizelge 4.1. Farklı işlemlerden geçen kuvartz numuneler. Kuvartzların ışık geçirgenliği Fresnel kırınım yasası ile açıklanabilir. Küçük bir ışık kaynağı bir engel ile karşılaştığında herhangi bir ekran üzerinde oluşturduğu gölgenin sınırları çok belirgin değildir. Işığın bu dalga hareketine kırınım denir. Gölgenin kenarlarında kırınım saçakları denilen saçaklar veya halkalar oluşur. Bir engel yerine küçük bir delikten geçen ışık da aynı davranışı gösterir. Noktasal bir ışık kaynağına bağlı olarak eğrisel dalga yüzeyleri oluşturan olay Frensel Kırınımı olarak bilinir. Frensel kırınımında dairesel bir deliğe veya eş merkezli saydam veya saydam olmayan halkalardan oluşan kırınım biçimleri aydınlık veya karanlık görüntüler verir. Kırınım saçaklarının biçimi, konumu, aydınlık veya karanlık olması ışığın dalga boyuna, engelin cinsine ve boyutlarına ve ekranın uzaklığına bağlıdır ( Bir saydam malzemenin içinden geçen ve bu maddeden yansıyan ışık miktarı aşağıdaki denklemler ile verilir. T = I I 2 1, n R = n n1 n1 ve (4.1) I = I (1 ). 2 1 R Burada n 1 havanın, n 2 kuvartz ın geçirgenlik (kırınım) indeksleri olup değerleri sırasıyla 1 ve 1,4 tür. T geçirgenlik (veya geçiş) ve R yansıma katsayısıdır. 42

55 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN ( Kenarları çok düzgün kesilen, iyi parlatılan ve cilalanan bir kuvartz için en iyi ışık geçirgenlik değeri yaklaşık olarak T = dir. 17 tane O kuvartz plakanın ışık geçirgenliği plakalara hiçbir işlem yapmadan ölçüldü. Işık geçirgenlik ölçümleri ekler kısmında verilen kod kullanılarak elde edilmiştir. Birkaç nümune için alınan ölçümler Şekil 4.2 de gösterildiği gibidir. Ölçülen kuvartz nümuneler küçük dalga boyu dışında diğer dalga boylarında yaklaşık olarak sabit olup ışık geçirgenlikleri % 90 - %92 arasındadır. Şekil , 2212 ve 2213 numaralı O kuvartz ların ışık geçirgenliği. Daha sonra kuvartzlara kimyasal temizleme işlemi uygulandı. Kuvartzların üzerinde bulunan Cu - Cr şeritler ve şeritlerin yüzeye yapıştırılması esnasında kullanılan yapıştırıcı madde (epoxy) CERN deki B102 laboratuarında temizlendi. Kuvartzların yüzeyindeki şeritleri sökmek için Potasyum Permanganat (KMnO) ve yapıştırıcı maddeyi temizlemek için Sülfürik Asit (H 2 SO 4 ) kullanıldı. Bu işlemlerden sonra, rastgele bir kaç kuvartz seçildi ve bunların ışık geçirgenlik değerlerine bakıldı. Şekil 4.3 de O+KT yapılan kuvartz ların ışık geçirgenliğinin yaklaşık % 80 olduğu (Çerenkov ışığının dalga boyu 410 ile 450 nm arasındadır) görülmektedir. O+KT 43

56 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN sonunda tüm kuvartz ların ışık geçirgenliklerinde yaklaşık olarak %10 ile %30 oranında bir düşüş görüldü. KMnO ile yapılan temizleme işlemi H 2 SO 4 ile yapılan temizleme işlemine göre %20 oranında daha fazla düşüşe neden olduğundan KMnO ile temizlemekten vazgeçildi. 1.4 MRad lık radyasyona tutulan ve kimyasal temizliği yapılan 1244 numaralı kuvartzın ışık geçirgenliği Şekil 4.4 de verildi. Bu kuvartzın KT den sonra ışık geçirgenliği %65 - %75 arasındadır. Buna 1.4 MRad lık radyasyon dozu da eklenince 250 nm ile 350 nm arasındaki ışık geçirgenliği azalmaktadır, fakat 350 nm ile 450 nm arasında artmaya başlar. 450 ile 700 nm arasında ise %60 ile %70 arasındadır. İlgilendiğimiz bölgede ise %50 nin üstündedir Şekil , 2112 ve 2113 numaralı O+KT yapılan kuvartzların ışık geçirgenlik değerleri. O+KT den sonra radyasyona tutulan kuvartz ların yüksek sıcaklık (1100 C) altındaki davranışına bakıldı. Sıcaklığa dayanıklılık testleri sonunda (O+KT+YS) kuvartzların ışık geçirgenliğinin %10 ile %40 oranı arasında değişen bir düşüş gösterdiği gözlendi. Sonuçlar, Şekil 4.5 te gösterilmiştir. 44

57 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekil numaralı kuvartzın ışık geçirgenlik değerleri. Şekil 4.5. O+KT+YS işlemleri yapılan 1143 numaralı kuvartzın 1100 C ısıtıldıktan sonraki ışık geçirgenliği. 45

58 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Uygulanan O+KT+YS aşamalarından sonra nümuneler bir 60 Co kaynağı kullanılarak 5 MRad ve 17 MRad lık radyasyona tutuldu. 5 MRad dan sonra bazı nümunelerin radyasyondan çok etkilendiği ve doğal renklerini kaybedip mor renke dönüştüğü gözlendi. Renk değiştiren birkaç kuvartz Şekil 4.6 da görülmektedir. Radyasyon dayanıklılığı göstermeyen nümuneler kullanılmadı. Şekil 4.6. Radyasyon dayanıklılığı gösteremeyen bazı kuvartz numuneler. Şekil 4.7 de O+KT+YS işlemleri ve 5 MRad uygulandıktan sonra kuvartzın ışık geçirgenlik değerleri görülmektedir. Sarı ve yeşil noktalarla gösterildiği gibi bu doz kuvartz ın ışık geçirgenlik değerini 250 ile 350 nm de sıfıra yakındır. 350 nm den sonra artmaya başlamıştır. Bu doz değeri O durumu ile karşılaştırıldığında ışık geçirgenliğinin çok düştüğü görülmüştür. 46

59 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekil numaralı kuvartzın ışık geçirgenlik değerleri. 5 MRad lık başlangıç doz değerinin kuvartzlar için fazla olduğuna karar verildi ve ölçüm daha düşük dozlar için tekrarlandı. 1.4 MRad lık dozun kuvartzlara zarar vermediği görüldü. Bu doz uyguladıktan sonra ölçülen ışık geçirgenlik değeri tek bir nümune için Şekil 4.8 de görülmektedir. İgilendiğimiz Çerenkov dalga boyuna karşılık gelen bölge için ışık geçirgenlik değerinin %50 nin üzerinde olduğu görüldü. Hadronik kısım için kullanılan bazı kuvartzların 1 MRad lık dozdan sonra 350 nm ile 550 nm arasındaki ışık geçirgenlik değerleri Şekil 4.9a, Şekil 4.9b, Şekil 4.9c, Şekil 4.9d ve Şekil 4.9e de gösterilmiştir. 47

60 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekil MRad lık doz uygulandıktan sonra 324 numaralı kuvartzın ışık geçirgenlik değerleri. Şekil 4.9a. 21, 22, 23, 24, 25, 45, 46, 47 ve 48 numaralı kuvartzların radyasyondan sonra ışık geçirgenlik değerleri. 48

61 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekil 4.9b. 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63 ve 64 numaralı kuvartzların radyasyondan sonra ışık geçirgenlik değerleri. Şekil 4.9c. 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 ve 72 numaralı kuvartzların radyasyondan sonra ışık geçirgenlik değerleri. 49

62 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekil 4.9d. 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 ve 80 numaralı kuvartzların radyasyondan sonra ışık geçirgenlik değerleri. Şekil 4.9e. 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87 ve 88 numaralı kuvartzların radyasyondan sonra ışık geçirgenlik değerleri. 50

63 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekil 4.9 daki sonuçlar dikkate alınarak, ışık geçirgenliği %50 nin üzerinde olan ve herhangi bir zarar almayan kuvartz plakalar seçildi. Seçilen plakaların yarısı CASTOR un 4. prototipi nin (Şekil 4.10) 2008 hüzme testinde yarısı da gerçek CASTOR un bir oktantlık hadronik kısmında (Şekil 4.11) kullanıldı hüzme testleri esnasında 4. Proptotip in performansı için farklı enerji (50, 80, 100, 150, 200, 300 GeV) lerde farklı parçacık (elektron, pion ve müon) hüzmeleri kullanıldı. Şekil 4.10 CASTOR un dördüncü prototipi. Her bir yarım sekizlide 60 tane olmak üzere toplam 120 kuvartz plaka gerçek yarım CASTOR un bir oktantına yerleştirildi. Şekil 4.11 de yarım CASTOR kalorimetresi görülmektedir. 51

64 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekil CASTOR un bir oktantlık kısmına yerleştirilen kuvartz plakalar. Gerçek CASTOR un 1 / 8 lik kısmı bir kuvartz ve bir tungsten plakanın ard arda sıralanmasından oluşmaktadır. Sıralanan kuvartz ve tungsten plakalar Şekil 4.12 de görülmektedir. Şekil CASTOR un kuvartz ve tungsten plakalar. 52

65 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Beş kuvartz ve beş tungsten plaka bir okuma kanalını oluşturur. Bu beşli grup bir hava özlü ışık toplayıcı kullanılarak bir FÇT ye bağlandı (Şekil 4.13). Böylece kuvartz yüzeyinde oluşacak Çerenkov sinyali hava özlü ışık toplayıcılar aracılığı ile FÇT e iletilir. FÇT tarafından alınan bu ışık sinyallari elektriksel sinyallere dönüştürülür. Şekil Beşli kuvartz ve tungsten plakalara bağlanan FÇT ler. Hazırlanan gerçek CASTOR (Şekil 4.14) SX5 de bulunan CMS detektöründeki yerine (Şekil 4.15) yerleştirildi. Şekilde koruyucu zırhın (turuncu renk) ortasındaki boşluk bölgede bulunan platforma sabitlendi. Bu zırh detektörü oluşacak olan yüksek radyasyondan korumak için yerleştirilmiştir. 53

66 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekil CMS teki konumuna yerleştirilmek üzere 1/8 i tamamlanan CASTOR kalorimetresi. Şekil CASTOR un CMS deki yeri. 54

67 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekil CMS ye yerleştirilen CASTOR Diğer taraftan CASTOR un elektromanyetik kısmı (EM) için kullanılan kuvartzların bir kısmı da test edildi. EM kısmında kullanılan kuvartzların boyutları (0,2x4x7,5 cm 3 ) hadronik kısımda kullanılanlardan daha küçüktür. EM de kullanılan bazı O kuvartzlar (Şekil 4.16) ve bir başka O ve buna 5 MRad lık doz uygulandıktan sonra yapılan ölçümler Şekil 4.17 da gösterilmiştir. Bu nümunelerin ışık geçirgenlik değerleri kullanılabilir değerlerdir. Şekil EM için kullanılan orijinal kuvartzların ışık geçirgenlik değerleri. 55

68 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Aydın AYHAN Şekil EM için kullanılan O+5 MRad lık doz sonrasında ölçülen ışık geçirgenlik değerleri. 56