ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK … · Sıfır Derece Kalorimetre (ZDC), CMS’in alt detektörlerinden biridir. ZDC bir hadronik bölüm ve elektromanyetik

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

YÜKSEK LİSANS TEZİ Çağlar ZORBİLMEZ CMS'DEKI ZDC DEDEKTÖRÜ İÇİN AKIM AYIRICI DEVRE

FİZİK ANABİLİM DALI

ADANA, 2012

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

CMS'DEKI ZDC DEDEKTÖRÜ İÇİN AKIM AYIRICI DEVRE

Çağlar ZORBİLMEZ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

FİZİK ANABİLİM DALI

Bu tez ……/….../2012 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. ………………………………. ..…………………….……….……………………………..... Prof.Dr. Eda EŞKUTProf.Dr. İsa DUMANOĞLU Doç.Dr. Mustafa TOPAKSU DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No:

Prof. Dr. M. Rifat ULUSOY Enstitü Müdürü

Bu Çalışma Ç. Ü. Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF2011YL10

Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların

kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

I

ÖZ

YÜKSEKLİSANS TEZİ

CMS'DEKİ ZDC DEDEKTÖRÜ İÇİN AKIM AYIRICI DEVRE

Çağlar ZORBİLMEZ

ÇUKUROVAÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİENSTİTÜSÜ

FİZİKANABİLİM DALI

Danışman :Prof. Dr. Eda EŞKUT Yıl:2012 Sayfa: 81 Jüri :Prof. Dr. Eda EŞKUT :Prof. Dr. İsa DUMANOĞLU :Doç. Dr. Mustafa TOPAKSU

Sıfır Derece Kalorimetre (ZDC), CMS’in alt detektörlerinden biridir. ZDC bir hadronik bölüm ve elektromanyetik bölüm olmak üzere iki bağımsız kalorimetre bölümünden oluşur. Enerji ölçümleri için örnekleme kalorimetrelerde tungsten ve kuvars fiberler kullanılır. ZDC ilk p-p (düşük ışıklılıklı) ve ağır iyon çarpışmalarında ileri yöndeki foton ve nötronları ölçecektir. Biz bu çalışmada ZDC dedektörleri için bir akım ayırıcı devre prototipi geliştirdik. Anahtar Kelimeler: CMS, ZDC, HAD, EM

II

ABSTRACT

MScTHESIS

CURRENT SPLITTER CIRCUIT FOR ZDC DETECTOR IN THE CMS EXPERIMENT

Çağlar ZORBİLMEZ

ÇUKUROVAUNIVERSITY

INSTITUTEOFNATURALANDAPPLIEDSCIENCES DEPARTMENTOFPHYSICS

Supervisor :Prof. Dr. Eda EŞKUT Year:2012 Page: 81 Jury :Prof. Dr. Eda EŞKUT :Prof. Dr. İsa DUMANOĞLU :Doç Dr. Mustafa TOPAKSU

The Zero Degree Calorimeter (ZDC) is one of the sub detectors of the CMS experiment.The design of the ZDC includes two independent calorimetersections: an electromagnetic section and a hadronic section. Sampling calorimeters usingtungsten and quartz fibers have been chosen for the energy measurements.TheZDC will measure neutrons and very forward photons in the heavy–ion and early (low luminosity) p-p collisions. In this study, we have developed a prototype which is current splitter circuit for ZDC detectors. Keywords: CMS, ZDC, HAD, EM

III

TEŞEKKÜR

Öncelikle bu çalışma süresince bana her türlü desteği sağlayan, onu

tanıdığım süre boyunca pek çok şey öğrendiğim ve daha öğreneceğim çok şey

olduğuna inandığım danışman hocam Prof. Dr. Eda EŞKUT’a sonsuz

teşekkürlerimi sunarım.

CERN’de yaptığım çalışmaları yürütmem sırasında bilimsel tecrübelerini

ve engin bilgilerini benden esirgemeyen Richard KELLOGG’a çok teşekkür

ederim. Doğrudan veya dolaylı katkıları için Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT’e, Prof.

Dr. Ayşe POLATÖZ’e, Prof. Dr. İsa DUMANOĞLU’na, Prof. Dr. Aysel

TOPAKSU’ya teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarım süresince bana birebir eşlik

ederek gösterdiği çabadan ve desteklerden dolayı Princeton Üniversitesi doktora

öğrencisi Halil SAKA’ya teşekkür ederim. Tez çalışmalarımın bir çok

aşamasında daima desteklerini gördüğüm arkadaşlarım İlknur HOŞ ve Semiray

GİRGİS'e teşekkürlerimi sunarım. Yüksek lisansım süresince çeşitli yönlerden

destek ve katkı veren tüm grup arkadaşlarıma dostlukları için teşekkür ederim.

Tüm öğrenimim boyunca yanımda olup desteklerini bana her an hissettiren

sevgili aileme teşekkürü bir borç bilirim.

Ayrıca CERN’deki çalışmalarımı maddi olarak destekleyen TAEK’e

(Türkiye Atom Enerjisi Kurumu) çok teşekkür ederim.

IV

İÇİNDEKİLER SAYFA

ÖZ ............................................................................................................................ I

ABSTRACT ............................................................................................................ II

TEŞEKKÜR ...........................................................................................................III

İÇİNDEKİLER ...................................................................................................... IV

ÇİZELGELER DİZİNİ .......................................................................................... VI

ŞEKİLLER DİZİNİ ............................................................................................... VII

SİMGELER VE KISALTMALAR ........................................................................... X

1. Giriş ........................................................................................................................................................ 1 2. Ön ceki alış m ala r ...........................................................................................................................

2.1. CMS Deneyi ............................................................................................................................... 7 2.1.1. Süp erile tk en ık natıs ............................................................................................ 2.1.2. İç z l ey ici S stem . ................................................................................................... 1 2.1.3. Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL) ......................................................... 12 2.1.4. Hadronik Kalorimetre (HKAL) ........................................................................ 14

2.1.4.1. Hadronik Fıçı (HB) .................................................................................. 16 2.1.4.2. Hadronik Kapak (HE) ............................................................................ 18 2.1.4.3. Hadronik Dış Kalorimetre (HO) ....................................................... 19

2.1.5. İl e ri alo rim etrele r .............................................................................................. 9 2.1.5.1. İl e ri adron alo rim etresi H F) ..................................................... 9 2.1.5.2. CASTOR Kalorimetresi .......................................................................... 20 2.1.5.3. ZDC Kalorimetresi ................................................................................... 21

2.1.6. Mü o n is te m i ........................................................................................................... 2 3. MATERYAL VE METHOD........................................................................................................... 25

3.1. Kuark Gluon Plazması ....................................................................................................... 25 3.2. Brookhaven Ulusal Laboratuarı (BNL)'deki RHIC deneyleri ......................... 26 3.3. BHÇ Deneylerinde ZDC Kalorimetreleri .................................................................. 30

3.3.1. CERN'deki ALICE Deneyinde ZDC kalorimetresi .................................... 31 3.3.2. CERN 'deki ATLAS Deneyinin İl e ri alo rim etrele ri ............................. 4 3.3.3. CERN 'deki CMS Deneyinin ZDC Kalorimetresi ....................................... 37

V

3.3.3.1. ZDC Kalorimetresindeki Ön ceki alış m ala r .................................. 7 3.3.3.2. ZDC Kalorimetresinin Tasarımı ........................................................... 39 3.3.3.3. ZDC'nin Yapısı ve Alt Dedektör le ri .................................................... 1 3.3.3.4. Radyasyon Durumu ................................................................................... 44 3.3.3.5. Optik Sistem .................................................................................................. 47 3.3.3.6. FÇT Sistemi .................................................................................................... 50 3.3.3.7. Elektronik ....................................................................................................... 51

4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR .................................................................................................... 55 4.1. ZDC Akım Ayırıcı Devre .................................................................................................. 55 4.2. ZDC Akım Ayırıcı Devrede Kullanılan Elektronikler ........................................ 56

4.2.1. Transistör le r............................................................................................................. 6 4.2.1.1. Transistör azancı ................................................................................. 9 4.2.1.2. Transistör ü n D rlin g ton B ğlan m ası .. ......................................... 6 0

4.2.2. Potansiyometre ....................................................................................................... 60 4.3. ZDC için Geliştirilen Akım Ayırıcı Devre Prototipi ............................................ 61

4.3.1. Doğr u kım D C) lç ü m le ri .. ........................................................................... 6 3 4.3.2. Alternatif Akım (AC) Ö l ç üm l er i . ..................................................................... 6 4.3.3. LED Veri Alımları ve ZDC Akım Ayırıcı Testi ............................................ 67

5. SONUÇ VE Ö N ERİL E R . ............................................................................................................... 7 KAYNAKLAR .......................................................................................................77

ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................79

VI

ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA

Çizelge 1.1. BHÇ dedektörlerinin makine parametreleri ........................................... 2

Çizelge 3.1. RHIC’in çalışma şartları ...................................................................... 27

Çizelge 3.2. ZDC parametrelerinin özeti ................................................................. 32

Çizelge 3.3. ZDC'nin fiziksel karakteristiği ............................................................. 43

Çizelge 3.4. ZDC'de kullanılan materyaller ............................................................. 44

Çizelge 4.1. VCS1=3.2 V, VCS2= +5 V, Vee= -1.4 V, Vsink= -5 V’da elde edilen DC

ölçümleri……………………………………………………………….63

Çizelge 4.2. Farklı HV değerleri için doğrudan FÇT’den veya ayırıcı devreden alınan

veriler………………………………………………….……………….68

VII

ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA

Şekil 1.1. CERN’deki Hızlandırıcılar ..................................................................... 2

Şekil 2.1. CMSDedektörü ...................................................................................... 8

Şekil 2.2. CMS’te Kullanılan DedektörlerinRapidite Aralığı ve Azimutal Açıları .. 9

Şekil 2.3. İç İzleyici Hüzme Eksenine En Yakın Dedektör ................................... 11

Şekil 2.4. CMS'in Silikon Şerit Dedektörü ........................................................... 11

Şekil 2.5. EKAL'in Alt Birimlerinin Şematik Gösterimi....................................... 13

Şekil 2.6. CMS'te EKAL Modülleri ..................................................................... 14

Şekil 2.7. CMS'in Uzunlamasına Görünümü ........................................................ 15

Sekil 2.8. HKAL'in Alt Dedektörleri .................................................................... 16

Şekil 2.9. ∆φ = 200 ’lik Açılara Bölünmüş HB'nin Görünüşü ............................... 17

Şekil 2.10. HB Kamaları ........................................................................................ 17

Şekil 2.11. HE'nin Görünüşü ................................................................................. 18

Şekil 2.12. İleri Kalorimetre Konumu .................................................................... 21

Şekil 2.13. Müon Sistemi....................................................................................... 23

Şekil 3.1. RHIC Deneyleri ................................................................................... 28

Şekil 3.2. Hüzme Geometrisi Ve Dedektörün Konumu ........................................ 29

Şekil 3.3. BHÇ Hüzme Hattı Üzerindeki ALICE ZDC'leri ................................... 32

Şekil 3.4. BHÇ Üzerindeki ALICE ZDC Kalorimetresi ....................................... 33

Şekil 3.5. ALICE Detektörü ve Hüzme Hattına Yerleştirilen ZDC Dedektörü ...... 33

Şekil 3.6. ATLAS Dedektörü ............................................................................... 35

Şekil 3.7. ATLAS Dedektörünün İleri Kalorimetreleri ......................................... 35

Şekil 3.8. ATLAS ZDC Modülleri ....................................................................... 36

Şekil 3.9. BHÇ Hüzme Hattının Bir Bölümü. ZDC kalorimetreleri TAN içine

yerleştirilmiştir..................................................................................... 37

Şekil 3.10. BHÇ'nin 4-5 Sektörlerine Yerleştirilen ZDC'den Bir Görünüm ............ 38

Şekil 3.11. BHÇ'nin 5-6 Sektörlerine Yerleştirilen ZDC'den Bir Görünüm ............ 38

VIII

Şekil 3.12. Bir ZDC İçin Serpme Düzeneği ........................................................... 39

Şekil 3.13. Yüksüz Parçacık Soğurucu TAN'ın Yandan Görünüşü ......................... 40

Şekil 3.14. TAN'ın Önden Görünüşü ..................................................................... 41

Şekil 3.15. ZDC'nin Alt Dedektörleri ..................................................................... 42

Şekil 3.16. a) EM bölüm düzlemle 900 açı yapacak şekilde, b)HAD bölüm düzlemle

450 açı yapacak şekilde konumlandırılmıştır ........................................ 43

Şekil 3.17. a) Hadron akısının sınırları, b) TAN çekirdeğinde maksimum duş

derinliğinde yıllık biriken doz miktarı (Gy/yıl) ..................................... 46

Şekil 3.18. TAN sınırlarında ve tünel bölgesini çevreleyen TAN çekirdeği girişinin

55 cm etrafında yılda soğurulan doz miktarı ......................................... 46

Şekil 3.19. Silika/silika Fiberin Yapısı ................................................................... 47

Şekil 3.20. HAD Kalorimetrede Kullanılan Bir Şerit ............................................. 48

Şekil 3.21. Soğrucu Plakalar Arasına Sandviçlenen Fiber Şeritler .......................... 48

Şekil 3.22. Optik Okuma Diyagramı. a) HAD’daboylamasına bir kule,

b) EM’de yatay bir kule ........................................................................................ 49

Şekil 3.23. ZDC HAD Kalorimetre ........................................................................ 50

Şekil 3.24. ZDC Elektronik Devresi ...................................................................... 52

Şekil 3.25. ZDC'de Bir Sinyalin Oluşumu ............................................................. 53

Şekil 4.1. En Basit Halde ZDC Akım Ayırıcı Devre ............................................ 55

Şekil 4.2. NPN Ve PNP Tipi Transistörler ........................................................... 56

Şekil 4.3. a) NPN Transistör Yapısı, b) Bir Transistörün Musluk Değeri.............. 57

Şekil 4.4. NPN Transistörünün İç Yapısı, Elektron ve Oyuk Hareketleri .............. 58

Şekil 4.5. PNP Transistörünün İç Yapısı, Elektron ve Oyuk Hareketleri .............. 59

Şekil 4.6. Transitörlerin Darlington Bağlanması .................................................. 60

Şekil 4.7. ZDC İçin Akım Ayırıcı Devre .............................................................. 61

Şekil 4.8. ZDC Akım Ayrıcı Devrenin Gerçek Bir Görünümü ............................. 63

Şekil 4.9. Çıkış Akımının Giriş Akımına Göre Değişimi ...................................... 64

Şekil 4.10. Giriş Akımının, Giriş/Çıkış Oranına Göre Değişimi ............................. 64

Şekil 4.11. Giriş Akımına Göre Dinamik Empedans Değişimi ............................... 65

IX

Şekil 4.12. AC Test Şeması ................................................................................... 66

Şekil 4.13. Giriş ve Çıkış Sinyalinin Osiloskoptan Görüntüsü ................................ 67

Şekil 4.14. 2000 V’da FÇT’den Doğrudan Alınan Sinyal İçin Kanal Durumları ve

Pedestal Değerleri ................................................................................ 69

Şekil 4.15. 2000 V’daFÇT’den Doğrudan Alınan Sinyal ....................................... 70

Şekil 4.16. 2000 V'da ZDC Akım Ayırıcı Devreden Alınan Sinyal için Kanal

Durumları ve Pedestal Değerleri .......................................................... 70

Şekil 4.17. 2000V’da ZDC Akım Ayırıcı Devreden Alınan Sinyal......................... 71

Şekil 4.18. FÇT'den Doğrudan Alınan Sinyal Şekilleri .......................................... 71

Şekil 4.19. Ayırıcıdan Alınan Sinyal Şekilleri ........................................................ 72

Şekil 4.20. Ayırıcıdan Alınan Sinyal Olay Sayısının FÇT'den Alınan Sinyal Olay

Sayısına Oranı...................................................................................... 73

X

SEMBOL VE KISALTMALAR

CERN : Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi

BNL : Brookhaven Ulusal Laboratuvarı

SM : Standart Model

KGP : Kuark Gluon Plazma

TKRD : Termal Kuantum Renk Dinamiği

SÜSİ : Süper Simetri

BHÇ : Büyük Hadron Çarpıştırıcısı

PS : Proton Sinkrotronu

SPS : Süper Proton Sinkrotronu

LEP : Büyük Elektron Pozitron Çarpıştırıcısı

LINAC : Doğrusal Hızlandırıcı

RHIC : Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı

CMS : Sıkı Müon Solenoidi

ATLAS : Büyük Toroidal Detektör

ALICE : Büyük İyon Çarpıştırma Deneyi

LHCb : LHC b Fiziği Deneyi

CASTOR : Centauro ve Acayip Parçacık Araştırıcısı

EKAL : Elektromanyetik Kalorimetre

EE : Elektromanyetik Kapak

EB : Elektromanyetik Fıçı

HKAL : Hadronik Kalorimetre

HB : Hadronik Fıçı

HE : Hadronik Kapak

HO : Hadronik Dış

HF : İleri Hadronik Kalorimetre

HAD : Hadronik

EM : Elektromanyetik

LED : Işık Yayan Diyot

TAN : Yüksüz Parçacık Soğurucu

XI

FÇT (PMT) : Foto Çoğaltıcı Tüp

APD : Çığ Foto Diyotlar

VPT : Vakum Fototriod

DPMJET : Monte Carlo (MC) programı

IP : Etkileşme Noktası

MB : Minimum Bias

HV : Yüksek Voltaj

DC : Doğru Akım

AC : Alternatif Akım

ADC : Analog - Dijital Çevirici

DCC : Veri Toplayıcı Kart

RU : Okuma Birimi

CPU : Bilgisayar

HTR : Hadronik Tetikleme Bölgesi

HLT : Yüksek Seviye Tetikleme

eV : Elektron Volt

GeV : Milyar Elektron Volt

TeV : Trilyon Elektron Volt

L : Lüminosite (Işıklık)

QIE : Yük Toplayıcı Kodlayıcı

η : Psüdorapidite

√s : Kütle Merkezi Enerjisi

GRad/Yıl : Radyasyon Doz Birimi

1. GİRİŞ Çağlar ZORBİLMEZ

1

1. GİRİŞ

Yüksek Enerji Fiziği (YEF) maddenin temel yapıtaşları ve temel kuvvetler

arasındaki ilişkiyi açıklar. Dünyanın birçok ülkesinde bulunan parçacık fiziği

laboratuarlarında YEF deneyleri yapılmaktadır. Bugün dünyadaki en büyük parçacık

hızlandırıcı laboratuarı İsviçre ve Fransa sınırında yer alan CERN (Avrupa Nükleer

Araştırma Merkezi)’dür. CERN Fransızca Conseil Européen pour la Recherche

Nucléaire sözcüklerinin kısaltmasıdır.

CERN laboratuarının temeli hızlandırıcılar ve detektörler üzerine kuruludur.

CERN'ün ilk hızlandırıcısı 1957 yılında devreye giren 600 MeV 'lik proton

hızlandırıcıdır. 28 GeV 'lik proton hızlandırıcısı (Proton Sinkrotronu) PS ise 1959

'dan bu yana kullanılmaktadır. Çevresi 628.3 m olan hızlandırıcı proton, anti-

proton, elektron ve iyon hüzmelerini hızlandırmak için kullanılan çok yönlü bir

makinedir. Süper Proton Hızlandırıcısı (Süper Proton Sinkrotronu) SPS, 1976 'da

çalışmaya başlamıştır (http://en.wikipedia.org/wiki/CERN). 2 km çapında dairesel

bir hızlandırıcı olarak yapılmıştır. Önce parçacıkların enerjisini 300 GeV’e

çıkarmak için tasarlanmış daha sonra enerjisi yavaş yavaş 450 GeV’e

yükseltilmiştir. 1989-2000 yılları arasında hizmet vermiş olan CERN’deki en

önemli tesis elektron-pozitron çarpıştırıcısı (Büyük Elektron Pozitron Çarpıştırıcısı)

LEP’dir. Bu çarpıştırıcı 100-200 GeV enerji aralığında çalışmış ve 2001’de

görevini tamamlamıştır. Daha sonra LEP tüneli yeniden inşa edilerek proton-proton

p)-(p ve ağır iyon çarpışmalarının gerçekleştiği Büyük Hadron Çarpıştırıcısı

(BHÇ) olarak çalışmaya başlamıştır. Çarpıştırıcıda larp' veya ağır atom çekirdekleri

(kurşun-kurşun) birbirleriyle çok yüksek hızlarda çarpıştırılmaktadır. Protonlar ışık

hızının %99.999998 'sine kadar hızlandırılarak nunp' kütlesinin 7000 katına (

7 TeV ) kadar çıkılacaktır. BHÇ’de 1034cm-2s-1 'lik bir ışıklılık ve 8×108s-1 'lik bir

etkileşim oranı ile p hüzmeleri birbirleriyle kafa kafaya çarpışacaktır. BHÇ’deki

p-p çarpışmalarında toplam kütle merkezi enerjisi TeV 14s = olacaktır (TDR,

2006). Ağır iyon çarpışmalarında toplam kütle merkezi enerjisi s = 5.5 TeV iken

http://en.wikipedia.org/wiki/CERN)


2

ışıklılık L=1027cm-2s-1 olacaktır (CERN/AC/95-05,1995, P. Lefevre). BHÇ’de

kurşun (Pb) iyonları yüksek sıcaklıkta buharlaşma ile oluşturulmaktadır ve bu

iyonlar çekirdek başına 4.2 MeV ’luk enerjiye ulaştığında düşük enerji iyon halkası

(LEIR)’e oradan sırası ile PS ve SPS’e geçerek çekirdek başına 177 GeV ’ye ve

nihayet BHÇ’ye geçerek iyonların enerjileri çekirdek başına 2.7 TeV’e çıkmaktadır.

Saniyede 10 000 kez kesişerek çarpışan Pb demetlerinin ışıklığı p demetlerinin

ışıklığından 10 milyon kez daha azdır.

CERN’de bir zincir halinde bulunan altı hızlandırıcı ( 2 tane LINAC, PS

Yükseltici, SPS LIER, BHÇ) ve bir yavaşlatıcı düzenek Şekil 1.1’de gösterilmiştir.

Bu zincir içindeki her makine, parçacığın enerjisini belirli bir seviyeye çıkararak

zincir içindeki diğer bir makineye aktararak parçacıkların enerjilerini kademeli

olarak artırmaktadır.

Şekil 1.1. CERN’deki Hızlandırıcılar (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Cern- accelerator-complex.svg).

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Cern


3

BHÇ 10 Eylül 2008 tarihinde işletmeye alınmış, meydana gelen bir arıza

nedeniyle çalışmasına ara verilmiştir. Arızanın giderilmesinden sonra 21 Ekim 2009

tarihinde tekrar çalışmaya başlamıştır. 23 Kasım-16 Aralık 2009 tarihleri arasında

deGeV' 900s = bir milyon, TeV 2.36s = ’de 50 000 p-p çarpışması

gerçekleşerek bir dünya rekoru kırılmıştır. O ana kadar rekor TeV 2s = ’lik kütle

merkezi enerjisi ile Amerika'daki Fermi Laboratuarındaydı. Birkaç aylık aradan

sonra 28 Şubat 2010 ’da her birinin enerjisi 450 GeV olan p-p hüzmeleri tekrar

çarpıştırılmaya başlamıştır. 12 Mart 2010 ’da hüzme enerjisi TeV 1.18s = ve

30 Mart 2010 ’da yeTeV' 7s = çıkmıştır. 8 Kasım 2010 ’da çekirdek çifti başına

likTeV' 2.26s = Pb-Pb çarpışmaları başlamıştır. BHÇ’ye ilk iyonlar

gönderildikten sonra 14 Kasım 2010 ’da, 2010 yılının hedefi olan 121 demete ve

2.8×1025cm-2s-1 'lik ışıklılığa ulaşılmış ve deneyler tarafından 2 µb-1 'lik veri

toplanmıştır (http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBulletin/2010/48/News).

Aralık 2010'da uzun ve başarılı hüzme işletimi sona ermiş ve iyon veri alımı

tamamlanmıştır. (http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBulletin/2010/50/News).

18 Ekim 2011'e kadar ATLAS ve CMS deneyleri yaklaşık 6 fb-1'lık veri toplamıştır.

(http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/Releases2011/PR22.11E.html). 180

gün süren 4×1014 'lük p-p çarpışmalarından sonra 30 Ekim 2011'de p çarpışmaları

sona ermiştir (http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/Releases2011/).

13 Aralık 2011 'de CERN’deki CMS ve ATLAS deneyleri Standart Model (SM)

Higgs Bozonu ile ilgili sonuçlarını açıklayarak, ATLAS, eğer Higgs bozonu varsa

kütlesinin 116-130 GeV aralığında olacağını, CMS ise 115-127 GeV aralığında

olacağını söylemiştir. 5 Nisan 2012 tarihinden bu yana her birinin enerjisi

TeV 4s = olan proton hüzmeleri çarpışmaktadır. Şu an varılan toplam kütle

merkezi enerjisi dir.TeV' 8s = (http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/Releases2011/PR25.11E.html).

p-p ve ağır iyon çarpışmaları için BHÇ dedektörlerindeki makine

parametreleri çizelge 1.1’de verilmiştir.

http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBulletin/2010/48/News)

http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBulletin/2010/50/News)

http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/Releases2011/PR22.11E.html)

http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/Releases2011/)

http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/Releases2011/PR25.11E.html)


4

Çizelge 1.1. BHÇ dedektörlerinin makine parametreleri (CMS TDR, 2006). pp ağır iyon

Nükleon başına düşen enerji E 7 2.76 TeV

7 TeV’deki dipol alan B 8.33 8.33 T

Tasarım ışıklılığı L 10 34 10 27 cm-2 s-1

Demet ayırma 25 100 Ns

Demet sayısı kB 2808 592

Demet başına düşen parçacık sayısı Np 1.15x10 11 7.0x10 7

Çarpışmalar

Etkileşim noktasındaki ∗değeri ∗ 0.55 0.5 M

Etkileşim noktasındaki RMS ışın yarıçapı ∗ 16.7 15.9 Mm

Işıklılık yarı ömrü 15 6 Sa

Çarpışma ⁄geçis sayısı nc ≈20

BHÇ, çevresi 27 km olan ve yerin yaklaşık 100 m altında bulunan dairesel

bir hızlandırıcıdır. BHÇ üzerinde 4 büyük deney sistemi ((ATLAS – A Toroidal

LHC ApparatuS – Büyük Toroidal Detektör, CMS – Compact Muon Solenoid – Sıkı

Müon Solenoid, ALICE – A Large Ion Collider Experiment – Büyük İyon

Çarpıştırma Deneyi, LHCb – A Large Hadron Collider Beauty Experiment))

bulunmaktadır. Bu deneylerin her birinin amaçları farklıdır. ATLAS ve CMS,

YEF’in çok merak edilen problemlerine yanıt arayan genel amaçlı deneylerdir. Bu

deneyler YEF’in kuramsal modeli olan SM’i test etmek, elektro-zayıf simetri

kırınımı ve kütlenin kaynağı olduğu düşünülen higgs bozonunu keşfetmek, CP (yük

eşlenikliği-parite) kırınımını araştırmak, SÜSİ (SÜperSİmetri), karanlık madde,

karanlık enerji, çoklu boyutlar, kompozitlik ve 4 . aile gibi birçok egzotik model

araştırmalarını yapmak üzere tasarlanmıştır. ALICE evrenin büyük patlamadan

sonraki (mikro saniye sonrası) ilk evrelerindeki koşulları anlamaya çalışmaktadır.

Yapılan çalışmalar büyük patlamadan sonra çok sıcak ve yoğun dönemde evrendeki

maddenin kuark-gluon plazması (KGP) halinde olduğunu işaret etmektedir. Kuark ve

gluonların serbestçe dolaştığı bu evre ve birçok fizik konusu ALICE’in araştırma

programındadır. LHCb deneyi ise B mezon sektöründe CP kırınım etkilerine


5

bakarak madde-antimadde asimetrisini araştırmaktadır. Deneyler önemli araştırma ve

buluşların eşiğindedir.

Bu tez çalışması CERN’deki CMS deneyinin en ileri yöndeki

dedektörlerinden biri olan ZDC (Zero Degree Calorimeter - Sıfır Derece

Kalorimetre)’de kullanılmak için geliştirilen bir akım ayırıcı devre prototipi ile

ilgilidir. Tezin önceki çalışmalar kısmında 1996 yılından bu yana Çukurova

Üniversitesi Deneysel YEF grubu olarak çalışmalarına katıldığımız CMS detektörü

özetlenmiştir. Bu bölümde ayrıca Amerika’daki Brookhaven Ulusal Laboratuarı

(BNL)’ndaki RHIC (Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı) ve CERN’deki ATLAS ve

ALICE deneylerindeki ZDC’ler hakkında kısa bilgiler verilmiştir. CMS’deki

ZDC’lerin tasarımı, ZDC’nin alt detektör birimleri, tezin materyal ve metod

kısmında bulunmaktadır. Tezin araştırma ve bulgular kısmında ZDC’lerde

kullanılmak üzere geliştirilen akım ayırıcı devre prototipi ve özellikleri, devre

kullanılarak alınan veriler ve verilerin analizleri bulunmaktadır. Geliştirilen prototip

ile ilgili yorumlar tezin sonuç ve tartışma kısmında özetlenmiştir.


6

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ

7

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR

2.1 CMS Deneyi

CERN’deki CMS deneyinde kütle merkezi enerjisi TeV 14s = ’de p-p ve

deTeV' 5.5s = Pb-Pb çarpışmaları gözlenecektir. CMS dedektörü soğansı yapıda

olup silindirik geometriye sahiptir. En içte silikon piksel ve şerit izleyiciden oluşan iç

izleyici onu saran sızdırmaz (hermetik) homojen yapılı kurşun tunstant ( )4PbWO kristallerden oluşan bir elektromanyetik kalorimetre (EKAL), hadronik kalorimetre

(HKAL), süperiletken halka ve en dışta geri döndürücü halkalar ile birbirinden

ayrılan müon odacıklarından oluşan bir sistemdir. Dedektörün uzunluğu 22 m , çapı

15 m, toplam ağırlığı 14500 ton olup 4 Tesla ’lık manyetik alan oluşturan bir

solenoid mıknatısa sahiptir.

Mıknatıs halkanın içi izleyici ve kalorimetreleri barındıracak kadar büyüktür.

İzleyici silindirin uzunluğu m 6 olup çapı m 6.2 ’dir. İç izleyici yüksek parçacık

yoğunluklu bir ortamda çalışmaktadır. Bu nedenle dedektör tanecikli yapıdadır.

İzleyici sistemin rapidite aralığı 5.2<η 'tir. Dedektör merkezi bölgedeki piksel

detektörler ile geri kalan kısımlardaki silikon şeritlerin birleşiminden oluşmuştur

(Masetti, 2005). On katmanlı silikon mikro şerit dedektörler yüksek iz çözünürlüğü

ve hassas ölçümler için gereklidir. Üç silikon piksel katmanı ise ikinci köşelerin

yerini belirlemek ve yüklü parçacık izlerinin vuruş parametresi ölçümlerini

iyileştirmek için etkileşme bölgesine yakın bir yere düşey olarak yerleştirilmiştir.

0.3<η rapidite aralığında bulunan EKAL 4PbWO kristallerden yapılmıştır.

EKAL bir pirinç/sintilatörden oluşan örnekleme kalorimetre olup HKAL ile

çevrelenmiştir. Sintilasyon ışığı fıçı bölgesinde çığ foto diyotlar (APD) ve uç kapak

bölgesinde Vakum Foto Triotlar (VPT) kullanılarak varlanmaktadır. Bir ön duş

sistemi yüksüz pionları ( 0π ) elemek için EKAL’in uç kapak bölgesinin ön kısmına

yerleştirilmiştir. Sintilatör döşemelerde depolanan enerji dalga boyu 520 nm olan ışık

yayar. Dalga boyu kaydırıcı (WLS) fiberler ile eşlenen temiz fiberler ışığı


8

kamalardaki okuma ünitelerine gönderir. Işık foto dedektörler (hibrit foto diyod-

HPD’ler) ile varlanır (Breskin A ve Voss R., 2009).

Solenoid mıknatısın içinde bulunan HKAL, Merkezi Kalorimetre ( 0.3<η )

ve İleri Kalorimetre ( 0.50.3 << η ) olmak üzere iki kısımdan oluşmuştur. HKAL’in

merkezi kalorimetrelerinde soğurucu materyal olarak bakır, aktif materyal olarak

plastik sintilatör kullanılmıştır. CMS’de HF (En İleri Kalorimetre), CASTOR

(Centauro And Strange Object Research - Centauro ve Acayip Parçacık Araştırıcısı)

ve ZDC (Zero Degree Calorimeter - Sıfır Derece Kalorimetre) ileri kalorimetreleri

de bulunmaktadır. İleri kalorimetreler dışındaki diğer alt dedektörlerin CMS’deki

yerleri Şekil 2.1’de gösterilmiştir. Şekil 2.2’de CMS’deki detektörlerin rapidite

aralığı ve azimutal açıları (Beamont W, 2007) verilmiştir.

Şekil 2.1. CMS Detektörü (Dobrzynski, 2007).


9

Şekil 2.2. CMS Dedektörlerinin Rapidite Aralıkları ve Azimutal Açıları (Beamont W, 2007).

2.1.1 Süperiletken Mıknatıs

CMS deneyinde müon momentumunun hassas biçimde ölçülmesi önemlidir.

Müon odacıkları için gereken yüksek manyetik alan mıknatıslarla sağlanır. Bu

nedenle deneyde hüzme ekseni yönüne yerleştirilen 4 Tesla ’lık bir manyetik alan

sağlayan solenoid kullanılmaktadır. Mıknatıs m 5.12 uzunluğunda, m 6 çapında,

220 tonluk bir kütleye sahip olup enerji depolama kapasitesi 2.6 GJ ’dur.

Solenoidin boyutundan dolayı büyük bir bükme gücü elde edilebilir ve yüksek

süperiletken alanından dolayı bükülme ilk olay köşesinde başlamaktadır. Uygun bir

uzunluk⁄yarıçap oranı, ileri bölgede iyi bir momentum çözünürlüğü sağlamak için

gereklidir (Breskin A ve Voss R, 2009). Mıknatıs aynı zamanda detektörün diğer

tüm parçalarına destek görevini de üstlenmiştir.


10

2.1.2 İç İzleyici Sistem

CMS’in fizik programı, detektörün yüklü parçacık izlerini belirleme, onların

momentum ve vuruş parametrelerini iyi bir çözünürlükte ölçme kapasitesine bağlıdır.

-2.5< 2.5η < rapidite aralığında bulunan iç izleyici sistem 5.8 m uzunluğunda,

2.5 m çapında olup etkileşme noktasını sarmaktadır. Bu sistem etkileşme

noktasında çarpıştıktan sonra zıt yönlere giden yüklü parçacıkların bıraktıkları izleri

hassas ve doğru bir biçimde belirlemek, parçacıkların etkileşme köşelerini bulmak ve

parçacıkların momentumlarını ölçmek üzere tasarlanmıştır. CMS’te yüksek iz

çözünürlüğü elde etmek ve gerekli hassaslığı sağlamak amacıyla izleyici olarak

silikon piksel ve silikon mikro şerit dedektörleri kullanılmaktadır (Breskin A ve

Voss R., 2009).

İz yoğunluğu yarıçap arttıkça hızla azaldığından piksel detektörler ( 65 M

silikon piksel) etkileşme bölgesinin çok yakınına yerleştirilmiştir ve silikon mikro

şerit ( 210 m2 ) dedektörler ile kuşatılmışlardır. Şekil 2.3’de görüldüğü gibi piksel

detektörler yarıçapları 4.4 cm, 7 cm ve 10.2 cm arasında değişen üç silindirik

katmandan oluşur. Silikon şerit izleyiciler ise dışa doğru 1.1 m kadar genişleyen on

katmanlı bir silindirdir (Şekil 2.4). Her sistem piksel detektörde iki diskten oluşan uç

kapak ve şerit izleyicide 3 artı 9 diskten oluşan kapaklarla tamamlanmıştır. Tüm

piksel dedektör sisteminde 1440 detektör modülü bulunur. Yaklaşık 66 milyon

piksel veri okuma kanalı vardır. Silikon şerit dedektörler ise farklı kalınlığa sahip iki

bölgeden oluşmuştur. İç bölge 320 mikrometre ve dış bölge 500 µm olup toplam

15148 silikon şerit modülden yapılmıştır (Breskin A ve Voss R, 2009).

İz dedektörü etkileşim bölgesine çok yakın olduğundan yoğun bir parçacık

akısına maruz kalmaktadır. Bu nedenle dedektörün radyasyona karşı dayanıklı

olması çok önemlidir. Yüksek parçacık yoğunluğu dedektörün elektronik parçalarına

da zarar verebileceğinden iyi bir soğutma sistemine ihtiyaç duyulmuştur. Bu durum

sıcaklık 5 o C’nin altında tutularak giderilebileceğinden silikon piksel ve mikro

şeritlerin bulunduğu hacim C 0 o ’de tutulmaktadır.


11

Şekil 2.3. Hüzme Eksenine En Yakın Dedektör: 4.4 cm, 7 cm, 10.2 cm’lik silindirik katman ve disklerden oluşur.

Şekil 2.4. CMS’in Silikon Şerit Dedektörü.


12

2.1.3 Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL)

Kalorimetreler parçacıkların enerjilerini ölçen, yerlerini belirleyen hatta

yapılarının tanımlanmasını sağlayan bileşik detektörlerdir. Kalorimetreler gelen

birincil parçacıkları durduran ve bu parçacıkların etkileşmesi ile enerjilerini detektör

içinde bırakmalarını sağlayan aletlerdir. Elektronlar ve fotonlar elektromanyetik

etkileşme yaparak enerjilerini kaybederler. Kaybolan bu enerji CMS deneyinde

elektromanyetik kalorimetre (EKAL)’de ölçülmektedir.

Higgs bozonu, (H0) bozunumundan çıkacak olan foton veya elektron ve

pozitronların belirlenmesiyle tanımlanacağı için Higgs’in keşfinde EKAL’in rolü

büyüktür. Higgs'in CMS’te araştırılan başlıca bozunum modları şunlardır:

H0 → γγ (MH <140 GeV)

CMS’in yüksek performanslı PbWO4 kristallerinden oluşan EKAL bu

kanalın araştırılması için optimize edilmiştir.

)GeV 700M140(leptondört H H0 <<→

Bu kanalların algılanması için müon odacıklarının, iz detektörünün ve

EKAL’in performansına güvenilmektedir.

H0 → iki lepton + iki jet(MH > 500 GeV)

Bu süreçlerin gözlenebilmesi leptonların ve jetlerin algılanmasına ve kayıp

dik enerjinin ölçümüne bağlıdır. Ayrıca EKAL yüksek performans ve çözünürlüğe

sahip olduğu için SUSİ gibi SM ötesindeki keşifler için çok önemli bir alt

detektördür. EKAL bir fıçının iki uç kapakla kapatılmasından oluşan sızdırmaz homojen

bir silindirdir. Fıçı bölümü (EB) 479.13 << η , kapak bölümü (EE) ise


13

3479.1 << η rapidite aralığını kapsamaktadır. EKAL’in enerji çözünürlüğünün

çok iyi olması gerektiğinden aktif materyal olarak hızlı bir sintilatör olan yüksek

yoğunluklu ( 8.3 g/cm3), kısa radyasyon uzunluklu ( 0.89 cm) ve küçük Moliere

yarıçapına ( 2.2 cm ) sahip kurşun tungstant ( PbWO4 ) kristalleri kullanılmıştır.

Kütlece %98’i metal olan bu kristaller tamamen saydamdır. EB bölgesinde her

birinin boyutu yaklaşık 2.2 × 2.2 × 23 cm3 ( 25.8 Χ0 ) olan 61200 kristal

bulunmaktadır. Burada X0 parçacığın içinden geçtiği malzemenin radyasyon

uzunluğudur. EB kristal bölgenin hacmi 8.14 m3 ve ağırlığı 67.4 tondur. Her bir

EE bölümüne boyutları 30 × 30 × 220 mm3 ( 24.7 Χ0 ) olan 7324 kristal

yerleştirilmiştir. Kapaklar karbon fiber alveola yapısını içeren 5× 5 kristallerin

mekanik birimlerinde gruplanan aynı şekilli kristallerden oluşmuştur. Her EE iki

yarımdan oluşmuştur. Her yarımda 3662 kristal bulunmaktadır. Bunlar 138

standart SC (süperkristal) ve iç-dış çemberde 18 özel parçalı süper kristalden

oluşmuştur. Kristaller ve SC’ler x-y kartezyen koordinat sisteminde yerleştirilmiştir.

Şekil 2.5’de EKAL’in EB ve EE alt dedektörlerinin şematik görünümleri

gösterilmiştir. Kapak kısmı etkileşim noktasından 3.14 m uzaklıktadır.

Şekil 2.5’de EKAL’in Alt Birimlerinin Şematik Gösterimi.


14

Hızlı ve radyasyona dayanıklı olan kristaller EKAL’in enerji çözünürlüğünü

artırmaktadır. Uç kapakların önünde bir ön duş dedektörü bulunmaktadır (Şekil 2.6).

Ön duş dedektörlerinin amacı 6.2653.1 << η rapidite bölgesindeki kapaklar

içindeki yüksüz pionların kimliklerini tanımlamaktır. Minimum iyonize parçacıklara

karşı elektronun tanımlanmasına da yardımcı olurlar, elektron ve fotonların

yerlerinin belirlenmesini sağlarlar. Yüksek manyetik alandan dolayı foto dedektör

olarak fıçı bölgesinde Foto Çığ Diyotları (APD) ve uç kapaklarda ise radyasyona

dayanıklı olan vakum fototriod (VPT)’ler kullanılmaktadır (Breskin A ve Voss R.,

2009).

Şekil 2.6. CMS’de EKAL Modülleri. 2.1.4 Hadronik Kalorimetre (HKAL)

CMS dedektörü son durumlardaki farklı imzaları içeren yüksek enerji

süreçlerini geniş bir aralıkta çalışmak için tasarlanmıştır. Hadronik kalorimetre

(HKAL) EKAL’in alt detektörleri ile birlikte hadron jetlerinin ve kayıp dik

enerjilerle sonuçlanan egzotik parçacıkların ölçülmesi için tasarlanmış birleşik bir

kalorimetre sistemidir. Bu ölçümler kuark ve gluonların SÜSİ eşleri gibi yeni


15

parçacıkların varlanmasında etkilidir ve yüksek kütle aralığındaki Higgs bozonlarının

keşfinde de önemli rol oynar.

CMS dedektörünün uzunlamasına görünümü Şekil 2.7’de verilmiştir. Kesikli

çizgiler η değerlerini göstermektedir. HKAL; Hadronik Fıçı (HB), Hadronik

Kapak (HE) ve Hadronik En Dış Kalorimetre (HO) olarak bilinen merkezi bir

kalorimetre ile ileri hadronik kalorimetre HF’den oluşmuştur. HKAL’in dört alt

dedektörü Şekil 2.8’de görülmektedir. HB ve HE etkileşme noktasından itibaren

izleyici sistem ve EKAL’in arkasında bulunmaktadır.

Şekil 2.7. CMS’in Uzunlamasına Görünümü (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016890021200099X).

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016890021200099X)


16

Şekil 2.8. HKAL’in Alt Dedektörleri.

2.1.4.1 Hadronik Fıçı (HB)

HB, radyal olarak EKAL’in dışı ( R =1.77 m) ile mıknatıs bobinin içi

(R = 2.95 m)arasına yerleştirilmiştir. HB bir örnekleme kalorimetre olup 3.1<η

rapidite aralığını kapsar. 36 özdeş azimutal kamaya sahiptir. HB’de maksimum duş

çözünürlüğüne ulaşmak için HB radyal doğrultuda HB (+) ve HB (-) olmak

üzere iki yarım fıçıdan oluşmuştur. 4.3 m uzunluklu yarım fıçıların her biri 25.7 ton

ağırlığındadır. Her bir yarım fıçı ∆φ = 200 ’lik 18 özdeş kamadan, kamalar ise

hüzme eksenine paralel olan soğurucu pirinç tabakalardan yapılmıştır. Soğurucu

tabakanın yoğunluğu 8.83 g/cm3 olup %70 'i bakır, %30 'u çinkodur. En içteki ve

en dıştaki soğurucu tabakalar yapısal destek sağlamak için paslanmaz çelikten

yapılmıştır. Soğurucu ön tabakada 40 mm kalınlığında çelik, onun arkasında 8


17

tane 50.5 mm kalınlığında pirinç, 6 tane 56.5 mm kalınlığında pirinç ve en sonda

da 75 mm kalınlığında çelik tabakalar bulunmaktadır (Breskin A ve Voss R., 2009).

Soğurucu çelik ve pirinç tabakaların aralarına aktif materyal olarak sintilatör

plakalar yerleştirilmiştir. Sintilatörler 16 η sektörüne ayrılmıştır. İlk aktif plaka

EKAL’in bittiği yerdedir ve diğer sintilatör tabakalarının 2 katı kalınlıktadır. Işık

Hibrit fotodiyotlar ile varlanmaktadır.

Şekil 2.9. ∆φ = 200 Açılara Bölünmüş HB’nin Görünüşü

Şekil 2.10 HB Kamaları


18

2.1.4.2 Hadronik Kapak (HE)

HE, son durum parçacıklarının %34’ünün bulunduğu bir bölge olan

1.3 < η < 3.0 rapidite aralığındadır. Yüksek manyetik alan içinde bulunan HB’in her

iki ucunu kapatmaktadır. Geometrik yapısı HB ile aynı olup her biri ∆ϕ=20°'lik

açıyla yerleştirilen 18 tane kamadan oluşan bir çokgendir. Kamalar eşit açıyla

(∆ϕ=5°) bölünmüş 4 sektörden oluşur. HB'de olduğu gibi HE’de 18 tane pirinç

soğurucu tabaka bulunmaktadır. Her tabaka 78 mm kalınlığındadır ve kalınlığı 3.7

mm olan 19 adet sintilatörden oluşmuştur. İç ve dış plakalar paslanmaz çelik ile

kaplanmıştır. HE uzunlamasına HE1 ve HE2 olarak adlandırılmıştır.

Şekil 2.11. HE’nin Görünüşü.


19

2.1.4.3 Hadronik Dış Kalorimetre (HO)

−1.26 < η <1.26 rapidite aralığını kapsayan HO mıknatısın dışında

bulunmaktadır. HO sintilatör tabakaları süper iletken solenoid ve müon odacıkları

arasındadır. HO başlangıç duşlarını tanımlamak ve HB’nin ötesindeki duş

enerjisini ölçmek için kullanılmaktadır.

2.1.5 İleri Kalorimetreler

CMS’in ileri bölgesinde HF (İleri Hadron Kalorimetresi) CASTOR

(Centauro And Strange Object Research) ve ZDC (Zero Degree Calorimeter) ileri

kalorimetreleri bulunmaktadır. İleri kalorimetreler kayıp dikine enerjiyi ölçmek,

jetleri tanımlamak, kozmik ışın çarpışmalarına benzeyen ilginç olayları anlamak,

diffraktif ve düşük- x fiziği olayları gibi fizik konularını araştırmak için

tasarlanmıştır. CASTOR, HF ve ZDC detektörleri sadece p-p etkileşmelerinde

değil, Pb-Pb çarpışmalarında üretilen parçacıkları da belirleyeceklerdir (Norbeck

ve ark., 2006). Pb-Pb çarpışmalarında, nükleer madde çok yüksek enerjilerde

incelenerek kuarkların hapisten kurtuluşu, kuark-gluon plazmasının (KGP)

özellikleri incelenecektir.

2.1.5.1 İleri Hadron Kalorimetresi (HF)

HF rapidite aralığı 53 ≤≤ η (hüzme ekseni ile 07.0 ile 06 ’lik açılar

yapan) olan bölgeyi kapsamaktadır. HF+ ve HF- olmak üzere iki modülden

oluşmuştur. HF hüzme hattına çok yakın olduğundan görülmemiş bir parçacık

akısına maruz kalmaktadır. Her p-p çarpışmasında her iki HF modülünde biriken

enerji GeV 760 iken detektörün geri kalan kısmında sadece GeV 100 ’lik bir enerji

depolanır. Depolanan enerji kalorimetreye düzgün olarak dağılmaz, fakat en yüksek

rapiditelerde bir maksimum değere ulaşır. Örneğin 5=η rapiditede ve -15 nb 105 ×

lik toplam ışıklılıkta (BHÇ 10 ≈ yıl çalıştığında) HF’in Grad 1 ≈ doz soğurması


20

beklenmektedir. Yüklü hadron oranları da çok yüksek olacaktır. Aynı toplam ışıklılık

için hüzme hattından 125 cm uzaklıkta bulunan HF soğurucunun içindeki oranın her

cm2 'de 1011 kadar artması beklenmektedir. Bu kadar zor koşullar altında en az on

yıl veri toplayacak olan kalorimetrenin koşullara dayanıklı olması kaçınılmaz

olmuştur. HF’in bu ortama uyum sağlayabilmesi için radyasyona dayanıklı olan

kuvars fiberler aktif ortam olarak seçilmiştir. Kalorimetre 5 mm kalınlığında oluklu

levhalardan oluşan çelik soğurucudan yapılmıştır. Fiberler bu olukların içine

gömülmüştür. Kullanılan fiberler radyasyona karşı dayanıklıdır ve soğurucuda

oluşan duşlar Çerenkov ışımasına yol açar. HF, Çerenkov ışığını varlayabilen bir

kalorimetredir. Çerenkov eşiğinin üzerindeki enerjilerde hadron duşundaki yüklü

parçacıklar kuvars liflerde ışık oluşturur ve sonuç olarak HF duşun elektromanyetik

öğeleri için yüksek hassasiyet gösterir. HF'de uzun ve kısa olmak üzere iki tip fiber

kullanılmıştır. Bunlardan uzun fiberler 165 cm'dir ve dedektörün ön yüzünden

başlayarak 165 cm uzağa gidecek şekilde, kısa fiberler ise 143 cm olup dedektörün

ön yüzünden 22 cm uzaktan başlayarak 165 cm uzağa gidecek şekilde

yerleştirilmiştir. Uzun fiberler HF'in elektromanyetik kısmını oluşturur ve

elektromanyetik ve hadronik etkileşen parçacıklara duyarlıdır. Kısa fiberler ise

hadronik kısımda yer alıp sadece hadronik parçacıklara duyarlıdır. Bu sayede

elektromanyetik etkileşme hadronik etkileşmeden ayırt edilebilir.

HF dış yarıçapı 130 cm olan çelik bir silindirdir. Kalorimetrenin ön yüzünün

etkileşme noktasından uzaklığı 11.2 m’dir. Silindirin merkezinde hüzme hattı için

cm 5.12 yarıçaplı silindirik bir boşluk vardır. Bu yapı azimutal olarak 200 ’lik açı

yapan modüler kamalara bölünmüştür. Her bir kısım 18 kamadan, her kama 24

kuleden oluşmuştur. Her kama 100 ’lik eşit açıyla bölünmüş 2 sektöre sahiptir.

2.1.5.2 CASTOR Kalorimetresi

CASTOR, 5.2 < η < 6.6 rapidite aralığını ( 0.50 ile 0.090 aralığındaki açı

bölgesini) kapsamaktadır (CMS TDR-I,2006). CMS’nin etkileşme noktasından

m 38,14 uzaklıkta bulunan CASTOR Çerenkov ışınımı esasına göre çalışan bir


21

Tungsten (W)- Kuvartz (Q) örnekleme kalorimetresidir. CASTOR hüzme borusunu

saran iki yarım silindir olup Elektromanyetik (EM) ve Hadronik (HAD) kısımlardan

oluşan bir kalorimetredir. Kalorimetrede kullanılan W plakalar soğurucu, Q plakalar

aktif ortam özelliğindedir. W tabakaların yoğunluğu 18.5 g/cm3 tür. EM kısımda

kullanılan W plakaların kalınlığı 5 mm , Q plakalarının kalınlığı 2 mm ’dir. HAD

kısımdaki W ve Q plakalarının kalınlığı sırasıyla 10 mm ve 4 mm ’dir. CMS’in ileri

kalorimetreleri Şekil 2.11’de gösterilmiştir.

Şekil 2.12. İleri Kalorimetrelerin Konumu (CMS Collaboration, 2008).

2.1.5.3 ZDC Kalorimetresi

İki adet sıfır derece kalorimetre, yüksüz parçacıkları varlamak için CMS’in

|η| ≥ 8.3 rapidite aralığına, BHÇ’ın hüzme hattı üzerinde bulunan soğurucu TAN’ın

içindedir. Elektromanyetik (EM) ve hadronik (HAD) bölümlerden oluşan ZDC’ler

özellikle ağır iyon ve p-p difraktif çalışmaları için önemlidir. Kalorimetrenin

ayrıntıları bir sonraki bölümde tartışılacaktır.


22

2.1.6. Müon Sistemi

CMS’in en önemli işlerinden biri müonları varlamaktır. Müonlar (μ) elektron

ve pozitronlar gibi yüklü parçacıklardır; fakat onlardan 200 kez daha ağırdır. μ’lar

kalorimetre tarafından durdurulamayan tek yüklü parçacıktır. Enerjileri 5 GeV

civarında olan μ’lar, bakır, çelik gibi metallerin her mm’sinde yaklaşık 1 MeV enerji

kaybına uğradıkları için çok fazla enerji kaybetmeden kalorimetreleri geçebilir ve

yüksek enerjili μ’lar detektör içerisinden geçerken enerjilerini EM süreçlerle

(iyonizasyon, çoklu saçılma, foto nükleer etkileşmeler) kaybederler. Müonlar,

Higgs ve SÜSİ parçacıklarının keşfinde önemli ipuçları sunmaktadır. Yüksek Pt’li

μ’lar bazı fiziksel süreçler için temiz bir işaret sağlar. CMS deneyinde Higgs’in dört

müon’a bozunması en temiz bozunum kanallarından biridir. μ’lar CMS'in herhangi

bir kalorimetresi tarafından durdurulamadığından demir içinde bir kaç metre

ilerleyebilir. Bundan dolayı müon odacıkları CMS kalorimetreleri ve bobinin hemen

arkasına yerleştirilmiştir. Müon sisteminin amacı birkaç GeV’den birkaç TeV’ye

kadar olan geniş bir aralıkta müonları tanımlamak ve momentumlarını ölçmektir. Fıçı

bölgesinde 2.1=η ve kapak bölgesinde 4.29.0 << η rapidite aralığını kapsayan

müon sistemi parçacıkların kimliklerini belirlemek için demir destek plaka aralıklı

dört müon istasyonundan (MS1,MS2, MS3, MS4) oluşmuştur. Parçacıkların

konumu her bir istasyondaki parçacık izleri takip edilerek belirlenir. CMS’in

solenoidal alanı (r,φ ) düzlemindeki izlerin bükülmesine neden olur. μ’ların

momentumu

a) Merkezi izleyici içinde,

b) Bobinden hemen sonraki eğilmelerden,

c) Demir blok içinde

olmak üzere üç bölgede ölçülebilir. Müon sisteminde müonları varlamak ve

momentumlarını ölçmek için üç farklı dedektör kullanılır. Bunlar fıçı bölgesindeki

sürüklenme tüpleri, kapak bölgesindeki katot şerit odacıkları ile fıçı ve kapak


23

bölgelerinin her ikisinde yer alan dirençli plaka odacıklarıdır (CMS TDR, 2006).

Müon sisteminde toplam 1400 müon odacığı vardır: 250 sürükleme tüpü (DT), 540

katot şerit odacığı (CSC) parçacıkların konumlarını izleyip, tetikleme sağlarken,

tetikleme sistemi formundaki 610 dirençli plaka odacıkları (RPC), elde edilen müon

verilerinin tutulup tutulmamasına kolayca karar vermektedir

(http://cms.web.cern.ch/news/muon-detectors).

Şekil 2.13. Müon Sistemi (http://cms.web.cern.ch/news/muon-detectors).

http://cms.web.cern.ch/news/muon-detectors)

http://cms.web.cern.ch/news/muon-detectors)


24

3. MATERYAL VE METOD Çağlar ZORBİLMEZ

25

3. MATERYAL VE METOD

3.1 Kuark Gluon Plazması

Doğadaki temel etkileşmelerden biri olan güçlü etkileşmenin kuramı

Kuantum Renk Dinamiği (KRD)’dir. Kurama göre kritik bir sıcaklığın

(150 MeV-1.8 trilyon K) ve baryon yoğunluğunun üstünde kuark ve gluonlar

ayrılarak Kuark Gluon Plazması (KGP) denilen maddenin yeni bir halini oluşturur.

Kuarklar maddenin temel yapıtaşlarıdır ve taşıdıkları renk yükü sayesinde bir araya

gelerek proton, nötron ve diğer hadronları oluşturlar. Gluonlar ise kuarkları birbirine

bağlayan kuvvet taşıyıcı parçacıklardır. Kuark ve gluon sisteminin termodinamik

özelliklerinin kuramı Termal Kuantum Renk Dinamiği (TKRD)’dir. Hadronik

maddenin sıcaklığı, dolayısıyla enerji yoğunluğu arttığında kuark ve gluonlar serbest

hale geçerek herhangi bir hadrona ait olmazlar ve KGP’nin tüm hacmi boyunca

serbestçe hareket ederler. Elektrik yüklü parçacıklardan oluşan plazmanın toplam

elektrik yükü sıfırdır. Renk yüklü kuark ve gluonlardan oluşan plazmanın da toplam

renk yükü sıfır olur. TKRD’ne göre, KGP’de protonlar ve nötronlar kimliklerini

kaybeder ve hadron maddesi, normal nükleer maddeden farklı olarak kuark ve

gluonların etkileştiği bir karışıma dönüşür. KGP’in yapısını anlamak için yapılan

çalışmalar kuarklar arasındaki etkileşmenin uzun menzilli Coulomb etkileşmesi

olduğunu göstermektedir. KGP elektrik yüklü parçacıklardan oluşan plazmaya

benzemekle birlikte kuark ve gluonlar elektrik yükü değil renk yükü taşır. Bu yeni

fazda güçlü etkileşme zayıflar ve renk-iletken bir KGP oluşur. Bu yapı incelenerek

güçlü etkileşmenin özellikleri daha iyi anlaşılabilir (Veliev E V, 2003).

KGP laboratuar ortamında nükleon başına birkaç yüz GeV’lik ağır iyon

çarpışmalarında oluşturulabilir. Evrenin başlangıç koşullarını anlayabilmek için

dünyadaki birkaç laboratuarda yüksek enerjili ağır iyon fiziği araştırmaları

yapılmakta ve çok büyük yoğunluklarda etkileşme yapan maddenin yapısı

incelenmektedir. Çok yüksek enerjilerdeki bu etkileşmeler ile evrenin Büyük

Patlama’dan sonraki ilk evrelerinde (1/10.000.000 anında) ortaya çıktığı düşünülen


26

maddenin dördüncü hali olarak bilinen KGP oluşturulmaktadır. Bu KGP’ın nötron

yıldızları denilen çok yoğun yıldızların çekirdeklerinde olduğu da düşünülmektedir.

Tezin bu bölümünde KGP yapısını anlamak için yapılan deneyler ve bu

deneylerde kullanılan Sıfır Derece Kalorimetre (ZDC)’leri tartışacagız. ZDC’lerin

amacı özellikle ilk (düşük ışıklılıklı) p-p ve ağır iyon çarpışmalarında ortaya çıkan

çok ileri yöndeki foton ve nötronları araştırmaktadır. Deneylere ZDC’lerin

eklenmesi ile p-p , p-A, A-A çarpışmalarının mutlak ışıklılığı ve p-p ile A-A

etkileşmelerinin toplam tesir kesiti ölçümleri, merkezselliğin belirlenmesi, p-A, A-A

çarpışmalarının genel olay özelliği, p-p , p-A ve A-A çarpışmaları için ileri rapidite

bölgesindeki enerji akışı, bu çarpışmalar için PeV enerjilerinde sabit hedef

koşullarında ortaya çıkan hadronik duş gelişiminin özelliklerinin belirlenmesi

mümkün olacaktır.

3.2 Brookhaven Ulusal Laboratuarı (BNL)’deki RICH Deneyleri

Amerika’nın Enerji Bakanlığına bağlı Brokhaven Ulusal Laboratuarı

(BNL)’ndaki RHIC (Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı) deneylerinde altın ( )Au

iyonları (elektronlarını tümüyle ya da kısmen yitirmiş, dolayısıyla pozitif elektrik

yüküne sahip atom çekirdekleri) tüneller içindeki süperiletken mıknatısların

yardımıyla ışık hızına yakın (relativistik) hızlara çıkarılarak çarpıştırılmıştır. RHIC

deneyleri Au-Auçarpışmaları için tasarlanmakla birlikte p-p , deneylerde proton-

altın ( )Au-p ve döteryum-altın ( )Au-d çarpışmalarına da bakılmıştır.

RICH’deki en yüksek çarpışma enerjileri Au iyonları için 100 GeV/u , p

için 250 GeV ’dir. Yüksek enerjili çekirdek çarpışmaları hüzme ve hedef

çekirdeklerinin her ikisinde de nötron buharlarının yayılmasına neden olur.

RHIC’deki ağır iyon çarpışmalarında nötron buharları hüzmeden 2 mrad ’dan daha

az bir sapma göstermiştir ve bu yüksüz hüzme dalgalanmaları geniş delikli

hızlandırıcı dipol mıknatıslar yardımıyla belirlenmiştir (Adler, C, 2001). Çarpışma

ürünleri RHIC’de bulunan dört deney (BRAHMS-Broad RAnge Hadron Magnetic

Spectrometers, PHENIX-Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment,


27

PHOBOS ve STAR-Solenoidal TRAcker) tarafından araştırılmıştır. RHIC’in çalışma

koşulları Çizelge 3.1’de verilmiştir. RHIC'deki dört deney faz değişimini incelemek

ve KGP’nın yapısı ve özelliğini anlamak üzere tasarlanmıştır (Harrison,2003).

Çizelge 3.1 RHIC’in çalışma şartları Au-Au Pb-Pb

Hüzme Enerjisi 100 → 30 GeV/u 250 → 30 GeV/u

Işıklılık 2 ×1026cm -2s-1 1.4 ×1031cm -2s-1

Halka/Demet Sayısı 60 (→ 120) 60 (→120)

Işıklılık Ömrü ~10 h > 10 h

RHIC’de proton ve elektron yerine Au çekirdekleri çarpıştırıldığında, Au

çekirdeğinin çok fazla ısınıp-sıkışarak, altın proton ve nötronlarının üst üste geldiği,

kısa zamanda aşırı derecede enerji alanı oluştuğu böylece enerji yoğunluğunun arttığı

ve bu alanda çok sayıda kuark ve gluonların ortaya çıkarak KGP yapısını

oluşturduğu görülmüştür.

Çarpıştırıcının yapımı ve birbirini tamamlayıcı dört dedektörden oluşan set,

(BRAHMS, PHENIX, PHOBOS ve STAR) planlandığı gibi 1999 senesi boyunca

tamamlanmıştır. Aynı yıl içinde ilk mühendislik testleri yapılarak, 2000 yılında Au

iyon çarpışmaları başarıyla gerçekleştirilmiştir. Bu çarpışmaların ilki 12 Haziran

2000'de 28 GeV/nükleon enerjili hüzme ile daha sonraki ise 65 GeV/nükleon

enerjili hüzme ile yapılmıştır. Tasarlanan 100 GeV/nükleon hüzme enerjisindeki

Au iyon çarpışmalarına 18 Temmuz 2001'de ulaşılmıştır. Şekil 3.1’de RHIC halkası

üzerinde bulunan deneyler görülmektedir. Çarpışma halkasında dönen hüzmeler

çarpıştırıcının altı kesişme noktasında kafa kafaya çarpıştırılmıştır (Harrison,2003).


28

Şekil 3.1 RICH Deneyleri (Harrison,2003).

RHIC’deki dört deneyin her biri için iki tane (Sıfır Derece Kalorimetre) ZDC

alt detektörü kullanılmıştır. Bunların amacı her iki hüzme yönünde koni boyunca

yayılan nötronları belirlemek ve onların enerjilerini ölçmektir. ZDC’ler olay

tetikleyici ve ışıklılık monitörü olarak da kullanılmıştır. Bunun için dört deneyin

ZDC’leri aynıdır. Hüzme geometrisi ve dedektörlerden birinin konumu Şekil 3.2’de

verilmiştir. Etkileşim noktası berilyum hüzme borusunun merkezi olup DX

mıknatısları etkileşim bölgesinden yaklaşık olarak 11.65 m uzaklıktadır. DX’ler

6.11 m uzunluğuna sahip süper iletken dipol mıknatıslardır. Hüzmenin akış yönünde

ise DX mıknatıslarının sonuncusu etkileşim noktasından yaklaşık 14.73 m uzaklığa

yerleştirilmiştir. DX mıknatıslarını izleyen boru yaklaşık 30.5 cm çapında, 50 cm

uzunluğundadır ve bir körük bölmesi oluşturur. Bu körükleri konik bir boru takip

etmektedir. Bu boruların çapı 30.54 cm’den başlamakta ve körüklerle

birleşmektedir. Uzunluğu boyunca artarak son durumda 41.9 cm kadar

ulaşmaktadır. Koniksel borunun uzunluğu yaklaşık olarak 267 cm 'dir (QCAL Grup,

1998).


29

Şekil 3.2. Hüzme Geometrisi Ve Dedektörün Konumu (Adler C., 2001).

ZDC detektörleri DX mıknatıslarının dış kısmına hüzme ayrıcı bölgenin

arkasına, etkileşme noktasından yaklaşık 18 m uzaklığa ve etkileşim noktasının her

iki tarafına, ileri yönde olacak biçimde 2.5 mr ’lık bir açıyla yerleştirilmiştir. Sintilatör dilimler ve tungsten katman plaklardan oluşan ZDC gerçekte küçük bir

hadronik kalorimetredir. Her bir kalorimetrenin toplam genişliği sadece 10 cm dir.

Bu kalorimetreler çarpışma merkezliliği ölçümleri ve ağır iyon çarpışmalarında

nötron çokluluğu hakkında bilgi verir. Bu kalorimetreler kullanılarak etkileşim

bölgesinden (seyirci parçacıklar olarak bilinen) kaçan nükleer kalıntıların dağılması

ile yayılan nötronların hüzme enerjisi ölçülmüştür. Yüklü parçacıklar DX

mıknatısları tarafından sürüklendiğinden detektörler hüzme yönünde yaklaşık

2 mrad ’lık koni içindeki yüksüz enerjiyi ölçmüştür. ZDC’ler enerji ölçümlerinde

“seyirci” (etkileşmeye katılmayan) nötron sayısını saymıştır

(http://www4.rcf.bnl.gov/~swhite/zcal/). Ayrıca her bir geçiş noktasındaki ZDC

çiftleri çarpışan hüzmeler için bir ışıklılık monitörü olarak da kullanılmıştır

(Harrison, 2003).

http://www4.rcf.bnl.gov/~swhite/zcal/)


30

2000 ile 2003 yılları arasında RHIC deneylerden alınan verilerin analizleri

kuarklar ve gluonlardan maddenin daha sıcak ve daha yoğun halini elde ettiklerini

ancak ortaya çıkan maddenin beklenenin aksine serbest kuark ve gluonların gaz

halinde değil, daha çok sıvıya benzediğini göstermiştir. Evrenin ilk mikro

saniyelerinde gazdan çok sıvıya benzeyen bu yapı sicim kuramında kullanılan

hesaplarla uyum göstermektedir. Sicim kuramı evreni üç uzay ve bir zaman boyutuna

ek olarak on boyut kullanarak açıklamaya çalışan bir yaklaşım kuramıdır. RHIC

deneylerinde Güneş’in merkezinden 150000 kez daha fazla sıcaklığa ve enerji

yoğunluğuna ulaşılmıştır. Analizlerde binlerce parçacıktan alınan rastgele örnekler

ölçülmüş ve ölçümler parçalanan çekirdeğin oluşturduğu hacime göre değişen

basınca bir tepki olarak çarpışmada üretilen ve başlangıçta mevcut olan parçacıkların

birlikte hareket ettiğini göstermiştir. Sonuçlar sıvı hareketinin özelliklerine

benzediğinden bu maddenin akışkan olduğunu işaret etmiştir.

(http://www.yaklasansaat.com/evren/karadelik/evrenlikit.asp)

3.3 BHÇ Deneylerinde ZDC Kalorimetreleri

CERN’deki BHÇ, hem protonları yüksek enerjilere hızlandırarak

çarpıştırmak hem de kurşun iyonlarını çarpıştırmak için tasarlanmıştır. Pb-Pb

hüzmeleri 8 Kasım 2010’da çekirdek çifti başına 2.76 TeV’lik kütle merkezi

enerjisinde BHÇ üzerindeki ATLAS, CMS, ve ALICE dedektörlerinin içinde

çarpıştırılmıştır (http://cdsweb.cern.ch/record/1305179/files/r150431-e541464-

3dv3.png). Kurşun iyonlarının çarpıştırılması ile evrenin büyük patlamadan sonraki

ilk evresinin anlaşılacağı ümit edilmektedir. Çarpışmalarla ortaya çıkacak olan çok

parçacıklı ve çok yüksek enerji yoğunluklu KGP yapısını araştırma çalışmaları halen

devam etmektedir.

ATLAS, CMS, ve ALICE deneylerinin hepsinde ZDC kalorimetreleri

bulunmaktadır. Şimdi BHÇ deneylerinde kullanılan ZDC kalorimetrelerini kısaca

özetlemeye çalışacağız.

http://www.yaklasansaat.com/evren/karadelik/evrenlikit.asp)

http://cdsweb.cern.ch/record/1305179/files/r150431-e541464


31

3.3.1 CERN’deki ALICE Deneyinde ZDC Kalorimetresi

Pb-Pb çarpışmalarında ortaya çıkacak fizik konularını araştırmak için

tasarlanan ALICE (Relativistik Ağır - İyon Deneyi) 16 m yüksekliğinde, 16 m

çapında, 26 m uzunluğunda ve 10 000 ton ağırlığındadır. ALICE’de daha önce LEP

hızlandırıcısı üzerinde bulunan deneylerden L3 dedektörünün eski solenoid mıknatısı

kullanılmaktadır. ALICE merkezcil çarpışmalarla oluşan sıcak ve yoğun ortamın

özelliklerini araştırmaktadır. Merkezcil çarpışmalar küçük vuruş parametrelerinde

ortaya çıkar. Çarpışma geometrisi ve vuruş parametresi ile ilgili dolaylı olarak

gözlenebilenler hüzme içinde etkileşmeyen nükleonlardır. BHÇ’de iki hüzme demeti

birbirinden mıknatısla ayrılmaktadır. Bu mıknatıs diğer taraftan nötron ve protonları

da birbirinden ayırır. Çarpışmaların merkezcilliği seyirci nükleonlar tarafından

taşınan enerjiyle ilişkilidir. Bundan dolayı çarpışan iki çekirdeğin üst üste geldiği

bölgeyi tanımlamak için seyirci nükleonların enerjilerini varlamak gerekir.

ALICE deneyinde çarpışan çekirdeklerin nüklonlarını (seyirci proton ve

nötronları birbirinden) ayırmak ve nükleonların enerjilerini ölçmek için ZDC

kalorimetreleri kullanılmaktadır. BHÇ’nin dipol mıknatısları seyirci protonlardan

iyon hüzmelerini ayırmaktadır: seyirci protonlar ve nötronlar sırasıyla proton (ZP) ve

nötron (ZN) kalorimetreleri ile varlanmaktadır (N. De Marco,2007). ZDC, iki tane

ZP iki tane ZN olmak üzere toplam dört kalorimetreden oluşmuştur. Tüm seyirci

nükleonlar aynı enerjili olduğundan çarpışmanın merkezliliği konusunda doğru bilgi

veren kalorimetre yanıtı seyirci nükleonların sayısı ile orantılıdır. Hızlı yanıt verme

özelliklerinden dolayı ZDC’ler seviye 1 tetikleyici olarak kullanılmaktadır. ZDC’ler

yoğun bir soğurucu içine gömülen silika optik fiberlerde duş parçacıklarının

oluşturduğu Çerenkov ışığını varlayan spagetti kalorimetrelerdir. Özdeş

kalorimetreler tamamen hüzme hattı üzerinde (Şekil 3.3), BHÇ ekseni ile sıfır derece

açı yapacak biçimde etkileşme noktasının ( )IP2 her iki tarafına, bu noktadan 116 m

uzaklığa yerleştirilmiştir (N. De Marco, 2007).

Kalorimetrede ağır metal plaka yığınları pasif (soğurucu) materyal ve kuvars

fiberler aktif materyal olarak kullanılmıştır. Metal plakalar proton ( )p için pirinç,


32

nötron ( )n için tungsten (W) alaşım maddeden yapılmıştır. Yüksek enerjili proton ve

nötronlar soğurucu materyallere çarparak “duş” denilen parçacık çağlayanlarını

oluşturur. Parçacıklar yeterince hızlı ise duştaki parçacıklardan biri bir fiberden

geçtiğinde ışık (Çerenkov etkisi) oluşabilir. Bu fiber içinde çoğalan ışık yansımayla

uçlara doğru yayılır. Foto çoğaltıcılar ışığı elektrik sinyallerine dönüştürür. Elektrik

sinyallerinin büyüklüğü seyirci nükleonların taşıdığı enerjiyi ölçmeyi sağlayan gelen

proton veya nötronların enerjisi ile orantılıdır. Çizelge 3.2’de ALICE deneyindeki

ZDC’lerin bazı özellikleri verilmiştir. BHÇ tünelindeki ZDC’lerden biri Şekil

3.4’de, ALICE dedektörü ve ZDC’lerin konumu ise Şekil 3.5’de gösterilmektedir.

(http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter2/Chap2_ZDC-en.html).

Şekil 3.3 BHÇ Hüzme Hattı Üzerindeki ALICE ZDC’leri.

Çizelge 3.2. ZDC parametrelerinin özeti (N. De Marco,2007) Dedektör ZN ZP Boyutları 7.2 × 7.2 ×100 cm3 22.8×12 ×150 cm3 Dolma Oranı 1/22 1/65 Soğurucu W-Alaşım Pirinç Yoğunluk 17.6 g/cm3 8.48 g/cm3

Levha Sayısı 44 30 Levha Kalınlığı 1.6 mm 4 mm Fiber Sayısı 1936 1680 Fiber Boşluğu 1.6 mm 4 mm Fiber Çapı (Silika Özlü) 365 µm 550 µm FÇT Sayısı 5 5 FÇT Tipi Hamamatsu R329-02 Hamamatsu R329-02

http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter2/Chap2_ZDC-en.html)


33

Şekil 3.4. BHÇ Tünelinde ALICE ZDC Kalorimetresi (http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter2/Chap2_ZDC-en.html).

Şekil 3.5. ALICE Dedektörü Ve Hüzme Hattı Üzerine Yerleştirilen ZDC (Gallio M,2007).

http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter2/Chap2_ZDC-en.html)


34

3.3.2 CERN’deki ATLAS Deneyinin İleri Kalorimetreleri

CERN’deki ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) ve CMS (Compact Muon

Solenoid) aynı genel amaçlı deneylerdir. Bu deneyler SM’i test etmek, Higgs

bozonunu keşfetmek, üst kuark, CP kırınımı, SÜSİ (SÜperSİmetri), ekstra boyutlar,

karanlık madde, karanlık enerji, kompozitlik ve 4. aile gibi birçok fizik konusunu

araştırmak üzere tasarlanmıştır. Dedektörler ağır iyon çarpışmaları Pb)-(Pb içinde

uygun yapıya sahip olduklarından bu deneyler maddenin KGP yapısını inceleyerek

evrenin büyük patlamadan sonraki ilk evrelerini anlamaya çalışmaktadır.

ATLAS dedektörü 25 m çapında, 46 m uzunluğunda ve 7000 ton

ağırlığındadır. Silindirik soğan yapısına sahip olan ATLAS’ın en iç bölümünde iz

detektörleri, onu saran elektromanyetik ve hadronik kalorimetre, en dış bölümünde

ise müon odacıkları bulunmaktadır (Şekil 3.6). ATLAS’ın mıknatısları CMS

deneyinde kullanılandan farklı olarak üç kısımdan oluşur. Bunlar iz detektörlerini

saran merkezi selonoid (CS), hadronik kalorimetrenin silindirik fıçısını saran,

birbirinden bağımsız sekiz tane kangal yapılı büyük süper iletken hava-özlü toroid

(BT) ve BT’nin iki ucunu kapatan toroidler (ECT)’den oluşmuştur.

(http://atlasexperiment.org/magnet.html). 2 Tesla ’lık manyetik alan üreten

mıknatısın içine yerleştirilen izleyici sistem; piksel, yarı-iletken izleyici ve geçiş

radyasyon izleyicisi denilen üç alt izleyici sistemden oluşmuştur. Ayrıca yapımı

2008’de tamamlanan LUCID (LUminosity measurement using Čerenkov Integrating

Detector), 2009’da tamamlanan ZDC (Sıfır Derece Kalorimetre) ve 2010’da

tamamlanan ALFA (Absolute Luminosity for ATLAS) ileri kalorimetreleri

bulunmaktadır. İleri fizik araştırmalarını yapmak üzere tasarlanan bu dedektörlerin

etkileşme bölgesinden ( )IP1 uzaklıkları sırası ile 17 m , 140 m ve 240 m’dir (Şekil

3.7).

http://atlasexperiment.org/magnet.html)


35

Şekil 3.6 ATLAS Dedektörü .

Şekil 3.7 ATLAS Dedektörünün İleri Kalorimetreleri (L.Fabbri,2009).


36

Bir Çerenkov dedektörü olan LUCID, ATLAS’ın ana ışıklılık izleyicisidir.

Amacı ileri yönde esnek olmayan p-p saçılmalarını varlamak, ATLAS veri

alımının toplam ışıklılığını ölçmek için gerekli hüzme koşulları ve anlık parlaklığın

on-line izlenmesini sağlamaktır. LUCID diffraktif araştırmaları için de gereklidir.

ZDC’nin yerleştirildiği konuma karşılık gelen yerde BHÇ hüzme hattı ikiye

ayrılmaktadır. ZDC, TAN denilen bir soğurucunun içinde hüzme boruları arasında

bulunmaktadır. p-p ve ağır iyon çarpışmalarında ortaya çıkan gelen hüzmeyle sıfır

derece açı yapacak biçimde saçılan yüksüz parçacıkları ölçmek, hüzmeyi ayarlamak

ve izlemek için yerleştirilen ZDC altı tungsten/kuvars kalorimetre modülünden

oluşmuştur. Kuvars fiberlerden gelen ışık foto çoğaltıcı tüpler kullanılarak okunur.

Ayrıca ZDC hüzmeye dik düzlem içindeki duşların yerini belirlemek için hüzmeye

paralel olan yatay kuvars çubuklarla donatılmıştır (Şekil 3.8). Üçüncü ileri dedektör

ATLAS’dan en uzakta bulunan ALFA’dır. Bu dedektör roman potlarının içine

yerleştirilen sintilatör fiber izleyicilerden oluşmuştur (S. Ask,2007). Roman potları

BHÇ hüzme borusunun içindeki hüzmeyi dedektöre yaklaştırmayı sağlar. ALFA’nın

amacı düşük açılarda esnek proton saçılmalarını ölçmektir. Bu ölçümler öncelikle

ATLAS’ın mutlak ışıklılığını tanımlamak içindir. Ayrıca p-p toplam tesir kesiti,

esnek saçılma parametreleri ve potansiyeli, diffraktif çalışmalar gibi diğer fizik

araştırmalarını da öngörür.

Şekil 3.8. ATLAS’ın ZDC Modülleri (L.Fabbri,2009).


37

3.3.3 CERN’deki CMS Deneyinin ZDC Kalorimetresi

CMS’deki ZDC, BHÇ hüzme hattının düz kısmında, etkileşme bölgesinin her

iki tarafında ve etkileşme noktasından ( )IP5 140 m uzaklıkta, iki hüzme borusunun

arasında yer almaktadır (Ayan A S,2006). Hüzme hattı Şekil 3.9’da gösterilmiştir.

ZDC hüzme hattı üzerindeki soğurucu TAN’in içindedir (Grachov O A, 2006).

ZDC kalorimetrelerinin pasif ortamı (soğurucu) tungsten (W)’dir. Aktif

ortam olarak Çerenkov etkisinin kendine has hızından ve kendine has radyasyon

dayanıklılığı nedeniyle kuvars fiberler kullanılmaktadır. Bu tür örnekleme

kalorimetrelerin son derece yoğun, aşırı derecede hızlı ve ayrıca radyasyona

dayanıklı olabilmeleri bu teknolojinin önemli bir avantajıdır.

3.3.3.1 ZDC Kalorimetrelerinde Önceki Çalışmalar

CMS’nin ZDC dedektörleri Kansas Üniversitesinde inşa edilmiştir ve

parçaları CERN’de bir araya getirilmiştir. Kurulmadan önce Agustos-2006 ve Mayıs-

2007 yıllarında CERN’de SPS H2’da hüzme testi verileri alınmıştır (Grachov O

A,2007-2009). Mayıs 2008’de ZDC’ler BHÇ’in 4-5 ve 5-6 sektörlerine

yerleştirilmiştir. Yerleştirilen ZDC’ler Şekil 3.10 ve Şekil 3.11’de verilmiştir.

Şekil 3.9. BHÇ Hüzme Hattının Bir Bölümü. ZDC kalorimetreleri TAN içine yerleştirilmiştir.


38

Şekil 3.10 BHÇ’in 4-5 Sektörüne Yerleştirilen ZDC’den Bir Görünüm.

Şekil 3.11 BHÇ’in 5-6 Sektörüne Yerleştirilen ZDC’den Bir Görünüm.

2006-2007 yıllarında yapılan hüzme testlerinde, enerjileri 10 GeV ile

150 GeV arasında değişen pozitronlar ve 150 GeV , 300 GeV ve 350 GeV enerjili

pionlar kullanılmıştır. 2009’da BHÇ’nin hizmete girmesi (devreye alınması)

alıştırmaları esnasında ZDC (+) için 570 hüzme serpme (splash) olay ile ZDC (-)

için 150 olay kaydedilmiştir. 450 GeV’lik BHÇ hüzme enerjisi CMS’nin etkileşme


39

noktasının her iki yönünde 150 m uzaklığa yerleştirilen yönlendiriciye

gönderilmiştir. Yönlendirici fazla miktarda materyal içerdiğinden ZDC detektörüne

sadece müonlar nüfus edebilmiştir ve kalorimetre kulelerinde sinyaller oluşmuştur.

Şekil 3.12’de serpe hüzme planının geometrik durumu görülmektedir. Müonlar en az

iyonize eden parçacıklar olduğundan serpme hüzme olayları mutlak enerji ölçekli

kalibrasyon çalışmalarında kullanılmıştır. Serpme hüzme olayları bağıl kazanç, her

bir ZDC’in farklı kanalları arasındaki gecikmeleri ölçmek ve kalorimetrenin tüm

zaman ayarlarını yapmak için gereklidir (Grachov O A,2007-2009).

Şekil 3.12 Bir ZDC İçin Serpme Hüzme Ölçüm Düzeneği. ZDC, CMS’nin etkileşme noktasından 140 m , yukarı yöndeki yönlendiriciden 290 m uzaklıktadır (Grachov O A,2011).

3.3.3.2 ZDC Kalorimetrelerinin Tasarımı

İki adet sıfır derece kalorimetre, yüksüz parçacıkları varlamak için |η| ≥ 8.3

rapidite aralığını kapsamaktadır. ZDC özellikle ağır iyon ve p-p difraktif çalışmaları

için CMS'in çok ileri bölgesini tamamlama amacıyla tasarlanmıştır. Her bir ZDC,

elektromanyetik (EM) ve hadronik (HAD) olmak üzere iki bağımsız örnekleme

kalorimetreden oluşmuştur. Bu kalorimetreler etkileşme noktasının çok uzağındaki

fotonları ve nötronları ölçmek için, BHÇ’in iki hüzme borusunun arasına ve düz


40

bölmede ilk ışın dipol mıknatıslarının akış doğrultusuna yerleştirilmiştir. CMS'de bu

bölge, yüksüz parçacık soğurucu (TAN) içinde, etkileşim noktasının her iki yanında

olup etkileşme noktasından 140 m uzaklıktadır. Böylece D2 ayırma dipolünün

önünde bulunan TAN, hüzme kayıpları, hüzme etrafındaki ışık ve p-p

çarpışmalarında üretilen kirliliklere karşı koyup doz miktarını sınırlayarak BHÇ

mıknatıslarını ve dedektörleri korumaktadır (Breskin A ve Voss R, 2009). Çapı

5 cm olan iki ışın deliği ile bakır çekirdekli TAN, büyük çelik bir kabuk ( 30 cm

çelik/ 30 cm mermer blok) ile çevrelenmiştir. TAN, 1000 mm uzunluğunda, 96 mm

genişliğinde ve 607 mm yüksekliğinde olup içerisine 90 cm uzunluğunda bakır

soğurucu bir çubuk yerleştirilmiş olan detektör boşluğudur. Şekil 3.13 ve 3.14 de

TAN’ın sırasıyla yandan ve önden görünüşü verilmiştir. TAN'ın son dedektör yapısı

için, ZDC'nin kalorimetre bölümleri arasındaki 120 mm'lik boşluğa doğru zamanlı

bir BHÇ ışıklılık monitörü kurulmuştur.

Şekil 3.13. TAN'ın Yandan Görünüşü (hüzme sağdan gelmektedir). Detektör boşluğuna (1000 mm) yerleştirilmiş 10 adet bakır çubukla ZDC’nin HAD ve EM bölümü ve ışıklılık monitörü burada bulunmaktadır (Beamont W, 2007).


41

Şekil 3.14. TAN’ın Önden Görünüşü. Bakır çubuklar doldurularak yerleştirilen dedektör boşluğu (Beamont W, 2007).

3.3.3.3 ZDC nin Yapısı ve Alt Detektörleri

Kalorimetre bir tungsten plaka/kuvars fiber şerit yığınından oluşmuştur. ZDC,

CMS’in etkileşme noktasından çok ileri bölgede çalışmaktadır. Kalorimetrelerin

birkaç TeV'lik enerjiye, dolayısıyla da radyasyona karşı dayanıklı olması ve

hadronları soğurabilmesi için pasif materyal olarak tungsten kullanılmıştır. Hüzme

testleri kalınlığı 5 mm 'den 20 mm 'ye kadar değişen tungsten plakalarla yapılmıştır

Testlerde 500 GeV 'den 3 TeV'ye kadar olan enerjiler için enerji çözünürlüğünde

önemli bir farkın olmadığı görülmüştür. Birleşik sistemin toplam derinliği yaklaşık

olarak 7,5 hadronik etkileşme uzunluğudur. Yapı her bir bölümün ön ve arka

kısımlarında 9mm Cu içermektedir.

HAD bölüm her biri 15.5 mm kalınlığında olan 24 adet tungsten plaka ve her

birinin çapı 0.7 mm olan 24 adet kuvars fiber tabakadan oluşmuştur. HAD bölüm

her birinin nükleer etkileşim uzunluğu ~1.4 olan 4 okuma ünitesi ile uzunlamasına

bölümlenmiştir. Tungsten plakalar Çerenkov ışığını en iyi şekilde alabilmek için 450

'lik açı ile eğim yapacak şekilde yerleştirilmiştir. Dört fiber demeti uzun hava özlü


42

ışık kılavuzları yardımıyla dört Foto Çoğaltıcı Tüp (FÇT)’e bağlanmıştır. EM bölüm

ise 2 mm kalınlığında 33 adet tungsten tabaka ve her birinin çapı 0.7 mm olan 33

adet kuvars fiber tabakadan yapılmıştır. Bu bölüme tungsten plakalar dik şekilde

yerleştirilmişlerdir (Breskin A ve Voss R, 2009).

Fiberler şeritler içerisinde bulunur ve her bir ZDC'nin HAD bölümü 24 fiber

şerit gerektirmektedir. Fiberler tungsten plakalardan çıktıktan sonra 6 ayrı şerit,

okuma ünitesi demeti şeklinde gruplandırılmıştır. Bu demet sıkıştırılmış ve tutkal ile

tüpe yapıştırılmıştır. Buradan, optik hava özlü bir ışık toplayıcı ışığı radyasyon

koruyucu boyunca FÇT’e taşır. Tüm HAD bölüm boyuna bölünmüş dört özdeş kule

içermektedir. EM bölümde ise 33 adet fiber şeritten gelen tüm fiberler enine beş

özdeş fiber demete bölünmüştür. Bu beş demet yatay kuleler şeklindedir ve her bir

fiber demeti, FÇT’nin foto katodundan 0.5 mm hava boşluğu ile yapılandırılmıştır.

Şekil 3.15’de ZDC’in alt detektörleri, Şekil 3.16’da EM ve HAD kalorimetrelerdeki

tungsten/kuvars fiber hücreler gösterilmiştir.

Şekil 3.15. ZDC’in Alt Dedektörleri (Beamont W, 2007).


43

Şekil 3.16. a) EM bölüm düzlemle 900 açı yapacak biçimde, b) HAD bölüm ise düzlemle 450 açı yapacak biçimde yerleştirilmiştir (Beamont W, 2007).

ZDC'nin fiziksel özellikleri ve yapımında kullanılan materyaller Çizelge 3.3

ve Çizelge 3.4'de verilmiştir. Bu tür tungsten/kuvars örnekleme kalorimetreleri bir

çok çarpışma hüzmesi ve sabit hedef deneylerinde oldukça kullanışlı olup

teknolojide iyi bilinmektedir (Akchurin N,2003). Bütün kalorimetre bölümlerinde,

Çerenkov ışınımı için yaklaşık olarak %10'luk kuantum verimliliği ile sonuç veren

bi-alkali foto katodlu, HF'de kullanılan, R7525 tipli Hamamatsu FÇT’ler

kullanılmıştır (http://arxiv.org/ftp/nucl-ex/papers/0608/0608052.pdf).

Çizelge 3.3 : ZDC'nin fiziksel karakteristiği (Ayan A S,2006). Hadronik Bölüm Elektromanyetik Bölüm

Örnekleme Oranı 15.5mmW/0.7mm QF 2mmW/0.7mmF

Hücre Sayısı 24 33

Etkileşim (Radyasyon)

Uzunluğu

~5.6 ~19

Kanal Sayısı uzunlamasına 4 kısım yatay 5 kısım

Modül Boyutu (genişlik x

uzunluk x yükseklik) mm

92 × 711× 990 92 ×100 × 990

Modül Ağırlığı (kg) ~200 ~20

http://arxiv.org/ftp/nucl-ex/papers/0608/0608052.pdf)


44

Çizelge 3.4 : ZDC'de kullanılan materyaller (Ayan A S,2006). Soğurucu Tugsten: Kulite 1800, kalınlık

15.5 mm ve 2 mm

Radyatör (Fiber Şeritler) Fiberler: Polymikro

TEKNOLOJİLER

Yüksek OH Silika / Silika

Çekirdek : 0.6 mm

Kaplama : 0.66 mm

Tampon : 0.71 mm

NA = 0.22

Mekanik Yapı 110 bakır alaşım 14 (tellür bakır)

3.3.3.4 Radyasyon Durumu

BHÇ’de 1034 cm -2s-1 ' lik bir ışıklılık ve 8×108s-1 lik bir etkileşim oranı ile her

biri 7 TeV 'e sahip proton hüzmeleri birbirleriyle kafa kafaya çarpışacaktır.

Tasarlanan bu ışıklılık için ışıklılık profilinin BHÇ’nin çalıştığı ilk yıl, ikinci ve

üçüncü yıllarda sırasıyla 1/10, 1/3 ve 2/3 oranında olması tahmin edilmektedir. TAN

için güç yoğunluğu, güç dağılımı, parçacık akıları ve spektrumları, toplanan doz

miktarı ve geriye kalan doz oranları MARS koduna dayalı p-p çarpışmaları için

olay üreten Monte Carlo (MC) programı olan DPMJET ile yapılmıştır (Mokhov,

2003). 1034 cm -2s-1 ışıklılıklı p-p veri alımında soğurulacak ortalama radyasyon

dozunun yaklaşık 18 GRad/yıl olması beklenmektedir. Oysa bir aylık Pb-Pb veri

alımları için beklenen soğurulan ortalama radyasyon dozu yaklaşık 30 GRad/yıl’dır.

ZDC’de kullanılan fiber optikleri radyasyon hasarlarından korumak için ZDC sadece

düşük ışıklılıklı ilk p-p ve ağır iyon veri alımları esnasında çalışacaktır. FÇT’ler

etkileşme noktasından ~140 m'de ve hüzme hattının yaklaşık 500 mm üstüne


45

yerleştirilmiştir. Hesaplamalara göre radyasyon HF kalorimetresinin FÇT’leri ile

aynı seviyede (1034 cm -2s-1 ışıklılığı olan p-p veri alımları için yaklaşık

10 krad/yıl) olacaktır. Bu doz ZDC’de HF kalorimetresinde kullanılan Hamamatsu

R7525 FÇT’lerinin kullanılmasını gerektirmiştir. Şekil 3.17’de TAN’ın göbeğinde

(17 cm ’lik Cu’da) maksimum derinlikte duşta biriken yıllık doz ve hadron akısının

sınırları gösterilmiştir. IP5’den geçen hüzmeden dolayı yüksüz bir parçacığın ağırlık

merkezi yatay olarak yaklaşık 21 mm kadar kaydırılmıştır. TAN soğurucuda boyuna

pikteki maksimum parçacık akısı ( )MeV 0.1E > ; nötronlar için 3.2 ×109 , yüklü

hadronlar için 3.6 ×108, fotonlar için 8.1×1011 , elektronlar için 5.8×1010 ve

müonlar için 1.3×106 'dır. Bu bölge içinde en enerjik parçacık, giden hüzme

açıklığında gözlenen 6 TeV’lik ortalama enerjiye sahip olan proton'dur. Bir TAN

çekirdeğini kuvvetlendirmek oldukça önemlidir. Maksimum duşta pik yoğunluğu

22.5 mW/g veya 180 MGy/yıl (18 Grad) 'e ulaşır. Çekirdekte güç dağılımı 176 W

'tır. Güç dağılımı çoğunlukla etkileşim noktasından ( )IP5 çıkan enerjik yüksüz

parçacıklar ve IP5 'den 140 m uzaktaki hüzme bileşenleri yakınındaki ikincillerle

oluşur. Bu durum ZDC’nin sadece ağır iyon çalışmalarında ve ilk p-p

çarpışmalarındaki düşük ışıklılıkta çalışmasını zorunlu hale getirmektedir. Bu

konuda yapılan çalışmalar kuvars-kuvars fiberlerin 300-425 nm dalga boyu

aralığında sadece yüzde birkaç kayıpla 30 Grad 'a kadar dayanabildiğini

göstermektedir (Gorodetzky P, 1993). Şekil 3.18’de TAN'da dik radyasyon sınırları,

onun koruyucusu ve tünel tesir kesiti gösterilmiştir. Bu sonuçlar TAN üzerine

konumlandırılmış ZDC'deki FÇT’lerin soğuracağı radyasyon hakkında önemli

ipuçları vermektedir.


46

Şekil 3.17. (a) Hadron akısının sınırları, (b) TAN çekirdeğinde maksimum duş derinliğinde yıllık biriken doz miktarı (Gy/yıl). Beyazla gösterilen

bölgeler hüzme borusu kesikli çizgiler ise dedektör boşluğunun sınırlarıdır (Beamont W, 2007).

Şekil 3.18 TAN sınırlarında ve tünel bölgesini çevreleyen TAN çekirdeği girişinin

55 cm etrafında yılda soğrulan doz miktarı.


47

3.3.3.5 Optik Sistem

ZDC kalorimetreleri çok kompakt, aşırı derecede hızlı ve radyasyon dayanıklı

olmak zorunda olduklarından örnekleme kalorimetrede tungsten tabakalar ve kuvars

fiberler kullanılmaktadır. Fiberler boyunca geçen yüklü parçacıkların oluşturduğu

Çerenkov ışınımları FÇT’lere taşınmaktadır. ZDC'de Şekil 3.19’da gösterilen yüksek

OH silika/silika fiberler kullanılmaktadır (http://www.pollyicro.com). Bu fiberler

0.22 ’lik bir sayısal açıklığa sahiptirler. Işığın fiberler boyunca optik iletimi, toplam

iç yansıma yoluyla gerçekleşir.

Bu konuda daha önce yapılan çalışmalara göre, kuvars-fiber kalorimetreler

sinyal oluşturan Çerenkov ışığının yönlülüğüne rağmen fiberlerin etkin çalışmasında

özellikle bir yönelim gerektirmez (Acosta,1990). HAD kalorimetrelerde RHIC'in

ZDC’lerinde olduğu gibi tasarımın maksimum kullanılması için ZDC’lerin HAD

bölümünde 450 'lik fiber yönelim geometrisi kullanılmıştır. Alan kısıtlamalarından

dolayı, EM kalorimetrelerde fiberler 900 ’lik bir açıyla konumlandırılmıştır. Fiberler

silikon kauçuk yapıştırıcılar kullanılarak şeritler biçiminde yerleştirilmiştir. HAD

bölümde kullanılan bir şerit Şekil 3.20’de verilmiştir, şeridin genişliği 92 mm’dir.

Şekil 3.19. Silika/Silika Fiberin Yapısı; çekirdek çapı 0.6 mm , silika kaplı katkı çapı 0.66 mm , poliamid tampon kalınlığı 0.05 mm.

http://www.pollyicro.com)


48

Şekil 3.20. HAD Kalorimetrede Kullanılan Bir Şerit (Beamont W, 2007).

Şeritler HAD kalorimetrede 15.5 mm kalınlığındaki tungsten plakalar ve EM

kalorimetrede ise 2 mm tungsten plakalar arasına sandviçlenmiştir. Şeritlerin her

biri çapı 0.7 mm olan 113 fiberden oluşmuştur. Fiberler bir elmasla kesilmiştir

(fiber kesici Fujkura CT-7). Şekil 3.21’de soğurucu plakalar arasına sandviçlenen

fiber şeritler gösterilmektedir.

Şekil 3.21 Soğurucu Plakalar Arasına Sandviçlenen Fiber Şeritler (Beamont W, 2007).

Optik okuma diyagramı Şekil 3.22’de gösterildiği gibidir. Şekilde EM

bölümün yatay bir kulesi ve HAD bölümün boyuna bir kulesinin bir optik okuma

diyagramı verilmiştir.


49

Şekil 3.22. Optik Okuma Diyagramları: a) HAD’da boylamasına bir kule b) EM’de yatay bir kule (Beamont W, 2007).

Her bir ZDC'nin HAD kalorimetresinde 24 fiber şerit bulunmaktadır. 6 farklı

şerit yığını bir okuma kule demeti oluşturmak üzere birlikte gruplandırılmıştır. Bu

demetler uygun bir biçimde tüpün içine sıkıştırılmıştır. Oradan, ~30 cm

uzunluğundaki optik bir hava özlü ışık kılavuzu aracılığı ile ışık FÇT’ye

taşınmaktadır. Bu ışık yolu foto katot boyunca ışığın dağılımının tek düzeliğini

optimize etmek üzere tasarlanmıştır. HAD kalorimetrenin tamamı aynı özelliğe sahip

dört boyuna kuleden oluşmuştur. EM kalorimetre, 30 fiber şeritin tamamındaki

fiberler, aynı özellikte 5 fiber demet oluşturarak yatay doğrultuda bölünmüştür. Yani

bu 5 demet yatay 5 kuleden oluşmuştur ve her bir fiber FÇT'nin foto katotundan

~3 cm lik bir hava boşluğu kalacak biçimde monte edilmiştir. Şekil 3.23’de HAD

kalorimetrenin bir fotoğrafı gösterilmiştir.


50

Şekil 3.23 ZDC HAD Kalorimetre.

3.3.3.6 Foto Çoğaltıcı Tüp (FÇT) Sistemi

FÇT sistemi önce CMS'in HF kalorimetresi için tasarlanmakla birlikte daha

sonra ZDC'ye de uyarlanmıştır. Hava özlü ışık kılavuzu Iowa Üniversitesi'ndeki HF

grubu tarafından yapılan çalışmalara göre tasarlanmıştır. Bu çalışmalar ışığın

karışmasından dolayı yayılımının çok ideal olduğunu göstermektedir. FÇT'ler ve

baz, bir koruyucu muhafazanın içine yerleştirilmiştir. Iowa Üniversitesinde HF

kalorimetresinde kullanılan FÇT'lerin karakteri ve testleri için otomatik bir test

sistemi geliştirilmiştir (Akgün, 2005). Daha sonra bu sistem kullanılarak 2300’den

fazla Hamamatsu R7525 FÇT'nin testleri yapılmıştır. Bu testler önce kalite

güvenirliği için yapılmaktadır. Sonra her kalorimetre kulesinin kesin kazancını

anlamak için veri yokken detektör başlangıcında kazançların normalize edilmesini

sağlamak için her tüp karakterize edilmektedir. FÇT test kurulumu, LED sürücü

kontrollü hassas bilgisayarlar, LED montajı, optik fiber demetler, optik zayıflatmalı

bilgisayar (dairesel yüksüz yoğunluk filtresi ve basamak motora dayanan), FÇT


51

yuvası (optik ışık karıştırıcı, HV baz ve manyetik kalkan içeren) ve LabView

programına dayanan birleştirilmiş veri akış/kontrol sisteminden oluşmuştur.

3.3.3.7 Elektronik

CMS ZDC Seviye 1 Tetikleyici için nükleon-nükleon modunda çalışan bir

dedektördür. Hız ve birçok merkezi reaksiyondan gelen (hepsinden değil) seyirci

nükleonların (nötronlar) enerjilerine hassas tek dedektör olması nedeniyle ZDC, A +

A minumum bias tetikleyicisi (MB) için temel sinyallerden birini sağlayacaktır.

Standart ZDC MB tetikleyici etkileşim noktasının (sağ ve sol) her iki yanında

bulunan kalorimetrelerden gelen iki sinyalin çakışmasını sağlamak için kullanır.

ZDC'lerden gelen tek (veya çift) sinyal son derece preferik (merkezsel olmayan)

elektromanyetik çekirdek-çekirdek etkileşmelerinde tetikleyici ve bir (veya iki)

çekirdek çarpışmasının çözülmesinde de kullanılacaktır. Bu çakışmalar ZDC

tarafından sayma odalarında, L1 içindeki beslemede ve HLT (yüksek seviye

tetikleyici) sisteminde işlenmektedir. ZDC elektroniği olay verisi kazanmak için dört

temel fonksiyon içermektedir. Bunlar ön - arka elektronikler, tetikleyici

elektronikler, veri akışı ve FÇT’nin çalışması için gerekli olan yüksek voltaj (HV)

sistemidir. Ön ve arka elektronikteki bir olay tetikleyicinin sinyal işlevi,

sayısallaştırması, oluşması ve okumanın ilk seviyesi yeraltında bulunan bitişik sayma

odalarına (USC55) ve HKAL VME kasalarına yerleştirilmiştir. Her iki ZDC için

toplamda 18 adet okuma ünitesi vardır. Her bir kanaldan gelen sinyal ikiye

bölünmektedir. Sinyalin %90'ı QIE (Q-yük, I-toplayıcı, E-kodlayıcı)'lara giderken,

%10'u da tetikleyici sinyalleri yaratmak amacıyla kullanılmaktadır. ZDC den gelen

sinyaller uzun koaksiyel kablolar (~204 m) ile sayma odalarına taşınmaktadır. ZDC

elektronik devresi Şekil 3.24’de gösterilmiştir.

EM kalorimetreden gelen sinyaller doğrudan QIE’ye gider. Analog toplam,

her bir dedektörde depolanan enerji ile orantılıdır ve ağır iyon çarpışmalarında temel

Seviye 1 tetikleyicisini sağlar. ASIC (anolog sinyali sayısal sinyale dönüştürücü),

HAD kalorimetreden gelen sinyali ikiye ayırır. Bir sinyal QIE'ye giderken diğer


52

sinyal toplanacaktır. Her bir HAD bölümle ilgili 4 sinyalin analog toplamı, her bir

dedektörün birikiminin toplam enerji oranı, etkileşimden gelen izleyicilerin çoğunun

toplamının oranı ayırıcılara, sonra ayırıcılar bazı merkezi aralıklar için 1. seviye

tetikleyici sağlayarak QIE'ye ve ayıraç devresinin girişine daha sonra çakışmalar için

mantıksal bir birime gönderilmektedir. Etkileşim noktasının her iki tarafından gelen

sinyallerin çakışması nükleer ve elektromanyetik tesir kesitine karşı çok hassastır.

Skalerlerden alınan bilgiler hüzme etkileşiminin ayarlanmasında ve gerçek zaman

ışıklılığının belirlenmesinde kullanılacaktır. Zamanlama çakışması aynı zamanda

ağır iyon veri alımındaki hüzme-gaz olaylarını bastırmak amacıyla hızlı bir köşe

tetikleyicisi olarak da kullanılır. FÇT'lerin yüksek voltajı, yüksek voltaj üreten ticari

bir ünite tarafından sağlanmaktadır. Bu güç sağlayıcı sayma odasında bulunan bir raf

içine monte edilmiş olup HKAL tarafından izlenip kontrol edilmektedir. Toplam 18

kanalın (etkileşim noktasının her bir tarafı için 9 tane) ayarlanması ve izlenmesi

gerekmektedir. Göstergelerden alınan bilgiler, gerçek zamanlı ışıklılık tanımlaması

ve hüzme etkileşmelerini ayarlamak için kullanılmaktadır.

Şekil 3.24 ZDC Elektronik Devresi (Beamont W, 2007).


53

ZDC elektroniğini en basit biçimde Şekil 3.25’deki gibi özetlemek

mümkündür. Görüldüğü gibi FÇT’den gelen elektriksel sinyal QIE kartlara gider.

Burada analog sinyal sayısal sinyale dönüşerek HTR (hadronik tetikleyici bölge)

kartlara ulaşır. HTR’da sinyalin geliş (uçuş) süresi ve depolanan enerji hesaplanarak

kaydedilecek olaya karar verilir. Kaydedilen veriler DCC (veri toplayıcı kart) ile veri

paketlerine çevrilir. Paketlenen veriler RU (okuma birimi) ile tetiklenebilir veya

okunabilir. Böylece veriler CPU (bilgisayar)’da gözlenir.

Şekil 3.25. ZDC'de Bir Sinyalin Oluşumu.


54

ARAŞTIRMA ve BULGULAR Çağlar ZORBİLMEZ

55

4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR

4.1 ZDC Akım Ayırıcı Devre

Bu bölümde CMS’nin ZDC kalorimetresinde kullanılmak üzere geliştirilen

akım ayırıcı devre prototipi ve ayrıntıları hakkında bilgi verilecektir. Ayrıca

elektronik devrenin çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için elektronik devreden

alınan veriler ve veri analizleri tartışılacaktır.

ZDC konumu gereği hüzme borularına çok yakındır. Bu nedenle ZDC

kalorimetresi ve okuma birimlerine giden kablolar radyasyona maruz kalmaktadır ve

ZDC sinyalleri okuma birimlerine oldukça gürültü kapmış bir şekilde ulaşmaktadır.

Bu durum ZDC’nin dedektör performansını doğrudan etkilemektedir. Bu çalışmada

geliştirilen ZDC akım ayırıcı devre, gürültü azaltmak ve daha temiz sinyal elde

etmeyi amaçlayan elektronik bir prototiptir. Devre ZDC okuma kanallarına gelen ve

genişliği çok büyük olan sinyali 1/5 oranında küçültülmek için tasarlanmıştır. Şekil

4.1’de ZDC akım ayırıcı devrenin en basit durumu gösterilmiştir.

Şekil 4.1 En Basit Haliyle ZDC Akım Ayırıcı Devre.

Önce basit ZDC akım ayırıcı devrenin sol tarafındaki Vp noktasına gelen

gürültülü ZDC sinyalinin 1/5 'i QIE okuma kanalından okunmak istenmiştir. T1

transistör grubu dördü solda, biri sağda olmak üzere toplam beş NPN tipi

transistörden oluşmuştur. Gelen sinyalin 4/5’lik kısmı X4 transistörleri (dört adet

transistör) üzerinden 1/5 ‘lik kısmı ise X1 (bir adet transistör) üzerinden

sağlanmaktadır.


56

4.2 ZDC Akım Ayırıcıda Kullanılan Elektronikler

4.2.1 Transistörler

Transistör transfer (aktarma) ve rezistör (direnç) terimlerinin birleşmesinden

oluşmuştur. Transistörlerin yüzey birleşmeli (jonksiyon), nokta temaslı, yüzey

birleşmesiz (unijonksiyon), alan etkili, foto, tetrot (dört uçlu) ve koaksiyel transistör

olmak üzere farklı biçim ve şekilleri bulunmaktadır. Şekil 4.2’de NPN ve PNP tipi

transistörlerin elektronik bir devredeki gösterimi verilmiştir. Burada B (base) taban,

E (emiter) yayıcı, C (collector) toplayıcıyı temsil eder.

Şekil 4.2. NPN ve PNP Tipi Transistörler.

NPN veya PNP şeklinde dizilmiş üç yarı iletkenden oluşan transistörün B ucu

tetiklendiğinde C ve E arasındaki direnç değeri değişerek devreden akım geçmesine

neden olur. C ve E arasından geçen akım değeri, B ucuna uygulanan tetikleme

akımının miktarına bağlıdır. NPN ve PNP transistörlerinin çalışma prensipleri

birbirine benzemekle birlikte NPN tipi transistörler yüksek frenkanslı sinyallere

karşı daha iyi tepki gösterirler. Bu nedenle elektronik devrelerde daha yaygın olarak

kullanılırlar.

Şekil 4.3a’da görüldüğü gibi NPN tipi transistörler iki N tipi yarı iletken

malzeme arasına ince bir katman halinde P tipinin yerleşmesinden oluşur. Araya

yerleştirilen B tabakası iki büyük tabaka arasındaki elektron-deşik geçişini kontrol

etmektedir. Transistörler bir musluğa benzetilerek açıklanabilir (Şekil 4.3b) Şekilde

B ucundan bir miktar su verildiğinde yay ile tutturulmuş kol aşağı doğru inerek

yüksek miktardaki suyun C bölgesinden E bölgesine doğru geçmesini sağlar. B

girişine uygulanan su kesildiği anda yay kolu çekerek C ile E arasındaki geçişi


57

kapatır. Buna göre musluk akan sıvıyı, transistör ise geçen akımı denetleyecektir.

Buna göre Şekil 4.3a’da görülen transistörün B ucuna gelen küçük bir akım ile

C’den E’ye doğru giden büyük bir akım denetlenebilir.

Şekil 4.3. a) NPN Transistörün Yapısı. b) Bir Transistörün Musluk Eşdeğeri (http://ebookarsivi.tripod.com/transistorler.pdf).

Şimdi de NPN tipi transistörlerin çalışma prensibini anlamaya çalışalım. Şekil

4.4’de görüldüğü gibi Vbb kaynağının pozitif ucu B bölgesini pozitif olarak

yüklemektedir. Vcc kaynağının negatif ucu ise E bölgesindeki elektronları yukarı

doğru itmektedir. Sıkışan elektronlar B tarafından çekilir. Başka bir deyişle E’nin

"iletim bandı"ndaki elektronlar E-B voltaj engelini aşarak B bölgesine girerler.

Fakat, B bölgesi çok dar olduğundan E’den gelen elektronların 21 % − gibi çok az

bir kısmı B bölgesine girerken 9998 % − ’luk kısmı C bölgesine geçer. Vcc 'nin

pozitif ucu C bölgesindeki elektronları kendine çeker. Bu sayede elektron akışı

süreklilik kazanır.

http://ebookarsivi.tripod.com/transistorler.pdf)


58

Şekil 4.4. NPN Transitörün İç Yapısı, Elektronların ve Oyukların Hareketi

(http://ebookarsivi.tripod.com/transistorler.pdf).

Vbb 'nin verdiği B akımı olduğu sürece E'den C'ye elektron akışı sürer. NPN

transistörde elektronlar yukarı doğru giderken oyuklar Şekil 4.4c de gösterildiği gibi

aşağı doğru gitmektedir. Bu nedenle pratikte Vb ’ye uygulanan pozitif sinyal C'den

E'ye doğru akım geçişi olarak yorumlanır. Sonuçta E akımı B ve C akımlarının

toplamına eşit olacaktır.

IE = IB + IC

PNP tipi transistörler ise iki P tipi yarı iletken malzeme arasına ince bir N tipi

malzemenin yerleştirilmesinden oluşur. NPN transitörlerde olduğu gibi yerleştirilen

B tabakası elektron ve deşik geçişini kontrol etmektedir. PNP transistörlerin çalışma

prensibi NPN transitörlere benzetilebilir. Yalnız deşiklerle elektronların hareket

yönleri tamamen farklıdır. Şekil 4.5’de görüldüğü gibi Vbb kaynağının negatif ucu

B’yi negatif olarak yükler. Vcc kaynağının pozitif ucu E bölgesindeki pozitif yüklü

deşikleri yukarı doğru iter. Sıkışan pozitif yükler B bölgesi tarafından çekilir. Fakat

B bölgesi dar olduğundan deşikler C bölgesine geçerler. Vcc kaynağının negatif ucu

C bölgesindeki deşikleri kendine doğru çektiğinden deşik hareketi süreklilik kazanır.

Vbb ’ye akım geldiği sürece E'den C'ye deşik akışı sürer. E’den gelen deşiklerin

yaklaşık 2 % ’lik kısmı Vbb tarafından soğurulurken kalan 98 % ’lik kısım C

bölgesine geçer. Deşikler Şekil 4.5c’de görüldüğü gibi E'den C'ye doğru giderken,

elektronlar Şekil 4.5b’de gösterildiği gibi C'den E'ye doğru giderler.



59

Şekil 4.5. PNP Transistörün İç Yapısı Elektron ve Oyuk Hareketleri.

4.2.1.1 Transistör Kazancı

Genel anlamda transistörlerin α ve β akım kazançları vardır. α kazancı C

akımının E akımına oranıdır. E ucundan hem B hem de C akımı geçtiğinden bu akım

C akımından çok az olsa da bir miktar daha büyüktür.

α = IC / IE

Transistörler, B ucuna uygulanan akıma (tetikleme akımı) göre C-E arasından

daha büyük bir akım geçirir. Başka bir deyişle, C akımının B akımına oranı β ile

verilir. Transistörlerin β akım kazancı kabaca 5-1000 arasında değişmektedir

(http://ebookarsivi.tripod.com/transistorler.pdf).

β = IC / IB

Akım kazançları birbiri cinsinden yazılabilir. B, C ve E akımları arasındaki

ilişki aşağıda gösterildiği gibidir.

α = ββ +1



60

4.2.1.2 Transistörlerin Darlington Bağlanması

Transistörlerin ardı ardına bağlanmasıyla daha güçlü, hassas ve yüksek

kazançlı transistörler yapılabilir. Bunu yapmanın bir yöntemi Şekil 4.6’da görünen

transistörün Darlington bağlanmasıdır.

Şekil 4.6. Transistörlerin Darlington Bağlanması

Darlington bağlı transistörün akım kazancı 21toplam βββ ×= denklemiyle ifade

edilebilir (http://ebookarsivi.tripod.com/transistorler.pdf).

4.2.2 Potansiyometre

Potansiyometre, dışarıdan gelen fiziksel etkiler ile değeri değişebilen

dirençlerdir. Daha güçlü ve daha büyük akım değerlerinde kullanılan

potansiyometreye reosta denir. Potansiyometreler daha çok karbon veya karbon

içerikli dirençlerden yapılmalarına rağmen reostalar krom-nikel direnç tellerinden

yapılmaktadır. Potansiyometreler devrede daha çok akımı sınırlamak veya voltajı

bölmek için kullanılırlar (http://tr.wikipedia.org/wiki/Potansiyometre).

Potansiyometreler üç uçlu olup ayarlı orta uç direnç üzerinde gezinebilir.

Direnç değerinin değiştirilmesi yoluyla voltaj bölme, çıkış voltajını ayarlama

işlemini yapar. Devre direncinin değiştirilmesinde kullanılır. Örneğin radyo gibi

cihazlarda sesin açılıp kapanması için kullanılmaktadır. Potansiyometrelerin

karbon, telli ve vidalı potansiyometre gibi çeşitleri bulunur.


http://tr.wikipedia.org/wiki/Potansiyometre)


61

4.3. ZDC için Geliştirilen Akım Ayırıcı Devre Prototipi

CMS’deki konumundan dolayı büyük bir radyasyon altında olan ZDC’nin

kalorimetrelerinde soğurucu olarak tungsten (W) aktif ortam olarak fiberler

kullanılmaktadır. Her bir tungsten/kuvars hücresi gruplandırılarak hava özlü ışık

kılavuzları yardımıyla FÇT’e bağlanmıştır.. FÇT’lerden gelen sinyalleri okumak için

QIE kartları kullanılmaktadır. FÇT ve QIE kartları arasındaki kablolar ve

detektördeki diğer tüm elektronikler radyasyondan çok etkilenmekte, bu durum

dedektörde istenmeyen gürültünün artmasına neden olmaktadır. FÇT’lere bağlı olan

okuma birimlerinden alınan sinyaller gürültüden dolayı yanlış anlaşılmalara neden

olmakta ve analizleri etkilemektedir. Probleme bir çözüm olması açısından sinyal

gürültüsünü bölerek temiz sinyal almak için FÇT ve QIE arasına yerleştirilecek akım

ayırıcı bir devre prototipi (Şekil 4.7) geliştirilmiştir.

Şekil 4.7. ZDC için Akım Ayırıcı Devre

VP’ye uygulanan negatif voltaj devrede bir akım oluşmasını sağlamaktadır.

Oluşan akımın yönü X4 (B’leri ortak dört transistör) ve X1 (tek transistör)

transistörleri üzerinden VP noktasına doğrudur. VP noktasındaki akım (IP) yaklaşık

olarak X4 ve X1 transistörlerinden gelen akımların toplamına eşittir. IP≅Ie1+Ie2.


62

Burada Ie1, X4 transistörü üzerinden gelen, Ie2 ise X1 üzerinden gelen akımları

temsil etmektedir. Gerçekte devrede bazı akım kaçakları mevcuttur, bunların birisi IX

diğeri ise T2 transistörü üzerinden akan Iy dir. IX kaçağı bir sink devresi (mavi

dikdörtgen içinde yer alan) ile kontrol edilmektedir. Bu devre X4 ve X1

transistörlerini açık tutmak ve devrenin kapanmasını önlemek üzere tasarlanmıştır. Iy

akım kaçağı T2’nin B ucundan E ucuna doğrudur. IX ve Iy kaçakları çok küçük olup

Akım Kaynağı 2’den gönderilen akım ile telafi edilir. Bu nedenle IP =Ie1+Ie2'dir.

X4 transistör grubu, akımı C ucuna bağlı topraktan alırken, X1 transistörü

akımı QIE ve akım kaynağı 2’den alır. IP akımının 4/5’lik kısmı X4 transistör

grubundan gelerek Ie1 akımını, kalan 1/5 ’lik kısmı ise X1 transistörden gelerek Ie2

akımını oluşturmaktadır.

Şekil 4.7’ın üst yarı kısmında kalan ve Akım Kaynağı 1 ile beslenen bölge

devrenin geri besleme kısmıdır. Bu kısım X4 ve X1 transistör grubunun B ucunu

besleyerek bu transistör gruplarının C ucundan E ucuna doğru akan Ie1 ve Ie2

akımlarını kontrol etmektedir. VP noktasından daha fazla akım gelmesi istendiğinde

X4 ve X1 transistör grubunun B voltajı (Vb) değişir. Böylece Ie1 ve Ie2 akımları

değişir. Bu değişime paralel olarak Vg voltajı ve T2 transistörünün B voltajı (Vb1)

(Vg = Vb1) değişir. Çünkü T2 transistörünün B ve E uçları arasındaki voltaj farkı

(Vbe1) T2 transistörünün C ucundan E ucuna akan akımı doğrudan etkileyecektir. Bu

akımın değişmesi T2 transistörünün C ve E uçları arasındaki voltaj farkının (Vce)

değişmesi anlamına gelmektedir. Değişen C voltajı aynı zamanda X4 ve X1

transistör grubunun B voltajıdır (Vb) . Bu değişim çok kısa bir anda

gerçekleşmektedir. Fakat Akım Kaynağı 1’den verilen sabit akım bu değişime karşı

koyarak Vb’yi frenlemektedir. Böylece Vb ve Vg çok değiştirilmeden istenen akım

VP tarafına akmaktadır. Devrede Ree direnci T2 transistörü E voltajını kontrol

altında tutmak için tR direnci ise VP ucundan gelen sinyalin devreye alınabilmesi

için yerleştirilmiştir. Rt direnç değeri olarak 50 Ω 'luk bir direnç seçilmiştir.

Elektronik devre şeması Şekil 4.7 de verilen devrenin gerçek bir görüntüsü

Şekil 4.8'de verilmiştir


63

Şekil 4.8. ZDC Akım Ayırıcı Devre Prototipinin Bir Fotoğrafı.

4.3.1. DC (Doğru Akım) Ölçümleri

ZDC akım ayırıcı devrenin çalışıp çalışmadığını kontrol etmek ve akım

değerini 1/5 oranında bölüp bölmediğini anlamak için DC (doğru akım) test

ölçümleri yapılmıştır. Yapılan DC ölçümleri Çizelge 4.1’de verilmiştir.

Çizelge 4.1. Vcs1 = 3.2 V , Vcs2 = + 5 V , Vee = - 1.4 V , Vsink = - 5 V da elde edilen DC ölçümleri

Ip(µA) Vp(V) Vb(V) Iout(mA) dyn. emp.

0 -0.4811 0.07 0.00026 100

1 -0.4812 0.07 0.00047 60

5 -0.48144 0.07 0.00125 46

10 -0.48167 0.07 0.00225 52.5

50 -0.48377 0.08 0.01019 52.8

100 -0.48641 0.09 0.02011 51.95

500 -0.50719 0.12 0.09966 51.78

1000 -0.53308 0.14 0.1991 -----


64

Bu veriler kullanılarak çıkış akımının giriş akımına göre doğrusal olduğu

(Şekil 4.9) görülmüştür. Ayrıca gerçekten giriş akımının devre tarafından 5’e

bölündüğünü görmek için giriş ve çıkış akımlarının oranına ve bu oranın giriş akımı

ile nasıl değiştiğine bakılmıştır (IP & IP / Içıkış). Sonuçlar Şekil 4.10’da görüldüğü

gibidir. Devrede giriş akımı 150 µA civarında iken giriş akımının 5’e bölündüğü

gözlenmiştir. Sonuçlar devrenin iyi çalıştığını göstermektedir. Devre istenilen

ölçüde Ip akımının 1/5’ini QIE ucundan almaktadır. Çok küçük akımlarda bu oran

kötü görülüyor olsa da hatalar sistematik ve ölçümlerden kaynaklanmaktadır.

Şekil 4.9. Çıkış Akımının Giriş Akımına Göre Değişimi.

Şekil 4.10. Giriş Akımının, Giriş/Çıkış Oranına Göre Değişimi.


65

Her elektronik devrenin içinde bulunan elektronik elemanlardan kaynaklanan

bir empedansı vardır. Bir başka deyişle kullanılan transistörlerin bile bir direnç

değeri bulunmaktadır. Gelen sinyalin tam olarak alınabilmesi için devrede kullanılan

Rt direnci ve bu devrenin kendi oluşturduğu dinamik empedans oldukça önemlidir.

Çalışmada sinyalin geldiği kabloların bir özelliği olarak Rt direnç değeri 50 Ω olarak

seçilmiştir. Fakat devrenin dinamik empedansı belirlenen 50 Ω 'luk direçten daha

fazlaysa gelen sinyalin devreye alınması, dolayısıyla da 5 bölünmesi zorlaşacaktır.

Dinamik empedans aşağıdaki gibi hesaplanmıştır.

DynEmp = V2 − V1

I2 − I1

olarak hesaplanır.

Burada VP voltajının ilk ve son değeri V1 ve V2 , bunlara karşılık gelen akımlar I1

ve I2 dir. Şekil 4.11’de dinamik empedansın giriş akımına göre değişimi verilmiştir.

Çok küçük giriş akımı için dinamik empedans fazla değişim göstermektedir. Bu

nedenle dinamik empedansın sadece büyük akım değerlerinde değil tüm akım

değerlerindeki değişimine bakmak gerekir. Dinamik empedans tüm akımlar için

50 Ω ’un altıda olmalıdır. Daha yüksek empedans değerleri sinyalin devreye

alınmasını zorlaştırır.

Şekil 4.11. Giriş Akımına Göre Dinamik Empedans Değişimi.


66

Şekilden de görüldüğü gibi devre akımı 1/5 oranında bölmektedir ve 50 Ω ‘a

yakın dinamik empedans değeri ile DC testlerinden başarılı bir şekilde geçmiştir.

4.3.2. AC (Alternatif Akım) Ölçümleri

DC ölçümlerden başarı ile geçen devrenin AC akım ölçümleri yapılmış ve

sinyalin osiloskopta oluşturduğu biçime bakılmıştır. Devrenin AC test şeması Şekil

4.12’de verilmiştir. AC testi, sinyalin şeklini, gürültüsünü, ground (toprak) voltajını

görmeyi (Vg) sağlar.

Şekil 4.12 AC Test Şeması.

Sinyal üretecinde üretilen sinyal LED yardımıyla ışığa dönüştürülür. Bu ışık

fiber kablolar aracılığı ile elektriksel sinyallere dönüşmek üzere FÇT’lere aktarılır.

FÇT’de oluşan sinyal ZDC akım ayırıcı devrenin girişine gönderilmiştir. Akım

ayırıcı devrenin çıkışından alınan sinyal osiloskopa gönderilerek çıkış sinyaline

bakılmıştır. Osiloskoptan alınan görüntü Şekil 4.13’de verilmektedir. Osiloskop

görüntüsünde 1 numaralı kutuda görülen yansıma sinyal devreye girdikten sonra

devrede hapis olan sinyaller tarafından oluşturulmuştur. 2 numaralı kutuda gösterilen

yansıma ise ZDC akım ayırıcıya giremeyip FÇT’ye gidip geri gelen sinyalin

oluşturduğu yansımadır. 3 numaralı kutuda gösterilen yansıma 2 numaralı

yansımanın okunmasından elde edilen sinyaldir. Görüldüğü gibi giriş sinyal genliği

3.5 × 20 = 70 mV , voltaj aralığı 20 mV ’dur. Çıkış sinyali genliği aynı yöntemle,

voltaj aralığı 5 mV olmak üzere 2.5 × 5 =12.5 mV’dur. Giriş genliğinin çıkış

genliğine oranı 70 mV /12.5 mV = 5.6 dır. Yansımalar ve kablolardaki kayıplar


67

dikkate alındığında bu oran oldukça iyi bir sonuçtur. 4 numaralı giriş sinyali ve

FÇT’den yansıyan sinyal arasında 100.1 ns’lik bir gecikme vardır.

Şekil 4.13. Giriş ve Çıkış Sinyalinin Osiloskoptan Görüntüsü. (Burada yeşil giriş mavi ise çıkış sinyalini göstermektedir)

Osiloskop sonuçlarına göre akım ayırıcının akımı bölme oranı ~5olup yansımaya

uğrayan yük yani ZDC akım ayırıcıya girmeyip FÇT'ye gidip tekrar gelen sinyal

100 ns sonra gelmektedir.

4.3.3. LED Veri Alımları ve ZDC Akım Ayırıcı Testi

ZDC akım ayırıcı devrede DC ve AC testleri yapıldıktan sonra LED verileri

alınmıştır. Devrenin çıkışı gerçek bir okuma ünitesi olan QIE’ye bağlanarak test

edilmiştir. Devreyi test etmek için LED verileri bir FÇT üzerine gönderilmiştir.

FÇT’den gelen sinyal ZDC akım ayırıcıdan geçirilerek QIE’ye bağlanmış ve

QIE’den alınan veriler analiz edilmiştir. Veriler farklı HV (yüksek voltaj) değerleri

için tekrarlanmıştır (Çizelge 4.2).


68

Çizelge 4.2. Farklı HV Değerleri için Doğrudan FÇT'den veya Ayırıcı Devreden Alınan Veriler.

HV (V)- Veri Alımı

Numarası

Tür Sinyal

Toplamı

FÇT/ Ayırıcı

2000 1066 Ayırıcı 3311.15 ------

2000 1067 FÇT 15264.3 4.60

1900 1068 FÇT 5599.1 -----

1900 1069 Ayırıcı 1159.76 4.82

1800 1070 Ayırıcı 425.13 -----

1800 1071 FÇT 2244.68 5.28

1700 1072 FÇT 261.13 -----

1700 1073 Ayırıcı 48.21 5.41

1600 1074 Ayırıcı 7.044 -----

1600 1075 FÇT 33.74 4.79

1500 1076 FÇT 8.84 -----

1500 1077 Ayırıcı 5.19 1.70

FÇT'den ZDC akım ayırıcı devreye sinyalin nasıl geldiğini anlamak için

sadece FÇT’den doğrudan alınan sinyal, QIE tarafından okunmuştur. Daha sonra

aynı HV değerinde FÇT’den alınan sinyal ZDC akım ayırıcı devreden geçirilerek

çıkış sinyali, QIE tarafından okunmuştur. Bütün voltaj değerleri için hem FÇT'den

doğrudan alınan hem de ZDC akım ayırıcı devre kullanılarak alınan sinyaller

karşılaştırılmıştır. 2000 V’daki sinyal diğerlerine göre çok daha temiz olduğundan

2000 V için yapılan analizler Şekil 4.14, Şekil 4.15, Şekil 4.16 ve Şekil 4.17’da

gösterilmiştir. Şekil 4.13’de 2000 V değerinde, doğrudan FÇT’den alınan sinyal için

QIE kanal durumları ve toplam sinyal gösterilmiştir. Deneyde kullanılan QIE toplam

24 okuma kanalına sahiptir. Bu testlerde sadece QIE’nin 1 numaralı kanalı okuma

işlemi için kullanılmıştır. Aynı şekil üzerinde QIE’de bulunan pedestal değerleri ve

toplam sinyal (gelen sinyal - pedestal) gösterilmektedir. Pedestal değeri devreye

herhangi bir sinyal gitmeden elektronik gürültülerden dolayı QIE’de okunan sahte

sinyallerdir.


69

Şekil 4.14. 2000 V’da FÇT'den Doğrudan Alınan Sinyal için Kanal Durumları ve Pedestal Değerleri.

FÇT’den doğrudan alınan sinyal Şekil 4.15’de verilmiştir. Görüldüğü gibi

gerçek sinyal 6-8 zaman diliminde, yansıyan sinyal ise 8-12 zaman dilimindedir.

Şekil 4.16'de ayırıcı kullanılarak alınan sinyal için QIE okuma kanalları ve pedestal

durumları verilmiştir. Ayırıcı kullanılarak alınan sinyalde gerçek sinyal 6.5-7.5

zaman diliminde, yansıma sinyali 7.5-12 zaman dilimdedir (Şekil 4.17). 2000 V için

doğrudan FÇT'den alınan toplam sinyal 15264.3 ve ayırıcıdan alınan toplam sinyal

3311.15’dir. Bu değerlerin birbirine oranı ise 4.60’dır.


70

Şekil 4.15. 2000 V’da FÇT'den Doğrudan Alınan Sinyal.

Şekil 4.16. 2000 V’da, ZDC Akım Ayırıcı Devreden Alınan Sinyal için Kanal Durumları ve Pedestal Değerleri.


71

Şekil 4.17. 2000 V’da ZDC Akım Ayırıcı Devreden Alınan Sinyal.

Soldan sağa doğru sırası ile 2000 V, 1900 V, 1800 V, 1700 V, 1600 V ve

1500 V için FÇT’den doğrudan alınan sinyaler Şekil 4.18’de, ZDC akım ayırıcı

devre kullanılarak alınan sinyaller Şekil 4.19’de gösterilmiştir.

Şekil 4.18. FÇT'den Doğrudan Alınan Sinyal Şekilleri.


72

Şekil 4.19. Ayırıcıdan Alınan Sinyal Şekilleri

Şekil 4.17’de FÇT'den doğrudan alınan sinyalin 6. zaman diliminde geldiği

görülmektedir. Düşük voltaj değerlerinde hem FÇT’den doğrudan hem de ayırıcıdan

alınan sinyal biçimlerinin bozulduğu gözlenmiştir. Şekil 4.19 voltaj değeri düştükçe

gerçek sinyal ile yansıyan sinyalin birbirleri ile nasıl karıştığını göstermektedir.

Örneğin 2000 V için gelen sinyal ve yansıyan sinyal 6-12 zaman diliminde iken 1500

V için 0-20 zaman dilimine yayılmıştır. Ayırıcıdan alınan sinyal olay sayısının

FÇT'den alınan sinyal olay sayısına oranına bakılmıştır. Beklenen oran 1/5=0.2’dir.

Şekil 4.20’da görüldüğü gibi oran 0.26 bulunmuştur. Bu durum düşük voltaj

değerlerinde sinyalin bozulması göz önüne alındığında doğaldır.


73

Şekil 4.20. Ayırıcıdan Alınan Sinyal Olay Sayısının FÇT'den Alınan Sinyal Olay Sayısına Oranı.


74

5. SONUÇ VE ÖNERİLER Çağlar ZORBİLMEZ

75

5. SONUÇ VE ÖNERİLER

CERN’de yapımı tamamlanan ve 2009 yılının sonunda faaliyete geçen BHÇ

üzerindeki CMS deneyi p-p çarpışmalarında elektro-zayıf simetri kırınımının ve

kütlenin kaynağını keşfetmek ayrıca Standart Model ötesindeki yeni fiziği araştırmak

üzere tasarlanmıştır. Ağır iyon çarpışmalarında ise çok yüksek enerji

yoğunluklarında ortaya çıkması beklenen kuark-gluon plazmasının yapısını

araştıracaktır. CMS detektöründe bu gözlemlerin yapılabilmesi için dedektörlerin

birçok fiziksel şartları sağlaması gerekmektedir. Bu şartlardan biridedektörün

elektronik kısmının hızlı biçimdeki kontrolüdür.

Bu tez çalışmasında CMS deneyinin alt dedektörlerinden biri olan ZDC’de

kullanılmak üzere tasarlanan akım ayırıcı devre prototipi geliştirilmiştir. ZDC

BHÇ’in 4-5 ve 5-6 sektörlerine yerleştirilmiştir. CMS’in etkileşme noktasının her iki

tarafında ve etkileşme noktasından 140 m uzaklıkta, BHÇ’nin iki hüzme borusunun

arasında yer almaktadır. Konumundan dolayı yüksek radyasyon etkisi altında

kaldığından ZDC dedektörleri ve elektroniği büyük zarar görmektedir. Özellikle

HAD ve EM kalorimetrelerin okuma ünitelerinden gelen sinyaller dedektördeki

gürültüden dolayı sinyal analizlerini zorlaştırmaktadır. Sinyaller monitörlerin

tamamını kapsayacak biçimde gelmektedir. Sinyallerin gürültü etkisini azaltmak için

sinyalleri 1/5 oranında küçülten bir devre prototipigeliştirilmiştir. Devrenin iyi

çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için DC, AC ölçümleri yapılmıştır. Devreye giren

ve çıkan akımların doğrusallığına, dinamik empedansa, devrenin gelen sinyali 1/5’e

bölüp bölmediğine bakılmıştır.Diğer taraftan AC testleri esnasında sinyallerin

yansıma miktarı, yansımaya bağlı dinamik empedans ve hassas genlik ölçümleri

yapılmıştır. Gelen ve çıkan sinyaller arasındaki zaman gecikmesi ölçümleri de

araştırılmıştır.Yapılan analizler sonucunda yansımadan kaynaklanan 100 ns’lik bir

gecikmenin olduğu gözlenmiştir. Ayrıca gerçek okuma ünitesi olan QIE ile birlikte

devre için LED verileri alınarak devreye gelen sinyal bir yazılım kod ile okunmuştur.

Veriler kullanılarak sinyalin şekli, zaman gecikmesi ölçümleri, sinyalin dağılma

miktarı ve sinyalin yansımalarına bakılmıştır.

5. SONUÇ VE ÖNERİLER Çağlar ZORBİLMEZ

76

Sonuçta devrenin hedeflenen amaca uygun olarak gelen sinyali beş’e böldüğü

görülmüştür. Bu çalışmada geliştirilen prototip henüz ZDC dedektöründen gelen

sinyalleri kendi üstüne almaya yetecek kapasitede değildir. Giren ve çıkan sinyaller

arasındaki gecikmenin azaltılması gerekmektedir. Geri besleme devresinde

kullanılan T2 transistörü B voltajı olan Vb‘yi düzenlemede geç kalmaktadır. Bu

nedenle değişime daha hızlı yanıt veren elektroniklerin kullanılması gerekmektedir.

77

KAYNAKLAR

ACOSTA D. NUCL. 1990. Instrum. Method Phys. Res. A 294, 193.

AKCHURIN N, Rev. Sci. Instrum, 74, 2955-2972, (2003).

AKGÜN U, NIM 2005. A550;145-156.

AYAN S, “CMS Zero DegreeCalorimeter, Technical Design Report”, CMS-IN-

2006/054, CMS InternalNote.

BEAMONT W, “CMS Zero DegreeCalorimeter”,CMS Note, CMS ZDC, (October,

2007).

BRESSKIN A. ve VOSS R., The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and

Experiments. Volume 2, 2009.

C. ADLER, A. 2001. Denisov, E. Garcia, M. Murray, H. Stroebele, S. White, “The

RHIC Zero DegreeCalorimeters”, Nuclear Instruments andMethods in

PhysicsResearch A 470 488–499.

CMS Collaboration 2006. “DetectorPerformanceand Software”, CMS Physics

Technical Design Report, Volume 1.

CMS Collaboration, 2008, “The CMS Experiment at the CERN LHC”.

DOBRZNSKI L. 2007. CMS Status, ACTA PHYSICA POLONICA, No 2, B007.

FABBRI L. DIS. 2009. “ForwardDetectorsWorkingGroup” cdsweb.cern.ch/.../ATL-

LUM-SLIDE-2009.

GALLIO M, 2007. “Joint LHC Machine-ALICEZDC Experiment Workshop”

(Ocak 2007).

GRACHOV O A. 2006. “Status of Zero Degree Calorimeter for CMS Experiment”,

CALOR06, Chicago June6, 2006.

GRACHOV O A. 2007, Int.J.Mod.Phys.E16:2137-2142; e-Print:nucl-ex/0703001.

GRACHOV O A. 2009, J.Phys.Conf.Ser.160:012059;e-Print arXiv:0807.0785[nucl-

ex].

GRACHOV O A. 2011. “Commissioning of CMS Zero DegreeCalorimeterusing

LHC", XIV International Conference on Calorimetry in High

EnergyPhysics (COLOR 2010) IOP PublishingJournal of Physics:

Conference Series 293(2011) 012040.

78

GORODETZKY P. 1993. Rad. Phys. andChem. 41, 253.

HARRISON T. 2003. “Nuclear Instruments andMethods in PhysicsResearch" A

499 235-244.M.

LEFEVRE P. 1995. "TheLarge Hadron ColliderConseptual Design" CERN/AC/95-

05(LHC).

MORCO N, 2007 "Performance of the Zero DegreeCalorimetersforthe ALICE

Experiment" IEEETransaction on NuclearScience, vol 54, no. 3, June

2007 567.

MASETTI G. 2005. “Searchforthe MSSM NeutralHiggsBosonswiththe CMS

Experiment at LHC”, Bologna, Italy 2005.

MOKHOV M, 2003. FERMILAB-FN, 732, (April 2003).

NORBECK, E., 2006. Physics at Very Small Angleswith CASTOR at 22ndWinter

Workshopon Nuclear Dynamics, USA.

POTANSİYOMETRE, http://tr.wikipedia.org/wiki/Potansiyometre (Erişim Tarihi:

22 Aralık 2011)

QCAL Grup, Zero DegreeCalorimeterfor RICH, 10 April, 1998.

VELİEV E V, 2003, “Quark–gluon plasmasignals”,Eur. J. Phys. 24 (2003) 341–349.

PII: S0143-0807(03)52943-9

WİKİPEDİA, "CERN", http://en.wikipedia.org/wiki/CERN (Erişim Tarihi: 27

Ağustos 2011)

WİKİPEDİA, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Cern-accelerator-complex.svg

(Erişim Tarihi: 27 Ağustos 2011)

TRANSİSTÖRLER, http://ebookarsivi.tripod.com/transistorler.pdf (22 Aralık 2011).

http://press.web.cern.ch/press/pressrelease/Realese2011/ (Erişm Tarihi: 2 Şubat

2012).

http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/Realese2011/PR25.11Ehtml (Erişim

Tarihi: 2 Şubat 2012).

http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBullettin/2010/48/News (Erişim Tarihi: 13 Şubat

2012).

http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBullettin/2010/50/News (Erişim Tarihi: 13 Şubat

2012).

http://tr.wikipedia.org/wiki/Potansiyometre

http://en.wikipedia.org/wiki/CERN

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Cern-accelerator-complex.svg

http://ebookarsivi.tripod.com/transistorler.pdf

http://press.web.cern.ch/press/pressrelease/Realese2011/

http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/Realese2011/PR25.11Ehtml

http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBullettin/2010/48/News

http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBullettin/2010/50/News

79

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S01689002120009X (Erişim Tarihi:

24 Şubat 2012).

http://cms.web.cern.ch/news/muon-detectors (Erişim Tarihi: 24 Şubat 2012).

http://www4.rfc.bnl.gov/~swhite/zcal/ (Erişim Tarihi: 28 Şubat 2012)

http://www.yaklasansaat.com/evren/karadelik/evrenlikit.asp (Erişim Tarihi: 1 Mart

2012).

http://cdsweb.cern.ch/record/1305179/files/r150431-e541464-3dv3.png (Erişim

Tarihi: 9 Mart 2012).

http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter2/Chap2_ZDC-en.html (Erişim Tarihi: 14

Mart 2012)

http://www.pollyicro.com (Erişim Tarihi: 14 Mart 2012)

http://arxiv.org/ftp/nucl-ex/papers/0608/060852.pdf (Erişim Tarihi: 14 Mart 2012)

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S01689002120009X

http://cms.web.cern.ch/news/muon-detectors

http://www4.rfc.bnl.gov/~swhite/zcal/

http://www.yaklasansaat.com/evren/karadelik/evrenlikit.asp

http://cdsweb.cern.ch/record/1305179/files/r150431-e541464-3dv3.png

http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter2/Chap2_ZDC-en.html

http://www.pollyicro.com

http://arxiv.org/ftp/nucl-ex/papers/0608/060852.pdf

80

81

ÖZGEÇMİŞ

1981 yılında Adana’da doğdu. İlköğrenimini Adana Remzi Oğuz Arık

İlkokulu’nda, ortaokul öğrenimini Adana Tepebağ Orta Okulu ve lise öğrenimini

Adana Kiremithane Teknik Lisesi’nde tamamladı. Üniversite öğrenimine 2002

yılında Erciyes Üniversitesi Fizik Bölümü’nde başladı. 2003 yılında yatay geçişle

geldiği Çukurova Üniversitesi’nden 2006 yılında mezun olduktan sonra Çukurova

Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim dalında tezli yüksek lisans

öğrenimine başladı. Halen aynı enstitüde tezli yüksek lisansına devam etmektedir.

Documents

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK … · Sıfır Derece Kalorimetre (ZDC), CMS’in alt detektörlerinden biridir. ZDC bir hadronik bölüm ve elektromanyetik