CMS'DEKİ ZDC DEDEKTÖRÜ İCİN AKIM AYIRICI DEVRE. Current Splitter for ZDC Dedector in the Cms

Transkript

1 CMS'DEKİ ZDC DEDEKTÖRÜ İCİN AKIM AYIRICI DEVRE Current Splitter for ZDC Dedector in the Cms Çağlar ZORBILMEZ Fizik Bölümü Anabilim Dalı Eda EŞKUT FizikBölümü Anabilim Dalı ÖZET Sıfır Derece Kalorimetre (ZDC), CMS in alt detektörlerinden biridir. ZDC ilk proton-proton (düşük ışıklılıklı) ve ağır iyon çarpışmalarında ileri yöndeki foton ve nötronları ölçecektir. Bu çalışmada ZDC dedektörleri için bir akım ayırıcı devre prototipi geliştirdik. Anahtar Kelimeler: CMS, ZDC, HAD, EM ABSTRACT The Zero Degree Calorimeter (ZDC) is one of the sub detectors of the CMS experiment. The ZDC will measure neutrons and very forward photons in the heavy ion and early (low luminosity) proton-proton collisions. In this study, we have developed a prototype which is current splitter circuit for ZDC detectors. Keywords: CMS, ZDC, HAD, EM Giriş 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) dir. CERN'de bulunan BHÇ de cm -2 s -1 'lik bir ışıklılık ve s -1 'lik bir etkileşim oranı ile p-p hüzmeleri birbirleriyle kafa kafaya çarpışacaktır. BHÇ deki p-p çarpışmalarında tasarlanan toplam kütle merkezi enerjisi s =14 TeV dir. Ağır iyon çarpışmalarında ise toplam kütle merkezi enerjisi s = 5.5 TeV iken ışıklılık L=10 27 cm -2 s -1 olacaktır. BHÇ, çevresi 27 km olan ve yerin yaklaşık 100 m altında bulunan dairesel bir hızlandırıcıdır. BHÇ üzerinde 4 büyük deney sistemi (ATLAS-Büyük Toroidal Detektör, CMS Sıkı Müon Solenoid, ALICE Büyük İyon Çarpıştırma Deneyi, LHCb A Large Hadron Collider Beauty Experiment) bulunmaktadır ( WIKIPEDIA,"CERN", ATLAS ve CMS, YEF in çok merak edilen problemlerine yanıt arayan genel amaçlı deneylerdir. Bu deneyler YEF in kuramsal modeli olan Standart Model i test etmek, elektro-zayıf simetri kırınımı ve kütlenin kaynağı olduğu düşünülen higgs bozonunu keşfetmek, CP (yük Yüksek Lisans Tezi-MSc Thesis

2 eşlenikliği-parite) kırınımını araştırmak, SÜSİ (SÜperSİmetri), karanlık madde, karanlık enerji, çoklu boyutlar, kompozitlik ve 4. aile gibi birçok egzotik model araştırmalarını yapmak üzere tasarlanmıştır (Lefevre P., 1995). ALICE, ATLAS, CMS, deneylerinin her birinde bir çift ZDC (Sıfır Derece Kalorimetre-Zero Degree Calorimeter) kalorimetre bulunmaktadır. Materyal Method ZDC Kalorimetresi CMS deki ZDC, BHÇ hüzme hattının düz kısmında, etkileşme bölgesinin her iki tarafında, etkileşme noktasından ( IP5) 140 m uzaklıkta yer almaktadır (Ayan A S,2006) ve hüzme hattı üzerindeki soğurucu TAN in içindedir (Grachov O A, 2006). ZDC kalorimetrelerinin pasif ortamı (soğurucu) tungsten (W) dir. Aktif ortam olarak kuvars fiberler kullanılmaktadır. CMS'deki ZDC ler 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 bölmede ilk ışın dipol mıknatıslarının akış doğrultusuna yerleştirilmiştir (Breskin A ve Voss R, 2009). ZDC deki alt dedektörler Şekil 1 de verilmiştir. Şekil 1. ZDC in Alt Dedektörleri (Beamont W, 2007). En basit ZDC elektroniği Şekil 2 deki gibidir. Görüldüğü gibi FÇT (Foto Çogaltıcı Tüp) den gelen elektriksel sinyal QIE kartlara gider. Burada analog sinyal sayısal sinyale dönüşerek HTR (hadronik tetikleyici bölge) kartlara ulaşır. HTR de sinyalin geliş (uçuş) süresi ve depolanan enerji hesaplanarak kaydedilecek olaya karar verilir. Kaydedilen veriler DCC (veri toplayıcı kart) ile veri paketlerine çevrilir

3 Paketlenen veriler RU (okuma birimi) ile tetiklenebilir veya okunabilir. Böylece veriler CPU (bilgisayar) da gözlenir. Şekil 2. ZDC'de Bir Sinyalin Oluşumu. Araştırma Bulgular ZDC Akım Ayırıcı Devre ZDC konumu gereği hüzme borularına yakın olduğundan kalorimetre ve okuma birimlerine giden kablolar radyasyona maruz kalmaktadır. Böylece ZDC sinyalleri okuma birimlerine oldukça gürültü kapmış bir şekilde ulaşmakta ve 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. Devrenini elektroniği ve prototip sırasıyla Şekil 3 ve Şekil 4 de gösterilmiştir. Şekil 3. ZDC için Akım Ayırıcı Devre

4 Şekil 4. ZDC Akım Ayırıcı Devre Prototipinin Bir Fotoğrafı. Akım Ayırıcı Devrenin Test Edilmesi ZDC akım ayırıcı devrenin çalışıp çalışmadığını kontrol etmek ve akım değerini 1/5 oranında bölüp bölmediğini anlamak için DC (doğru akım) test ölçümleri yapılmıştır. Sonuçlar Şekil 5 dedir. Şekil 5. Giriş Akımının, Giriş/Çıkış Oranına Göre Değişimi. DC ölçümlerinden başarı ile geçen devrenin AC (alternative akım) ölçümleri yapılmış ve sinyalin osiloskopta oluşturduğu biçime bakılmıştır. Osiloskoptan alınan görüntü Şekil 6 dadır. 1 numaralı kutudaki yansıma sinyal devreye girdikten sonra devrede hapis olan sinyaller tarafından oluşturulmuştur. 2 numaralı kutudaki yansıma ZDC akım ayırıcıya giremeyip FÇT ye gidip geri gelen sinyalin oluşturduğu yansımadır. 3 numaralı kutudaki yansıma 2 numaralı yansımanın okunmasından elde edilen sinyaldir. Görüldüğü gibi giriş sinyal genliği = 70 mv, voltaj aralığı 20 mv dur. Çıkış sinyali genliği aynı yöntemle,

5 voltaj aralığı 5 mv olmak üzere =12.5 mv dur. Giriş genliğinin çıkış genliğine oranı 70 mv /12.5 mv = 5.6 dır. Yansımalar ve kablolardaki kayıplar dikkate alındığında bu oran oldukça iyi bir sonuçtur. ZDC akım ayırıcı devrede ayrıca 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 1). Şekil 6. Giriş ve Çıkış Sinyalinin Osiloskoptan Görüntüsü. Yeşil giriş akımını, açık mavi ise çıkış akımını göstermektedir. Çizelge 1. Farklı HV Değerleri için Doğrudan FÇT'den veya Ayırıcı Devreden Alınan Veriler. HV (V)- Veri Alımı Tür Sinyal FÇT/ Ayırıcı Numarası Toplamı Ayırıcı FÇT FÇT Ayırıcı Ayırıcı FÇT FÇT Ayırıcı Ayırıcı FÇT FÇT Ayırıcı

6 Şekil 7. FÇT'den Doğrudan Alınan Sinyal Şekilleri. Şekil 8. Ayırıcıdan Alınan Sinyal Şekilleri

7 Değişik HV değerlerinde alınan ve QIE'de okunup bir kod yardımı ile şekilleri çıkarılan sinyaller Şekil 7. ve Şekil 8.'de verilmiştir. Alınan sinyal şekilleri hem FÇT'den doğrudan alınan hemde ayırıcıdan alınan şekiller aynı HV değerleri için incenmiş ve sonuçlar tatışılmıştır. Ayırıcıdan alınan sinyal olay sayısının FÇT'den alınan sinyal olay sayısına oranına bakılmıştır. Beklenen oran 1/5=0.2 dir. Şekil 9 da görüldüğü gibi oran 0.26 bulunmuştur. Bu durum düşük voltaj değerlerinde sinyalin bozulması göz önüne alındığında doğaldır. Şekil 9 Ayırıcıdan Alınan Sinyal Olay Sayısının FÇT'den Alınan Sinyal Olay Sayısına Oranı

8 Sonuç ve Öneriler 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 biri dedektörün elektronik kısmının hızlı biçimdeki kontrolüdür. 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 prototipi geliştirilmiştir. 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. 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 V b yi düzenlemede geç kalmaktadır. Bu nedenle değişime daha hızlı yanıt veren elektroniklerin kullanılması gerekmektedir

9 Kaynaklar AYAN S, CMS Zero Degree Calorimeter, Technical Design Report, CMS-IN- 2006/054, CMS Internal Note. GRACHOV O A Status of Zero Degree Calorimeter for CMS Experiment, CALOR06, Chicago June6, BRESSKIN A. ve VOSS R., The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments. Volume 2, WİKİPEDİA, "CERN", (Erişim Tarihi: 27 Ağustos 2011) LEFEVRE P "The Large Hadron Collider Conseptual Design" CERN/AC/95-05(LHC)