TURKFAB Tesisi Tasarım Çalışmalarının Sonuçları

THM-YUUP Projesi Genel Değerlendirme Çalıştayı 19-20 MART 2015 HTE, ANKARA ÜNİVERSİTESİ TURKFAB Tesisi Tasarım Çalışmalarının Sonuçları Doç. Dr. Hüsnü AKSAKAL Niğde Üniversitesi

İçerik Hızlandırıcı Dizaynı (Hüsnü Aksakal, Zafer Nergiz) Pozitron depolama Halkası Dizaynı Depolama Halkası Optik fonksiyonları ve Dinamik aralık Demet içi saçılma (IBS) ve ışınlık (Luminosity) ömrü Pozitron Üretimi : Hedef optimizasyonu, Adyabatik uygunlaştırma (AMD) ve ön hızlandırma Dedektör dizaynı (İlhan Tapan, Ercan Piliçer vd.) THM-PF Dedektör Dizayn Çalışmaları THM-PF Dedektör Parçaları Tüm Dedektör Simülasyonu Sonuçlar ve Gelecekteki Çalışmalar

Önerilen Dizayn Parametreleri THM -PF bir Süper charm fabrikasıdır. PF : ERL linaktan gelen 1 GeV elektron ve depolama halkasından gelen 3.56 GeV pozitron çarpıştırıcısıdır (Ecm=3.769 GeV ). ERL; enerji dönüşümlü (gerikazanımlı) lineer hızlandırıcıdır. Pozitronlar üretilip ön hızlandırıcıdan geçirilip depolama halkasında biriktirilir. ERL teknolojisi yardımı ile ulaşılabilecek Işınlık 10 35 cm -2 s -1 Süper Charm Fabrikası hızlandırıcı genel görünümü Parametreler Pozitron Elektron ERL Demet Enerjisi (GeV) 3.56 1 Parçacık sayısı/paketçik (10 11 ) 2 0.2 Çarpışma Noktası Beta fonksiyonları b x /b y (mm) Normalize emitans e xn /e y N (mm rad) 80/5 80/5 111/0.36 31/0.1 Enine paketçik ebadı s x /s y (mm) 36/0.5 36/0.5 Paketçik uzunluğu s z (mm) 5 5 Demet demet ayar kayması (x x /x y ) Tur başına enerji kaybı (MeV) 0.7 Paketçik sayısı 300 Çevresi (m) 600 0.012/0.13 Demet akımı (A) 4.8 0.48 Momentum Acceptence (%) 1 Işınlık (cm -2 s -1 ) 1.4x10 35

Pozitron Halkası Dizaynı (by Z. NERGIZ) Amaç bir önceki tabloda verilen Çarpışma noktası parametrelerini gerçekleştirmek. Halkanın örgüsü çok düşük emitans ve iyi bir dinamik aralığa sahip olmalıdır. Çarpışma noktasından önceki son odaklama sistemi küçük beta fonksiyonu sağlayacak şekilde dizayn edilmelidir. Halka üç katlı simetriden oluşmaktadır. Halka üzerinde kavislerde (arc bölgesi) bazı boş bölgeler RF sistemi, enjeksiyon ve çarpışma noktası için ayrılmıştır. Halka Parametreleri Value Çevre (m) 613 Pozitron Enerji (GeV) 3.56 Çarpışma noktası b x /b y (mm) 86/7 Enine emitans (nm rad) 9.5 IBS ile enine demet emitansı (nm rad) 10.4 Enerji kaybı/tur (MeV) 0.49 RF frekansı- frf (MHz) 500 RF voltajı-vrf (MV) 2.0 RMS Energy spread (%) 0.055 Halkadaki paketçik sayısı 300 Rms paketçik uzunluğu (mm) 7.1 Momentum acceptance (%) 1.2 Touschek ömrü (h) 0.27 Luminosity Lifetime (h) 0.25

Halkanın Optik çalışması: Halka herbiri 1.9m olan 96 eğici magnet içerir Arc bölgelerine 7 altı-kutuplu magnet kromatikliği düzeltmek ve lineer olmayan etkileri azaltmak için yerleştirilir. Twiss parametreleri halka boyunca ve çarpışma noktasında aşağıda verildiği gibidir.

Dinamik aralık: Dinamik aralık enine kararlı bölge olup bu alan içinde parçacıklar kaybolmadan ve dağıtılmadan salınım yapabilir. Depolama halkaları, iyi enjeksiyon için ve uzun demet ömrü için büyük dinamik aralığa sahip olmalıdır. Büyük dinamik aralık, yüksek demet kararlılığını belirtir. Farklı momentum sapmaları için dinamik aralık Farklı magnet hataları için dinamik aralık.

Farklı etkiler: IBS ve Işınlık ömrü Demet içi saçılmalar (IBS) Düşük emitanslı depolama halkalarında, önemli lineer olmayan etkilerden biridir. Bu etkinin kaynağı emitansı artıran demet içi Coulomb saçılmalarıdır. IBS etkisi dahil edilerek pozitron demetinin emitansı ELEGANT codu yardımı ile hesaplanmıştır. Emitans değeri, 4.8 A ortalama demet akımı, 2.0 MV RF voltajı ve 500 MHz RF frekansı için, 10.4 nmrad olarak bulunmuştur. Işınlık Ömrü Başlangıç ışınlık ömrü aşağıdaki denklem yardımıyla hesaplanır. burada L 0 başlangıçtaki ışınlık değeri ve N 0 halkada başlangıçtaki parçacık sayısıdır. s RBS ~ 2-3x10-25 mertebesinde olan radiative Bhabha saçılma tesir kesitidir. Bu denkleme göre ışınlık ömrü 15 dakikadır.

Elektron hızlandırıcı (doğrusal veya dairesel) TAC Charm fabrikasında önerilen çarpıştırıcı linak-halka tiplidir ve e-demeti linakdan sağlanacaktır. Linaklarda rf güç kaynaklarının getirdiği kısıtlamaları aşabilmek için ERL (Energy Recovery Linac) önerilmektedir. ERL de hızlandırıcı yapıda parçacıklar istenilen enerjilere çıkarılır ve çarpışma bölgesinde etkileşmeye sokulduktan sonra optik iletim hattı ile tekrar aynı yapıya ancak zıt fazda sokulur. Bu sayede elektronların yavaşlaması sağlanırken oluşturduğu alanlar ise arkadan gelen paketçiği hızlandırmakta kullanılır. Bu sayede çok daha yüksek güç sağlanarak ortalama elektron akımının yükseltilmesi sağlanır. Bir diğer avantajı da atık elektronların enerjisi azaldığı için demet yok edilirken oluşacak yüksek radyasyonun da azaltılmış olmasıdır. Enerji Dönüşümlü Doğrusal Hızlandırıcının (ERL) çalışma prensibi

ERL Linak ve Pozitron üretimi (H. Aksakal) ERL Linak: ERL dizaynı henüz yapılmamıştır. Bu hızlandırıcıdan elde edilecek elektron demetinin parametreleri belirlenmiştir. Amerika da JLAB da çalışır durumda bir ERL linak mevcuttur. Pozitron üretimi: Geleneksel metod: e-demeti bir hedef üzerine çarptırılır ise bir Elekromanyetik sağnak oluşturur. Sağnak içerisindeki 10 MeV üzerindeki fotonlar elektron pozitron çift, üretim sürecinde baskın olurlar. Pozitron üretimi için 1 GeV enerji elektronları ERL den transfer edebiliriz. Elektron hedefe çarpmasıyla elde edilecek pozitron kazancı FLUKA simülasyon programı yardımıyla hesaplanmıştır.

Pozitron üretimi: Hedef seçimi Yüksek pozitron kazancı için hedef seçimi önemlidir. Hedef materyalin yüksek verimli olarak seçilmesi : sertliğine, kalınlığına, yoğunluğuna, yüksek erime noktasına sahip olmasına ve yüksek gerilme direncine sahip olmasına bağlıdır. THM PF için Dört farklı hedef önerilmiş ve pozitron kazançları şekildeki gibidir. Hedef Radyasyon Yoğunluk Erime Uzunluğu (gr/cm3) noktası (cm) ( o C) WC 0.456 15.630 2870 Ta 0.409 16.690 2850 W75Re25 0.343 19.664 3150 Re90Ir10 0.315 21.250 3000 Üretilen pozitron sayısının radyasyon uzunluğuna göre değişimi

Hedef WRe üzerindeki enerji depolanması FLUKA sonuçlar Hedef boyutu 1.6 x1.6 x 1.2 (cm3) Enine (üst sol), Boyuna (üst sağ) ve 1 boyutta boyuna hedef üzerindeki enerji depolanması.

Üretilen pozitronlar Hedeften sonraki üretilen Pozitron Akısı Hedeften hemen sonraki pozitronların faz uzayı dağılımı ASTRA simülasyon sonucu Pozitronların toparlanması (emitansın düşürülmesi) için üç metod vardır : Adyabatik uygunlaştırma aygıtı (AMD) Optik uygunlaştırma aygıtı Lithium mercek.

Adyabatik uygunlaştırma THM PF için hedeften sonra AMD kullanılması tarafımızdan önerilmiştir. Hedeften sonra AMD (selenoidden oluşur ve manyetik alan gradyene sahiptir) pozitronları toparlamakta kullanılır. Sonrasında gelen ön hızlandırıcı halka pozitronları 3.56 GeV enerjiye kadar hızlandırır. Fakat üretilen pozitron sayısı bir paketçikte dizay değerinden 8 kat düşüktür. Adyabatik uygunlaştırma aygıtı (solenoid) : Elektron demeti Elektron demeti Ön hızlandırıcı halkaya gider 40 cm uzunluğunda solenoid boyuna eksen boyunca azalan manyetik alana sahiptir. Boyuna eksen üzerinde manyetik alan B=B 0 /(1+g z) ile değişir burada g=0.78 olarak seçilmiştir. ASTRA kodu kullanılarak AMD den sonra pozitronun faz uzayı dağılımı aşağıda görüldüğü gibidir. AMD nin yakalam verimi %90 civarındadır. AMD içindeki manyetik alanın AMD boyuna göre değişimi

Ön hızlandırıcıda paketçiklerin birleştirilmesi BNL-98551-2012-IR Bu birleştirme 4 ion paktçiğinin BNL ön hızlandırıcısında 2 ion paketçiğine birleştirilmesini göstermektedir. Bu yöntem pozitron THM PF ön hızlandırıcısında 8 paketçiğin birleştirilmesi için kullanılır ise dizayn değeri olan paketçikteki pozitron sayısına ulaşılabilir.

Çarpışma bölgesi çalışmaları: Halka-halka çarpıştırıcı ISAC Linak-halka opsiyonunda demet akımının çok yüksek olduğu belirtilmiştir. Linak-halka yerine halka-halka opsiyonu kullanılarak ve demet akımının (daha makul ve dünyadaki örneklerle kıyaslanabilir mertebelere indirilerek) aynı ışınlık değerine ulaşılabilir. Dünyadaki çarpıştırıcılar incelenerek Halka-Halka tipli çarpıştırıcılar için bir optimizasyon yapılmıştır Halka-Halka tipi çarpıştırıcıda pozitronlar için YEH (Yüksek Enerjili Halka) ve elektronlar için DEH (Düşük Enerjili Halka) tanımlanmış ve bu halkalar için Tablo daki hızlandırıcı parametreleri belirlenmiştir. YEH için önerilen pozitron halkası daha önce linakhalkada önerilen halka ile demet optiği açısından aynı özellikleri taşımaktadır. Bununla beraber, proje üyelerimiz Dr. Zafer Nergiz tarafından, DEH Halkası için YEH ile aynı tünele yerleştirilmiş ve aynı uzunluğa sahip bir yeni halka önerilmektedir. Burada enerji asimetrisi için DEH halkasının enerjisinin 1 GeV olması gerekmektedir. Önerilen halkanın optiği IP dışında YEH ile aynıdır. Ancak enerjinin düşmesi emittansının 0.75 nm rad a düşmesini sağlamaktadır. Dolayısıyla IP de YEH halkası demetinin ebatlarının DEH halkası e-demeti ile denkleştirilmesi için betatron fonksiyonlarının bir miktar artması gerekmektedir. Dolayısıyla çarpışma noktasında b x =1.1 m ve b y =0.1 m olacak şekilde DEH in çarpışma bölgesinin tasarımının yapılması gerekmektedir. Parametre YEH (e + Halkası) DEH (e - Halkası) Enerji (GeV) 3.56 1 Çevre (m) 613 613 Akım (A) 1.44 1.44 Paketçikte Parçacık Sayısı 6x10 10 6x10 10 Paketçik Sayısı 300 300 Demet Ebatı (mm) 30/0.8 30/0.8 IP de b x* /b y* (mm) 86/7 1160/100 IP de Emitx (nm rad) 10.4 0.75 Paketçik Boyu (mm) 7.1 1.37 Tur Başına Enerji Kaybı 0.49 0.003 (MeV) Rf Frekansı (MHz) 500 500 Dolanım Frekansı (MHz) 0.5 0.5 Işınlık (cm -2 s -1 ) 1.7x10 35 Halka-Halka opsiyonu için demet parametreleri

Hızlandırıcı Sonuçlar: Depolama halkası tasaramını 3 kat simetrili olarak dizayn emitans ve beta fonksiyonuna sahip olacak şekilde tamamlanmıştır. AMD ile yakalama verimi ASTRA yardımıyla %86 olarak elde edilmiştir. AMD den sonraki pozitron sayısı 2.5 10 10 olarak dizayn değerinden 8 kat düşük elde edilmiştir. AMD sonrası bir L band linak pozitronları hızlandırıp ön hızlandırıcı halkaya enjeksiyonda kullanılabilir. Ön hızlandırıcıda 8 paketçik birleştirilerek 2 10 11 paketçik/pozitron elde edilebilir ve Depolama halkasına 3.56 GeV enerjiye ulaşınca enjekte edilir. Depolama halkasında iken tur başına enerji kaybı 0.49 MeV depolama halkasındaki RF kovuğu vasıtasıyla telafi edilir. Depola halkasındaki 3.56 GeV enerjili pozitronlar ERL linaktan gelen 1 GeV enerjili elektron demeti ile dedektör içinde çarpışma noktasında çarpıştırılır.

Hızlandırıcı Kaynaklar [1] E. Recepoglu and S. Sultansoy, Turk. J. Phys. 35 (2011), 257 263 [2] Andreas Streun, OPA version 3.39 PSI, March 14, (2012). [3] H. Grote and F. Schmidt, The MAD-X Program, http://mad.web.cern.ch. [4] M. Borland, Elegant: AFlexibleSDDS-CompliantCodeforAcceleratorSimulation, Technical Report, Advanced Photon Source, 2000. [5] K.L.F. Bane, A Simplified Model of Intrabeam Scattering, Proceedings of EPAC Paris, 2002. [6] C. S. Hwang, Planning of the insertion devices for the 3 GeV Taiwan Photon Source, Proceedings of PAC07, New Mexico, USA (2007), p. 1082. [8] Ertan Arikan, Hüsnü Aksakal. Positron source investigation by using CLIC drive beam for Linac-LHC based e + p collider. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 683 (2012) 63 70 [9]C.J. Gardner. Simulations of merging and squeezing bunches in booster and AGS. BNL-98551-2012-IR

Detektör (Algıç) Giriş (Uludağ Üniv.) THM-PF : süper charm fabrikası olarak elektronpozitron çarpıştırıcısı 1 GeV elektron linak 3.56 GeV pozitron halkası linak -halka tipi çarpıştırıcı ve detektör TAC-PF Algıcı Nostalji: ep çarpıştırıcısı önceki versiyon

Detektör Dizayn 1 Tesla lık süper iletken mıknatıs

Algıç Kısımları Katkılar 1- Si Takip Algıcı (SiT): I. Tapan, B. Pilicer 2- Uçuş zamanı algıcı (ToF): N. Guler 3- EM Kakorimetre (ECAL): A. Kilic, F. Kocak 4- Muon Algıç Sistemi(MUON): Gaziosmanpaşa Üniversitesi SiT üzerindeki radyasyon hasarı: E. Yildirim Tüm Algıç benzetişimi: B. Piliçer Simülasyon sorumlusu: E. Piliçer

Algıç Kısmımlar Si iz takip Si iz sürücü : Günümüzde, silikon yüksek enerji deneylerinde iz takip algıçlarında en çok kullanılan algıç malzemedir 4 cm aralıklı 5 bireysel modülden oluşur. Herbir modül E2 paralel SSD den oluşur. C + Si + 2 cm aralık + C + Si İkinci modül ilk modül

ALGIÇ Dizayn-ToF SiT ve ECAL arasında, biri fıçı bölgesine diğeri uç kapak bölgesine olmak üzere TOF algıçı yerleştirilecektir. TOF ile yüklü parçacıkların uçuş zamanı ölçülecektir.tof, yüklü parçacığın hızını ölçer ve onu takip ediciden gelen momentum ile karşılaştırarak parçacık tanımlaması yapar TOF algıcının ayrıntılı tasarımı BES-III algıcının ToF tasarımına benzemektedir. Hafif ve Ağır parçacıklar aynı momentuma sahip sahip iseler onların iki sintilatör arası uçuş zamanı parçacıkları birbirinden ayırt etmede kullanılabilir.

Algıç Parçaları EM Kalorimetre Crystals for HEP Calorimeters Crystal NaI(Tl) CsI(Tl) CsI(Na) CsI BaF 2 CeF 3 BGO PWO(Y) LSO(Ce) Density (g/cm 3 ) Density (g/cm 3 ) 3.67 4.51 4.51 4.51 4.89 6.16 7.13 8.3 7.40 Melting point ( o C) Melting Point (ºC) 651 621 621 621 1280 1460 1050 1123 2050 Rad. length (cm) Radiation Length (cm) 2.59 1.86 1.86 1.86 2.03 1.70 1.12 0.89 1.14 Molière Radius (cm) 4.13 3.57 3.57 3.57 3.10 2.41 2.23 2.00 2.07 Moliere Radius (cm) Interaction Length (cm) 42.9 39.3 39.3 39.3 30.7 23.2 22.8 20.7 20.9 Etkileşme Uz. (cm) Refractive Index a 1.85 1.79 1.95 1.95 1.50 1.62 2.15 2.20 1.82 Refractive index Hygroscopicity Yes Slight Slight Slight No No No No No Humidity Luminescence b (nm) (at peak) Peak emission (nm) NaI(Tl) CsI(Tl) CsI(Na) CsI BaF 2 CeF 3 BGO PWO LSO(Ce) 410 550 420 420 310 300 220 340 300 480 425 420 402 Decay Time b (ns) 245 1220 690 30 Decay time (ns) 6 650 0.9 30 300 30 10 40 Light Yield b,c (%) 100 165 88 3.6 Light Yield (%) 1.1 36 4.1 7.3 21 0.3 0.1 85 d(ly)/dt b (%/ ºC) -0.2 0.4 0.4-1.4-1.9 dly/dt b (%/ o C) 0.1 0-0.9-2.5-0.2 Experiment Experiment Crystal BaBar - KTeV (L*) L* - L3 L3 CMS Mu2e BaII BELLE III BES IIII (GEM) TAPS BELLE ALICE PANDA (SuperB) CMS? (?) Crystal Ball a. at peak of emission; b. up/low row: slow/fast component; c. QE of readout device taken out. January 10, 2013 Talk Presented at the Joint CPAD and Instrumentation Frontier (Zhu Community 2013) Meeting by Ren-Yuan Zhu, Caltech 6

Algıç kısımları EM Kalorimetre CsI CsI(Na) CsI(Tl) NaI(Tl) PWO LSO LYSO BGO CeF 3 BaF 2 LSO/LYSO PWO LSO LYSO BGO CeF 3 BaF 2 BaBar CsI(Tl) ECAL, ToF sayaçlarının dışına ve selonoid bobinin içerisine yerleştirilmiş olan ışıldama kristallerinden meydana gelir. ECAL ın tasarımı için PbWO 4 ve CsI(Tl) kristaller düşünülmüştür. Gelen parçacıklar tarafından kristal malzeme içerisinde üretilen fotonlar, kristalin son uçlarına yerleştirilen çığ foto-diyotlar (avalanche photodiodes, APD) veya PIN foto-diyotlar aracılığıyla detekte edilirler. January 10, 2013 January 10, 2013 BaBar CsI(Tl) L3 BGO L3 CMS BGO PWO CMS 2.5 x PWO 2.5 x 20 cm (18 X 0 ) 16Xo 25Xo Long LSO & LYSO Crystal Samples Talk Presented at the Joint CPAD and Instrumentation Frontier Talk Presented at the CTI Joint LSO CPAD and Instrumentation Frontier CPI LYSO Saint-Gobain LYSO SIPAT-LYSO January 10, 2013 Talk Presented at the Joint CPAD and Instrumentation Frontier Community Meeting by Ren-Yuan Zhu, Caltech SuperB 2.5x2.5x20 cm 3 Yüksek durdurma gücü ( ρ = 7.4 g/cm 3, X 0 = 1.14 cm and R Moliere = 2.07 cm), yüksek ışık ürünü (BGO kristalininkinin yaklaşık 4 katı), hızlı bozunma zamanı (τ= 40 ns) gibi üstün özellikleri nedeniyle, SuperB endcup calorimeter, KLOE and MU2e gibi yüksek enerji fiziği deneylerinde kullanılması düşünülen lutetium oxyorthosilicate (Lu 2 SiO 5, LSO) and lutetium-yttrium oxyorthosilicate (Lu 2(1-x) Y 2x SiO 5, LYSO) kristalleri, THM-PF ECAL için de incelenmiştir

ALGIÇ EM Kalorimetre Foton enerjisi 2 GeV e kadar çığ kaynağı olarak BOSS 6.6.2 simülasyonunda seçilmiştir. LSO/LYSO kristal ebatı 25x25x280 mm GEANT4 çığ profil sonuçları. Boyuna çığ profili (5x5 LSO/LYSO kristal matrisi)

Algıç kısımları EM Kalorimetre E s E a E b a terimi -> çığ dalgalanması ( 5x5 kristal matrisi ve fotoelektron istatistiği). a A schotastic terimi %0.69 ve %0.62 b sabit terimi %0.5 ve %0.47 LYSO ve LSO kristalleri için elde edilmiştir. 2 a lateral a pe 2 LYSO s ( E) E = 0.69% E Å 0.50% LSO ( ) E = 0.62% E Å 0.47% s E LSO ve LYSO kristalleri için foton enerjisinin bir fonksiyonu olarak enerji çözünürlükleri

ALGIÇ Muon Algıç Sistemi Muon sistemi (MUON), BES-III algıçındaki gibi, selonoid mıknatısın manyetik akı dönüş bağlantısının çelik düzlemleri aralarına yerleştirilmiş direnç düzlem sayaçlarından oluşur. Muon sisteminin amacı, muonları, yüklü pionlardan, diğer hadronlardan ve akı dönüş bağlantısında bunların ikincillerinin arka alanlarından ayırd etmektir

Tam Algıç Benzetişimi Olay üretimi BOSS 6.6.2 den elde edilen parçacık dağılımı

Tam Algıç Benzetişimi Birincil parçacıkların tasarlanan THM-PF algıcı içerisinde enerji depozisyonları FLUKA simülasyonu yapılarak, çarpışma sonucu oluşan tüm parçacıkların algıç hacmi içerisinde akı değişimleri elde edilmiştir. Parçacıkların tamamına yakın bir kısmı algıç hacmi içerisinde soğurulmaktadır

Tam Algıç Benzetişimi Tasarlanmış THM-PF algıcı içerisinde parçacıkların akı dağılımı

Algıç-Kaynaklar İ. Tapan and B. Piliçer, Silicon tracker simulation for the Turkish Accelerator Center particle factory, Nucl. Instrum. Meth. A (2014) DOI: 10.1016/j.nima.2014.05.100 M. Ablikim et al., Design and construction of the BESIII detector, Nuc. Inst. and Meth. A 614 Issue 3 (2010) 345-399 S. Mersi, D. Abbaneo, N. De Maio, G. Hall, "Software package for the characterization of tracker layouts", The Compact Muon Solenoid Experiment Conference Report, CMS CR-2011/261, 24 October 2011 F. Ragusa and L. Rolandi, "Tracking at LHC", New Journal of Physics 9, 2007, 336 Ren-Yuan Zhu, Quality of Long LSO/LYSO Crystals, Journal of Physics: Conference Series 404 (2012) 012026 J. Chen et al., Gamma-Ray Induced Radiation Damage in Large Size LSO and LYSO Crystal Samples, IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 54, No. 4, No. 4, August 2007

Tesekkürler.