Félvezető és szcintillációs detektorok alkalmazása részecskefizikai kísérletekben

Absztrakt

Doktori értekezésemben alapvetően két területtel foglalkozom. A CERN CMS-ben használt CMOS kamerák sugárzástűrési tesztjei során megfigyelték, hogy a fénytől elzártan működő videokamera chip kimenő jelében nyomot hagynak a bejövő ionizáló részecskék. Ez több kérdést is felvetett: hogyan függnek a részecskenyomok a nyaláb intenzitásától, a nyomok mérése útján miként lehetséges a részecskék típusának azonosítása és azok energiájának meghatározása, továbbá mik a lehetőségei a kamerák protonterápia-nyalábdozimetriában való alkalmazásának. A fenti kérdések megválaszolására a kamerát először 180 MeV energiájú protonnyalábbal teszteltük. A kísérletekhez kifejlesztésre került egy új típusú, az adatok statisztikus feldolgozásához használt adatgyűjtő rendszer. A protonokkal történő bombázás esetén közvetlen arányosságot találtam a küszöbfényesség feletti jelet adó "fényes" pixelek száma és a kamerát érő részecskenyaláb áramerőssége között. A kamerát ezután nehézion-besugárzásnak vetettük alá, és vizsgáltuk a részecskék hatását az ion energiájának és fajtájának függvényében. Megállapítottuk, hogy a kamera kimenő jelében látható foltok fényerősségének teljes integrált eloszlása a beeső részecske típusával és energiájával változik. A chip korlátozott vastagságú érzékeny rétege lehetővé teszi a kamera nagy térbeli felbontású részecskedetektorként való használatát, amely korlátozottan részecskeazonosításra is alkalmas. Ezek a jellemzők alkalmassá teszik a chipet bombázó részecskék energiaszelekciójára, a fényes foltok egyszerű megszámolásával pedig dozimetriai célokra. A protonterápiás lehetőségek vizsgálatához a detektornak a beesési szögtől és az energiától függő válaszát mértük. A kísérletek során modernizált adatfeldolgozó rendszer segítségével megállapítottuk, hogy a CMOS kamera időben jelentéktelen háttér-változást, alacsony öregedést, rövid és hosszú idejű jelstabilitást és előzetes besugárzás szükségessége nélkül is állandó hatásfokot mutat. A chipet kis mérete ideálissá teszi in vivo dozimetriában való alkalmazásra és protonnyaláb valós idejű monitorozására. Dolgozatom másik témája egy módszer kifejlesztése volt, amely PET készülékben használatos szcintillátor kockakristályok fényhozamának és energiafelbontó képességének a meghatározására alkalmas. Ehhez kidolgoztunk egy mérési stratégiát és összeállítottunk egy „Monte-Carlo refractive index matching” módszeren alapuló egyszerű mérőberendezést, amellyel nagyszámú mérést végeztünk. A felbontóképesség méréséhez továbbfejlesztettük az MCRIM módszert. Az új módszer alapelve az, hogy a komplett szcintillációs összeállítást (szcintillátor + optikai rendszer + PMT) jellemző-, a felbontóképességet leíró komplex kifejezés egyes összetevőit lépésenként, fordított sorrendben határozzuk meg. Egy ilyen mérés meglehetősen bonyolult és időigényes, de reálisan kivitelezhető. In daily practice we can sometimes observe unusual effects on well known devices, for example in the case of a commercial CMOS APS used as part of the CMS Muon Barrel Alignment system of the LHC accelerator at CERN. The radiation tolerance of this component was tested in a radiative environment. During hardness tests we have observed bright spots of different size on the image of the sensor. These bright spots were interpreted as results of different nuclear interactions caused by the proton and neutron irradiation. The investigation of the above mentioned observation has split into different directions. The first one concerns the use of this image sensor as radiation detector for proton beam therapy applications. In the second, the effects of the secondary particles in the image sensor are systematically investigated as a function of energy and type of ion. Our third goal was to investigate the use of the CMOS image sensor as a Radiation Field Detector for clinical dosimetry in advanced proton therapy. In addition a further aim was to develop a method for measuring LYSO scintillator parameters such as light yield and scintillation efficiency. For developing a PET we could obtain the scintillation crystals from different manufacturers at different prices. Therefore, it was necessary to have a classification system to qualify the parameters of the crystals, and to determine the variation of the important parameters.

Leírás
Kulcsszavak
fizika, physics, nuclear physics, természettudományok, fizikai tudományok, LYSO, CMOS aktív pixel szenzor, CMS, detektor, magfizika, CMOS Active Pixel Sensor, detector
Forrás