Development of advanced silicon radiation detectors for harsh radiation environment

This thesis describes the development of advanced silicon radiation detectors and their characterization by simulations, used in the work for searching elementary particles in the European Organization for Nuclear Research, CERN. Silicon particle detectors will face extremely harsh radiation in the proposed upgrade of the Large Hadron Collider, the future high-energy physics experiment Super-LHC. The increase in the maximal fluence and the beam luminosity up to 1016 neq / cm2 and 1035 cm-2s-1 will require detectors with a dramatic improvement in radiation hardness, when such a fluence will be far beyond the operational limits of the present silicon detectors. The main goals of detector development concentrate on minimizing the radiation degradation. This study contributes mainly to the device engineering technology for developing more radiation hard particle detectors with better characteristics. Also the defect engineering technology is discussed. In the nearest region of the beam in Super-LHC, the only detector choice is 3D detectors, or alternatively replacing other types of detectors every two years. The interest in the 3D silicon detectors is continuously growing because of their many advantages as compared to conventional planar detectors: the devices can be fully depleted at low bias voltages, the speed of the charge collection is high, and the collection distances are about one order of magnitude less than those of planar technology strip and pixel detectors with electrodes limited to the detector surface. Also the 3D detectors exhibit high radiation tolerance, and thus the ability of the silicon detectors to operate after irradiation is increased. Two parameters, full depletion voltage and electric field distribution, is discussed in more detail in this study. The full depletion of the detector is important because the only depleted area in the detector is active for the particle tracking. Similarly, the high electric field in the detector makes the detector volume sensitive, while low-field areas are non-sensitive to particles. This study shows the simulation results of full depletion voltage and the electric field distribution for the various types of 3D detectors. First, the 3D detector with the n-type substrate and partial-penetrating p-type electrodes are researched. A detector of this type has a low electric field on the pixel side and it suffers from type inversion. Next, the substrate is changed to p-type and the detectors having electrodes with one doping type and the dual doping type are examined. The electric field profile in a dual-column 3D Si detector is more uniform than that in the single-type column 3D detector. The dual-column detectors are the best in radiation hardness because of their low depletion voltages and short drift distances.

Disputatio super humanitatis studiis

Invocatio: [hepreaa].

Superconducting properties and their enhancement in ReBa2Cu3O7-delta (RE = Y and Gd) films prepared by pulsed laser deposition

Due to font problem on the tilte field the titlte of the thesis is corrected here. The title of the thesis is: Superconducting properties and their enhancement in ReBa₂Cu₃O₇-delta (RE = Y and Gd) films prepared by pulsed laser deposition

Combining Near-Field and Far-Field Microscopy: A new method for nanoscale super-resolution imaging

Lähikenttä- ja kaukokenttämikroskopian yhdistäminen: Uusi korkearesoluutioinen menetelmä nanokuvantamiseen. Osteoporoosi on sairaus, jossa luun uudistumisprosessi ei ole enää tasapainossa. Uuden luun muodostuminen on hitaampaa johtuen osteoblastien laskeneesta aktiivisuudesta. Yksi keino estää osteoporoosin syntyä on estää osteoklastien sitoutuminen luun pinnalle, jolloin ne eivät aloita luun syömisprosessia. Tämän Pro gradu -tutkielman tarkoituksena on luoda uusi työkalu osteoklastien sitoutumisen tutkimiseen samanaikaisesti fluoresenssi- ja atomivoimamikroskoopilla. Tätä tarkoitusta varten yhdistettiin atomivoimamikroskooppi sekä STED mikroskooppi. Kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi yksityiskohtaisesti molempien mikroskooppitekniikoiden teoriat. Kokeellisessa osiossa esitetään käytetyt metodit ja alustavat tulokset uudella systeemillä. Lisäksi keskustellaan lyhyesti kuvan analysoinnista ImageJohjelmalla. Konfokaalisen fluoresenssimikroskoopin ja atomivoimamikroskoopin yhdistelmä on keksitty jo aikaisemmin, mutta tavallisen konfokaalimikroskoopin erottelukyvyn raja on noin 200 nanometriä johtuen valon diffraktioluonteesta. Yksityiskohdat eivät erotu, jos ne ovat pienempiä kuin puolet käytettävästä aallonpituudesta. STED mikroskooppi mahdollistaa fluoresenssikuvien taltioimisen solunsisäisistä prosesseista 50 nanometrin lateraalisella erotuskyvyllä ja atomivoimamikroskooppi antaa topografista tietoa näytteestä nanometrien erotuskyvyllä. Biologisia näytteitä kuvannettaessa atomivoimamikroskoopin erotuskyky kuitenkin huononee ja yleensä saavutetaan 30-50 nanometrin erotuskyky. Kuvien kerrostaminen vaatii vertauspisteitä ja tätä varten käytettiin atomivoimamikroskoopin kärjen tunnistamista ja referenssipartikkeleita. Kuva-analysointi suoritettiin ImageJ-kuvankäsittelyohjelmalla. Tuloksista nähdään, että referenssipartikkelit ovat hyviä, mutta niiden sijoittaminen tarkasti tietylle kohdealueelle on hankalaa nanoskaalassa. Tästä johtuen kärjen havaitseminen fluoresenssikuvassa on parempi metodi. Atomivoimamikroskoopin kärki voidaan päällystää fluoresoivalla aineella, mutta tämä lisää kärjen aiheuttamaa konvoluutiota mittausdataan. Myös valon takaisinsirontaa kärjestä voidaan tutkia, jolloin konvoluutio ei lisäänny. Ensimmäisten kuvien kerrostamisessa käytettiin hyväksi fluoresoivalla aineella päällystettyä kärkeä ja lopputuloksessa oli vain 50 nanometrin yhteensopimattomuus fluoresenssi- ja topografiakuvan kanssa. STED mikroskoopin avulla nähdään leimattujen proteiinien tarkat sijainnit tiettynä ajankohtana elävän solun sisällä. Samaan aikaan pystytään kuvantamaan solun fyysisiä muotoja tai mitata adheesiovoimia atomivoimamikroskoopilla. Lisäksi voidaan käyttää funktinalisoitua kärkeä, jolla voidaan laukaista signalointitapahtumia solun ja soluväliaineen välillä. Sitoutuminen soluväliaineeseen voidaan rekisteröidä samoin kuin adheesiomediaattorien sijainnit sitoutumisalueella. Nämä dynaamiset havainnot tuottavat uutta informaatiota solun signaloinnista, kun osteoklasti kiinnittyy luun pintaan. Tämä teknologia tarjoaa uuden näkökulman monimutkaisiin signalointiprosesseihin nanoskaalassa ja tulee ratkaisemaan lukemattoman määrän biologisia ongelmia.

Ohjekirja Essex Super Six

kuv., 14 x 22 cm

Packard Super 8 ja "12" 1939

kuv., 14 x 21 cm

Packard Super 8 och "12" 1939

kuv., 14 x 21 cm

Hudson Super Six

kuv., 19 x 25 cm

1939 Chevrolet Super De Luxe ja Imperial voiteluohjeita

kuv., 18 x 12 cm

Microcracks and Vortices in Superconducting Thin Films

In this work, superconducting YBa₂ Cu₃O_6+x (YBCO) thin films have been studied with the experimental focus on the anisotropy of BaZrO₃ (BZO) doped YBCOthin films and the theoretical focus on modelling flux pinning by numerically solving Ginzburg- Landau equations. Also, the structural properties of undoped YBCO thin films grown on NdGaO₃ (NGO) and MgO substrates were investigated. The thin film samples were made by pulsed laser ablation on single crystal substrates. The structural properties of the thin films were characterized by X-ray diffraction and atomic force microscope measurements. The superconducting properties were investigated with a magnetometer and also with transport measurements in pulsed magnetic field up to 30 T. Flux pinning was modelled by restricting the value of the order parameter inside the columnar pinning sites and then solving the Ginzburg-Landau equations numerically with the restrictions in place. The computations were done with a parallel code on a supercomputer. The YBCO thin films were seen to develop microcracks when grown on NGO or MgO substrates. The microcrack formation was connected to the structure of the YBCO thin films in both cases. Additionally, the microcracks can be avoided by careful optimization of the deposition parameters and the film thickness. The BZO doping of the YBCO thin films was seen to decrease the effective electron mass anisotropy, which was seen by fitting the Blatter scaling to the angle dependence of the upper critical field. The Ginzburg-Landau simulations were able to reproduce the measured magnetic field dependence of the critical current density for BZO doped and undoped YBCO. The simulations showed that in addition to the large density also the large size of the BZO nanorods is a key factor behind the change in the power law behaviour between BZO doped and undoped YBCO. Additionally, the Ginzburg-Landau equations were solved for type I thin films where giant vortices were seen to appear depending on the film thickness. The simulations predicted that singly quantized vortices are stable in type I films up to quite large thicknesses and that the size of the vortices increases with decreasing film thickness, in a way that is similar to the behaviour of the interaction length of Pearl vortices.

Simulation of new p-type pixel strip detector with enhanced multiplication effect

This Master’s Thesis is dedicated to the simulation of new p-type pixel strip detector with enhanced multiplication effect. It is done for high-energy physics experiments upgrade such as Super Large Hadron Collider especially for Compact Muon Solenoid particle track silicon detectors. These detectors are used in very harsh radiation environment and should have good radiation hardness. The device engineering technology for developing more radiation hard particle detectors is used for minimizing the radiation degradation. New detector structure with enhanced multiplication effect is proposed in this work. There are studies of electric field and electric charge distribution of conventional and new p-type detector under reverse voltage bias and irradiation. Finally, the dependence of the anode current from the applied cathode reverse voltage bias under irradiation is obtained in this Thesis. For simulation Silvaco Technology Computer Aided Design software was used. Athena was used for creation of doping profiles and device structures and Atlas was used for getting electrical characteristics of the studied devices. The program codes for this software are represented in Appendixes.

Hyperfine interactions in the new Fe-based superconducting structures and related magnetic phases

This thesis is devoted to the study of the hyperfine properties in iron-based superconductors and the synthesis of these compounds and related phases. During this work polycrystalline chalcogenide samples with stoichiometry 1:1 (FeTe1-χSχ, FeSe1-x) and pnictide samples with stoichiometry 1:2:2 (BaFe2(As1-χPχ)2, EuFe2(As1-x Px)2) were synthesized by solid-state reaction methods in vacuum and in a protecting Ar atmosphere. In several cases post-annealing in oxygen atmosphere was employed. The purity and superconducting properties of the obtained samples were checked with X-ray diffraction, SQUID and resistivity measurements. For studies of the magnetic properties of the investigated samples Mössbauer spectroscopy was used. Using low-temperature measurements around Tc and various values of the source velocity the hyperfine interactions were obtained and the magnetic and structural properties in the normal and superconducting states could be studied. Mössbauer measurements together with XRD characterization were also used for the detection of impurity phases. DFT calculations were used for the theoretical study of Mössbauer parameters for pnictide-based ᴻsamples BaFe2(As1-xPx)2 and EuFe2(As1-xPx)2.

Modelling the super-equilibria in thermal biomass conversion : applications and limitations of the constrained free energy method

Bioenergi ses som en viktig del av det nu- och framtida sortimentet av inhemsk energi. Svartlut, bark och skogsavfall täcker mer än en femtedel av den inhemska energianvändningen. Produktionsanläggningar kan fungera ofullständigt och en mängd gas-, partikelutsläpp och tjära produceras samtidigt och kan leda till beläggningsbildning och korrosion. Orsaken till dessa problem är ofta obalans i processen: vissa föreningar anrikas i processen och superjämviktstillstånd är bildas. I denna doktorsavhandling presenteras en ny beräkningsmetod, med vilken man kan beskriva superjämviktstillståndet, de viktigaste kemiska reaktionerna, processens värmeproduktion och tillståndsstorheter samtidigt. Beräkningsmetoden grundar sig på en unik frienergimetod med bivillkor som har utvecklats vid VTT. Den här så kallade CFE-metoden har tidigare utnyttjats i pappers-, metall- och kemiindustrin. Applikationer för bioenergi, vilka är demonstrerade i doktorsavhandlingen, är ett nytt användingsområde för metoden. Studien visade att beräkningsmetoden är väl lämpad för högtemperaturenergiprocesser. Superjämviktstillstånden kan uppstå i dessa processer och det kemiska systemet kan definieras med några bivillkor. Typiska tillämpningar är förbränning av biomassa och svartlut, förgasning av biomassa och uppkomsten av kväveoxider. Också olika sätt att definiera superjämviktstillstånd presenterades i doktorsavhandlingen: empiriska konstanter, empiriska hastighetsuttryck eller reaktionsmekanismer kan användas. Resultaten av doktorsavhandlingen kan utnyttjas i framtiden i processplaneringen och i undersökning av nya tekniska lösningar för förgasning, förbränningsteknik och biobränslen. Den presenterade metoden är ett bra alternativ till de traditionella mekanistiska och fenomenmodeller och kombinerar de bästa delarna av både. --------------------------------------------------------------- Bioenergia on tärkeä osa nykyistä ja tulevaa kotimaista energiapalettia. Mustalipeä, kuori ja metsätähteet kattavat yli viidenneksen kotimaisesta energian kulutuksesta. Tuotantolaitokset eivät kuitenkaan aina toimi täydellisesti ja niiden prosesseissa syntyy erilaisia kaasu- ja hiukkaspäästöjä, tervoja sekä prosessilaitteita kuluttavia saostumia ja ruostumista. Usein syy näihin ongelmiin on prosessissa esiintyvä epätasapainotila: tietyt yhdisteet rikastuvat prosessissa ja muodostavat supertasapainotiloja. Väitöstyössä kehitettiin uusi laskentamenetelmä, jolla voidaan kuvata nämä supertasapainotilat, tärkeimmät niihin liittyvät kemialliset reaktiot, prosessin lämmöntuotanto ja tilansuureet yhtä aikaa. Laskentamenetelmä perustuu VTT:llä kehitettyyn ainutlaatuiseen rajoitettuun vapaaenergiamenetelmään. Tätä niin kutsuttua CFE-menetelmää on aiemmin sovelluttu onnistuneesti muun muassa paperi-, metalli- ja kemianteollisuudessa. Väitöstyössä esitetyt bioenergiasovellukset ovat uusi sovellusalue menetelmälle. Työ osoitti laskentatavan soveltuvan hyvin korkealämpöisiin energiatekniikan prosesseihin, joissa kemiallista systeemiä rajoittavia tekijöitä oli rajallinen määrä ja siten super-tasapainotila saattoi muodostua prosessin aikana. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat biomassan ja mustalipeän poltto, biomassan kaasutus ja typpioksidipäästöt. Työn aikana arvioitiin myös erilaisia tapoja määritellä super-tasapainojen muodostumista rajoittavat tekijät. Rajoitukset voitiin tehdä teollisiin mittauksiin pohjautuen, kokeellisia malleja hyödyntäen tai mekanistiseen reaktiokinetiikkaan perustuen. Tulevaisuudessa väitöstyön tuloksia voidaan hyödyntää prosessisuunnittelussa ja tutkittaessa uusia teknisiä ratkaisuja kaasutus- ja polttotekniikoissa sekä biopolttoaineiden tutkimuksessa. Kehitetty menetelmä tarjoaa hyvän vaihtoehdon perinteisille mekanistisille ja ilmiömalleille yhdistäen näiden parhaita puolia.