Study on the detection efficiency of gaseous photomultipliers

Efficient photon detection in gaseous photomultipliers require maximum photoelectron yield from the photocathode surface and also detection of them. In this work we have investigated the parameters that affect the photoelectron yield from the photocathode surface and methods to improve them thus ensuring high detection efficiency of the gaseous photomultiplier. The parameters studied are the electric field at the photocathode surface, surface properties of photocathode and pressure of gas mixture inside the gaseous photomultiplier. It was observed that optimized electric field at the photocathode ensures high detection efficiency. Lower pressure of filled gas increases the photoelectron yield from the photocathode surface but reduces the focusing probability of electrons inside the electron multiplier. Also evacuation for longer duration before gas filling increases the photoelectron yield.

Monte Carlo simulation of the neutron detection wall at RIBLL II in HIRFL-CSR

With the construction of the new Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou (RIBLL II) which connects the CSRm and the CSRe, an experimental setup for physics research is highly required. A large area neutron detection wall is the main part of the setup. This paper introduced the detection principle of the neutron detection wall and the Monte-Carlo simulation of its design under the environment of the Geant4 toolkit. We presented the final design with the optimized parameters and the performance of the wall.

A new technique for thermal neutron detection using pyroelectric ceramics

In this article a new technique for thermal neutron detection using pyroelectric ceramics is described. The detector system is basically constituted of a PZT (lead zirconate titanate) ceramic attached to an uranium disk. The energy released in the uranium fission gives rise to an electrical signal in the detector which is amplified by a lock-in system. The neutron beam impinging on the uranium disk was modulated with a cadmium chopper. Thermal neutron fluxes within the interval of 103 to 106 n/cm2 s have been detected using a U3O8 pellet with 20% enrichment in 235U. © 1992.

Detection efficiency of microchannel plates for e(-) and pi(-) in the momentum range from 17.5 to 345 MeV/c

High-energy e(-) and pi(-) were measured by the multichannel plate (MCP) detector at the PiM1 beam line of the High Intensity Proton Accelerator Facilities located at the Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland. The measurements provide the absolute detection efficiencies for these particles: 5.8% +/- 0.5% for electrons in the beam momenta range 17.5-300 MeV/c and 6.0% +/- 1.3% for pions in the beam momenta range 172-345 MeV/c. The pulse height distribution determined from the measurements is close to an exponential function with negative exponent, indicating that the particles penetrated the MCP material before producing the signal somewhere inside the channel. Low charge extraction and nominal gains of the MCP detector observed in this study are consistent with the proposed mechanism of the signal formation by penetrating radiation. A very similar MCP ion detector will be used in the Neutral Ion Mass (NIM) spectrometer designed for the JUICE mission of European Space Agency (ESA) to the Jupiter system, to perform measurements of the chemical composition of the Galilean moon exospheres. The detection efficiency for penetrating radiation determined in the present studies is important for the optimisation of the radiation shielding of the NIM detector against the high-rate and high-energy electrons trapped in Jupiter's magnetic field. Furthermore, the current studies indicate that MCP detectors can be useful to measure high-energy particle beams at high temporal resolution. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

Étude des collisions proton-proton dans l’expérience ATLAS avec les détecteurs ATLAS-MPX

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement.

Mesure des champs de radiation dans le détecteur ATLAS et sa caverne avec les détecteurs au silicium à pixels ATLAS-MPX

Les collisions proton-proton produites par le LHC imposent un environnement radiatif hostile au détecteur ATLAS. Afin de quantifier les effets de cet environnement sur la performance du détecteur et la sécurité du personnel, plusieurs simulations Monte Carlo ont été réalisées. Toutefois, la mesure directe est indispensable pour suivre les taux de radiation dans ATLAS et aussi pour vérifier les prédictions des simulations. À cette fin, seize détecteurs ATLAS-MPX ont été installés à différents endroits dans les zones expérimentale et technique d'ATLAS. Ils sont composés d'un détecteur au silicium à pixels appelé MPX dont la surface active est partiellement recouverte de convertisseurs de neutrons thermiques, lents et rapides. Les détecteurs ATLAS-MPX mesurent en temps réel les champs de radiation en enregistrant les traces des particules détectées sous forme d'images matricielles. L'analyse des images acquises permet d'identifier les types des particules détectées à partir des formes de leurs traces. Dans ce but, un logiciel de reconnaissance de formes appelé MAFalda a été conçu. Étant donné que les traces des particules fortement ionisantes sont influencées par le partage de charge entre pixels adjacents, un modèle semi-empirique décrivant cet effet a été développé. Grâce à ce modèle, l'énergie des particules fortement ionisantes peut être estimée à partir de la taille de leurs traces. Les convertisseurs de neutrons qui couvrent chaque détecteur ATLAS-MPX forment six régions différentes. L'efficacité de chaque région à détecter les neutrons thermiques, lents et rapides a été déterminée par des mesures d'étalonnage avec des sources connues. L'étude de la réponse des détecteurs ATLAS-MPX à la radiation produite par les collisions frontales de protons à 7TeV dans le centre de masse a montré que le nombre de traces enregistrées est proportionnel à la luminosité du LHC. Ce résultat permet d'utiliser les détecteurs ATLAS-MPX comme moniteurs de luminosité. La méthode proposée pour mesurer et étalonner la luminosité absolue avec ces détecteurs est celle de van der Meer qui est basée sur les paramètres des faisceaux du LHC. Vu la corrélation entre la réponse des détecteurs ATLAS-MPX et la luminosité, les taux de radiation mesurés sont exprimés en termes de fluences de différents types de particules par unité de luminosité intégrée. Un écart significatif a été obtenu en comparant ces fluences avec celles prédites par GCALOR qui est l'une des simulations Monte Carlo du détecteur ATLAS. Par ailleurs, les mesures effectuées après l'arrêt des collisions proton-proton ont montré que les détecteurs ATLAS-MPX permettent d'observer la désintégration des isotopes radioactifs générés au cours des collisions. L'activation résiduelle des matériaux d'ATLAS peut être mesurée avec ces détecteurs grâce à un étalonnage en équivalent de dose ambiant.

Ground state properties of neutron-rich Mg isotopes

Studies in regions of the nuclear chart in which the model predictions of properties of nuclei fail can bring a better understanding of the strong interaction in the nuclear medium. To such regions belongs the so called "island of inversion" centered around Ne, Na and Mg isotopes with 20 neutrons in which unexpected ground-state spins, large deformations and dense low-energy spectra appear. This is a strong argument that the magic N = 20 is not a closed shell in this area. In this thesis investigations of isotope shifts of stable 24,25,26Mg, as well as spins and magnetic moments of short-lived 29,31Mg are presented. The successful studies were performed at the ISOLDE facility at CERN using collinear laser and beta-NMR spectroscopy techniques. The isotopes were investigated as single-charged ions in the 280-nm transition from the atomic ground state 2S1/2 to one of the two lowest excited states 2P1/2,3/2 using continuous wave laser beams. The isotope-shift measurements with fluorescence detection for the three stable isotopes show that it is feasible to perform the same studies on radioactive Mg isotopes up to the "island of inversion". This will allow to determine differences in the mean charge square radii and interpret them in terms of deformation. The high detection efficiency for beta particles and optical pumping close to saturation allowed to obtain very good beta-asymmetry signals for 29Mg and 31Mg with half-lives around 1 s and production yields about 10^5 ions/s. For this purpose the ions were implanted into a host crystal lattice. Such detection of the atomic resonances revealed their hyperfine structure, which gives the sign and a first estimate of the value of the magnetic moment. The nuclear magnetic resonance gave also their g-factors with the relative uncertainty smaller than 0.2 %. By combining the two techniques also the nuclear spin of both isotopes could be unambiguously determined. The measured spins and g-factors show that 29Mg with 17 neutrons lies outside the "island of inversion". On the other hand, 31Mg with 19 neutrons has an unexpected ground-state spin which can be explained only by promoting at least two neutrons across the N = 20 shell gap. This places the above nucleus inside the "island". However, modern shell-model approaches cannot predict this level as the ground state but only as one of the low-lying states, even though they reproduce very well the experimental g-factor. This indicates that modifications to the available interactions are required. Future measurements include isotope shift measurements on radioactive Mg isotopes and beta-NMR studies on 33Mg.

Fiber-optic integration and efficient detection schemes for optomechanical resonators

With the advent of the laser in the year 1960, the field of optics experienced a renaissance from what was considered to be a dull, solved subject to an active area of development, with applications and discoveries which are yet to be exhausted 55 years later. Light is now nearly ubiquitous not only in cutting-edge research in physics, chemistry, and biology, but also in modern technology and infrastructure. One quality of light, that of the imparted radiation pressure force upon reflection from an object, has attracted intense interest from researchers seeking to precisely monitor and control the motional degrees of freedom of an object using light. These optomechanical interactions have inspired myriad proposals, ranging from quantum memories and transducers in quantum information networks to precision metrology of classical forces. Alongside advances in micro- and nano-fabrication, the burgeoning field of optomechanics has yielded a class of highly engineered systems designed to produce strong interactions between light and motion.

Optomechanical crystals are one such system in which the patterning of periodic holes in thin dielectric films traps both light and sound waves to a micro-scale volume. These devices feature strong radiation pressure coupling between high-quality optical cavity modes and internal nanomechanical resonances. Whether for applications in the quantum or classical domain, the utility of optomechanical crystals hinges on the degree to which light radiating from the device, having interacted with mechanical motion, can be collected and detected in an experimental apparatus consisting of conventional optical components such as lenses and optical fibers. While several efficient methods of optical coupling exist to meet this task, most are unsuitable for the cryogenic or vacuum integration required for many applications. The first portion of this dissertation will detail the development of robust and efficient methods of optically coupling optomechanical resonators to optical fibers, with an emphasis on fabrication processes and optical characterization.

I will then proceed to describe a few experiments enabled by the fiber couplers. The first studies the performance of an optomechanical resonator as a precise sensor for continuous position measurement. The sensitivity of the measurement, limited by the detection efficiency of intracavity photons, is compared to the standard quantum limit imposed by the quantum properties of the laser probe light. The added noise of the measurement is seen to fall within a factor of 3 of the standard quantum limit, representing an order of magnitude improvement over previous experiments utilizing optomechanical crystals, and matching the performance of similar measurements in the microwave domain.

The next experiment uses single photon counting to detect individual phonon emission and absorption events within the nanomechanical oscillator. The scattering of laser light from mechanical motion produces correlated photon-phonon pairs, and detection of the emitted photon corresponds to an effective phonon counting scheme. In the process of scattering, the coherence properties of the mechanical oscillation are mapped onto the reflected light. Intensity interferometry of the reflected light then allows measurement of the temporal coherence of the acoustic field. These correlations are measured for a range of experimental conditions, including the optomechanical amplification of the mechanics to a self-oscillation regime, and comparisons are drawn to a laser system for phonons. Finally, prospects for using phonon counting and intensity interferometry to produce non-classical mechanical states are detailed following recent proposals in literature.

Characteristics of a 4-fold segmented clover detectore

Four high-purity germanium 4-fold segmented Clover detectors have been applied in the experiment of neutron-rich nucleus N-21. The performance of those, four Clovers have been tested with radioactive sources and in-beam experiments and the main results including energy resolution, peak-to-total ratios, the variation of the hit pattern distribution in difficult crystals of one Clover detector with the energy of gamma ray, and absolute full energy peak detection efficiency curve, were presented.

Monte Carlo studies of micromegas as a neutron detector and its track reconstruction

In this paper a two dimensional readout micromegas detector with a polyethylene foil as converter was simulated on GEANT4 toolkit and GARFIELD for fast neutron detection. A new track reconstruction method based on time coincidence technology was developed in the simulation to obtain the incident neutron position. The results showed that with this reconstruction method higher spatial resolution was achieved.