FEJLESZTÉSEK A CMS MÜONDETEKTORAINAK HELYZETÉRZÉKELŐ RENDSZERÉHEZ

Molnár József, Fenyvesi András
MTA ATOMKI, Debrecen

A CERN CMS elnevezésű nemzetközi együttműködése keretében az MTA ATOMKI, a Debreceni Egyetem Kísérleti Fizikai Intézete, továbbá az MTA KFKI RMKI kutatói, mérnökei, doktoranduszai és hallgatói több éve fejlesztéseket, valamint sugárkárosodási vizsgálatokat is végeznek a CMS müondetektorainak helyzetérzékelő rendszeréhez. A sugárkárosodási vizsgálataink egy része hozzájárult azoknak a tömegtároló elektronikáknak a kifejlesztéséhez is, amelyeket a Swedish Space Corporation (SSC) gyártott az Európai Űrügynökség (ESA) 2003. szeptember 27-én felbocsátott ionhajtóműves holdkutató SMART-1 műholdjához.

A munkákban résztvevők névsora az irodalomjegyzékben felsorolt közlemények [1-4] szerzőinek nevéből áll össze. Cikkünkben előbb magyarázatot adunk a leggyakrabban előforduló rövidítésekre (LHC, CMS, MAB), majd néhány eredményről is beszámolunk.

Az LHC, a CMS, a MAB rövidítések jelentése

A CERN LHC (Large Hadron Collider, Nagy Hadronütköztető) gyorsítójának csaknem 27 km kerületű kör alakú alagútjában az egymás mellett kiépített két gyorsítócsőben két nyaláb halad egymással szemben, melyek 0,53 A átlagos elektromos áramerősséggel egyenértékűek. Mindkét nyaláb 2835 részecskecsomagból (bunch) áll, melyek között 7,5 m a "követési" távolság. Minden csomag 10¹¹ részecskét (7 TeV energiájú protonokat, vagy nehézionokat) tartalmaz, melyek közel fénysebességgel haladnak. A csomagok megformázása, majd a nyalábvezetés során arra törekednek, hogy a csomagokban a részecskesűrűség térbeli eloszlása lehetőleg mindvégig háromdimenziós Gauss-eloszlású legyen. A nyalábcsatornák az egyes kísérletek helyszínein keresztezik egymást. Igen pontos irányzás és időzítés szükséges ahhoz, hogy a szembehaladó csomagok áthaladhassanak egymáson. Ilyen esemény másodpercenként 4 x 10⁷ alkalommal (25 ns-onként) történik meg, vagyis a kereszteződési frekvencia 40 MHz. A csomagok egymáson való áthaladása során a részecskéknek csak egy kis hányada ütközik egymással, ám az egyes kölcsönhatások során végbemenő folyamatokban nagyszámú részecske keletkezhet az igen nagy tömegközépponti energia miatt (protonok esetén 14 TeV, Pb-ionok esetén 1250 TeV). A kölcsönhatások fizikai folyamataira a kölcsönhatási pontba beérkező és az onnan távozó részecskék állapotából kell következtetni.

A feladat nem csupán elemirészecske-fizikai szempontból jelent óriási kihívást az LHC kísérletek (ATLAS, ALICE, CMS, LHCb, TOTEM) esetén. Az értékes események kinyerése és leírása érdekében hatalmas adatmennyiséget kell feldolgozni, amihez példátlan mértékű információtechnológiai erőforrás szükséges. Már a legalapvetőbb információnak, vagyis az események idejének és a helyzetének a meghatározása is igen komoly feladatot jelent, hiszen például a CMS-kísérletben a protonok esetén az üközési gyakoriság 10⁹ s^-1, és az ütközési pontokat legalább 20 m-es pontossággal kell lokalizálni. Ugyanakkor az LHC-nek és az egyes kísérletek detektorrendszereinek a térbeli alakja állandóan változik. Alakváltozást okozhatnak a hőtágulási folyamatok, az elektromágnesek környezetében fellépő erők, a szeizmikus mozgások, sőt a Jura-hegységben és a Genfi-tóban előforduló tömegátrendeződések (havazás-olvadás, vízszintváltozás stb.) okozta gravitációs hatások is.

A CMS mozaikszó a Compact Muon Solenoid elnevezés rövidítése. A név egyrészt tükrözi azt, hogy amikor müonok detektálhatók, akkor részecskefizikai szempontból is érdekes kölcsönhatás (esemény) történt, és ezért a detektorrendszer által adott jeleket érdemes további részletes feldolgozásnak alávetni és eltárolni, ha megfelelnek a szűrési kritériumoknak is. A szűrés fontosságát mutatja az, hogy a 7 TeV-es protonok 10⁹ s^-1 üközési gyakorisága esetén a szűrés után még mindig ~10³ s^-1az érdekes események gyakorisága. Másrészt a név tükrözi azt is, hogy a töltött részecskék eltérítésére szolgáló mágneses mezőt egy szolenoid állítja elő. A kompakt szó pedig onnan ered, hogy a szolenoidból kilépő indukcióvonalak mintegy 1,5 m vastag tömör vassal egyenértékű és telítésig felmágneseződő vasszerkezettel kitöltött térfogaton keresztül fordulnak vissza, hogy a szolenoid belsejében azután záródhassanak. A mintegy 21 m hosszú, csaknem 16 m átmérőjű és 12 500 tonna össztömegű CMS kompaktsága természetesen viszonylagos. A berendezés mágneses mezőjének kialakításához a világ eddigi legnagyobb szolenoidmágnesét kellett megépíteni. A 13 m hosszú és 5,9 m belső átmérőjű szolenoid szupravezető tekercs 4 tesla erősségű mágneses mező létrehozására képes. Ez a Föld felszínén mérhető mágneses térnél mintegy 100000-szer erősebb, és a benne tárolt energia 18 tonna szilárd arany megolvasztására lenne elegendő.

A szolenoidmágnes igen erős mezőjében működő rendszerek ráadásul intenzív sugárzási környezetnek is ki lesznek téve, melyben még a 10 GeV energiájú részecskék fluxusa is számottevő. A 15 millió detektorcsatornát tartalmazó CMS kompaktsága egyben bonyolult struktúrát is jelent. A karbantartás és a javítás lehetőségei nagyon korlátozottak, noha a CMS-t 7 db, még egyenként is hatalmas részegységre lehet széthúzni, melyek mindegyike sínen gördíthető. Általános elvárás az, hogy a beépített komponensek legtöbbje legalább az LHC tervezett életidejének végéig, vagyis minimum 10 esztendőn át megbízhatóan működjön. (A CMS detektorrendszer részletes felépítése a http://cmsinfo.cern.ch webcímen tanulmányozható.)

A CMS detektorrendszerének legkülső rétegét a müonok detektálására szolgáló, négy rétegben elrendezett detektorok alkotják (ld. http://cmsinfo.cern.ch). Mindegyik réteg henger alakú és két véglappal ellátott, vagyis hordóhoz hasonló elrendezésben teljesen körbeveszi a nyalábkereszteződési pontot. Adatgyűjtési és vezérlési szempontok miatt a hordók palástját (barrel) alkotó lapos téglatest alakú detektorok, valamint a véglapokat (end-cap) alkotó detektorok külön-külön rendszereket alkotnak.

Mindhárom csoporthoz tartozik egy-egy, a detektorok helyzetét és irányzását (alignment) monitorizáló, nagy pontosságú opto-elektromechanikai alrendszer (pl. a barrel müondetektorai esetén 75 m-es pontosságú helyzetadatokat várnak el). Ez a három alrendszer egy rendszerbe szerveződik. Az így összeálló rendszert egy ugyancsak opto-elektromechanikai rendszer közvetítésével szinkronizálják a CMS szolenoidján belül található nyomkövető detektorrendszer (tracker) saját hasonló feladatokat ellátó rendszerével. Ezen rendszerek adatai együttesen írják le az egyes időtartamokra vonatkozóan a CMS időben állandóan változó "belső" elrendezését. Az események helyzetének megadása érdekében természetesen szükség van még a szintén állandóan változó "külső" vonatkoztatási rendszert leíró adatokra is. A két idősor alapján már meghatározhatók az események helykoordinátái egy olyan "globális" vonatkoztatási rendszerben, amelyet egy referencia időpontra vonatkozóan definiálnak.

A CMS-kollaboráción belül a MAB (Module for the Alignment of the Barrel) mozaikszóval rövidítik a palástban levő müondetektorok helyzetét és irányzását monitorizáló nagy pontosságú opto-elektromechanikai alrendszer (BAM: Barrel Alignment Monitor) moduljait. A továbbiakban mi is a MAB rövidítést használjuk.

A MAB-ok optikai-elektronikai elemeinek fejlesztését, kivitelezését és üzemeltetését az MTA ATOMKI, a Debreceni Egyetem Kísérleti Fizikai Intézete, valamint az MTA KFKI RMKI kutatói, mérnökei, doktoranduszai és hallgatói végzik. Az 1. ábra szemlélteti a MAB-okat és elhelyezkedésüket a CMS egységei között.

1. ábra. A MAB-ok (balra) és elhelyezkedésük a CMS egységei között (jobbra)

A müondetektorokra felszerelt optikai villák LED fényforrásokat tartalmaznak. Az összesen mintegy 10000 db LED működését a müonkamrák intelligens Minicrate moduljain keresztül a CMS Slow Control egysége vezérli. Az éppen világító LED-ek által kialakított mintázat is hordoz információt.

A LED-eket CCD videokamerák (mintegy 700 db, az 1. ábrán a Mu Cam, Diag Cam és Z Cam jelű egységek) érzékelik, amelyek speciáhs rácsos tartószerkezetekre vannak felerősítve. Mindegyik rácsos tartó nagy szilárdságú és igen kis hőtágulású kompozit anyagból készült és egy-egy gömbcsuklóval kapcsolódik a müondetektorokat is tartó vasszerkezetekhez (Barrel Wheel) a közöttük lévő síkokban. Az egy vasszerkezetre rögzített tartók egymással is össze vannak kötve. A tartókon további érzékelők hőmérséklet-, dőlés-, közeledés- és lézerszenzorok is vannak (az 1. ábrán a közelítésérzékelő, az alsó 2D-érzékelő, a felső 2D-érzékelő és a 2D-érzékelő jelű egységek).

Az érzékelők jeleit PC-104 szabványú Board Computer dolgozza fel, majd az analízis eredményét továbbítja a CMS hierarchizált vezérlő (Detector Control System) és adatgyűjtő (Distributed Information Manager) HW/SW rendszere felé. A rendszer illesztőmodulokat, hozzájuk csatlakozó érzékelőket és aktuátorokat is tartalmaz. Ugyanakkor bizonyos tartalékkal is rendelkezik további, előre nem látott méréstechnikai igények kielégítésére is. A 2. ábra szemlélteti a MAB-ok rendszertechnikai felépítését.

Az aktívpixel-szenzoros, monokróm videokamerák jele multiplexeren át jut a Frame Locker képdigitalizáló modulba. Az eltárolt kép analízisét - például gamma-korrekció, centroidszámítás, reflexióelnyomás - Linux platformon futó felhasználói célprogramok végzik. Az aktuátorok, esetünkben az úgynevezett Z-bar és MAB LED-ek, valamint a dőlésmérő és lézerszenzor vezérlésére a lokálisan kiépített I²C buszrendszer szolgál. Az egyes Board Computerek hálózatba integrálására a CMS szoftverintegrációs csoport standard HW/SW ajánlásait és eszközeit fogadtuk el. A kommunikáció 10/100 Ethernet-alapú, UTP/Fiber Optics kábelekkel, és HUB-koncentrátorokkal megvalósított lokális hálózatra épül. A kliens/szerverprogramok az alkalmazott hálózati protokoll (DIM) és a felhasználói modul (PVSS) szabványosított CMS szoftverelemek. A szoftverek rendszertechnikai felépítését a 3. ábra mutatja.

Megemlítendő még, hogy a MAB-ok elemeinek legtöbbje a szolenoid mágnest körülvevő vasszerkezet átlagosan 2 tesla erősségű mezőjében és ugyanakkor a nagyenergiájú részecskéket is tartalmazó sugárzási környezetben működik majd.

2. ábra. A MAB-elektronikák rendszere

Az előzetes optikai tesztek során a müonkamrák egyik oldalára felszereltük az optikai villákat, és megvizsgáltuk, hogy kameráink milyen minőségben érzékelik a világító LED-eket. Méréseinket rögzítettük, mivel a felvett képek alkalmasak az alignment passage falán fellépő reflexió kiszűrésére tervezett algoritmus tesztelésére is. A müonkamrák és az optikai villák együttes kalibrációja során végzett előzetes méréseink alapján döntöttünk a végleges eszközökről és ezek geometriájáról. Ennek megfelelően a müonkamrák kalibrációja során két kamerával folyamatosan ellenőrizzük a már bemért pozíciójú optikai pad esetleges elmozdulását. A kamerákat ellátjuk fotogrammetrikus, valamint lézer-interferometriás pozíciómérésre szolgáló speciális targetekkel. A kamerák helyzetének, valamint a belső paramétereik - nagyítás, a szenzor orientációja - meghatározásához egyegy segédpanel kerül felszerelésre. Ezek a panelek az előbb említett targeteken kívül olyan száloptikai elemeket is tartalmaznak, amelyek helyzetét 10 m pontossággal határozhatjuk meg. A kalibrációs pad hitelesítésekor először lézer-interferometriás módszerrel megmérjük a fent említett panelek relatív helyzetét, majd a száloptikai elemek segítségével a meghatározzuk kamerák belső paramétereit. A müonkamrák kalibrációjához a kamrákon található úgynevezett Corner Blockok helyzetét határozzuk meg a kamerákat tartó panelek pozíciójához képest fotogrammetriás módszerrel. Így a végleges müondetektor alignment rendszerben az előre kalibrált optikai villák pozíciója a müonkamrák Corner Blockjainak koordinátarendszerében ugyancsak mérhetővé válik.

3. ábra. A Board Computer szoftverének rendszertechnikai felépítése

A légkörben és a világűrben működő rendszerek, valamint a nukleáris energetikai rendszerek fejlesztői évtizedek óta végeznek sugárkárosodási vizsgálatokat és elméleti kutatásokat. Az alapelvek és a kidolgozott módszerek az LHC kísérleteknél felmerülő problémák megoldása során is alkalmazhatók.

Az átlagosan 100 m mélyen a földfelszín alatt üzemelő CMS sugárzási környezete gyakorlatilag csak a nyalábok ütköztetése során keletkező részecskéket és az általuk a CMS-ben keltett záporok részecskéit tartalmazza. A szimulációk szerint a MAB-ok elemeiben keltett záporok döntően -fotonokat, elektronokat és pozitronokat, továbbá neutronokat, protonokat, atommag-fragmentumokat és meglökött atommagokat (nehézionok) tartalmaznak majd. A zápor részecskéi a dx úthosszon dE energiát adnak át a közegnek különböző kölcsönhatások során. Az energiaátadást a LET dE/dx mennyiséggel szokás jellemezni (a LET a Linear Energy Transfer angol kifejezés rövidítése). A részecske energiaveszteségének azon részét, amely nem ionizációra fordítódik, hanem jelentős részben atomkilökődéseket eredményez (különböző szórási folyamatok, például Rutherford-szórás révén), a NIEL-lel jellemzik (NIEL: Non-Ionisation Energy Loss). A töltött hadronok és a meglökött atommagok esetén az energia csökkenésével az ionizációs energiaveszteség (IEL: Ionisation Energy Loss) növekszik a részecske pályája mentén, majd a pálya végén maximumot ér el, és utána hirtelen lecsökken (Bragg-görbe).

A közegnek átadott energia disszipálódása során az elektronszerkezet és a rácsszerkezet egyaránt gerjesztődhet. Részecskék (elektronok, lyukak, meglökött atomok, vakanciák, interstíciós atomok), kvázirészecskék (excitonok, fononok stb.), továbbá ezek kölcsönható komplexumai (elektron-lyuk párok, vakancia-interstíciós ún. Frenkel-párok stb.) jelennek meg a károsodott térfogatban. Az energia-sávszerkezet vezetési sávjában megnőhet az elektronok száma, a vegyértéksávban és a többi mélyebben levő sávokban lyukak, a tiltott sávokban pedig donor- és akceptor-szintek jelenhetnek meg. A gerjesztések számát és a pálya menti térbeli eloszlásukat a beérkező részecske típusa, energiája, LET-je valamint NIEL-je határozza meg, míg a keletkezésük sebessége a beérkező részecskefluxustól (dózisteljesítménytől) függ. A különböző aktiválási energiákkal és időállandókkal jellemezhető rekombinációs folyamatok a keltett gerjesztések, hibák eltűnését, átalakulását, komplex hibák és klaszterek kialakulását is eredményezhetik. A csapdahelyek számának időbeli változása miatt rendszerint a töltéshordozók szabad úthossza is változik az időben.

Az említett folyamatok következtében mind a besugárzás időtartama alatt, mind pedig azt követően időben változhatnak a makroszkopikus szinten mérhető mennyiségek is: rugalmassági jellemzők, mechanikai feszültségek, szakítószilárdság, hő- és elektromos vezetőképesség, átütési szilárdság, dielektromos állandó, mágneses jellemzők, szín, az optikai törésmutató és transzmisszió hullámhosszfüggése stb. Mindezek miatt megváltozhatnak a sugárkárosodott struktúrákból álló rendszerek funkciói is. (Az elektronikai és optoelektronikai eszközök működésében számos sugárkárosodási hatás figyelhető meg, melyek közül a legfontosabbakat a táblázat mutatja.)

4. ábra. A szintetikus kvarc/Loctite 15 8350 16992 ragasztó/szintetikus kvarcszerkezet transzmissziója csökken a hullámhossz függvényében a sugárzás hatására - p(18 MeV) + Be forrásból származó neutronok 1,6 x 10⁹ cm^-2s^-1 fluxusa és 5 x 10¹⁴ cm^-2 fluense.

Példaként tekintsük a bipoláris tranzisztorok esetét. A sugárkárosodás során az atomkilökődések miatt megváltozik az emitteráram erősítési tényező és a változásra érvényes a Messenger-Spratt-egyenlet:

Ebben az egyenletben a besugárzás előtti emitteráram erősítési tényező, a besugárzás utáni emitteráram erősítési tényező, f_T a tranzisztor emitteráram erősítésének és sávszélességének a szorzata, az úgynevezett 1 MeV ekvivalens neutronfluens, a PNP típusú tranzisztorok esetén , míg az NPN típusú tranzisztorok esetén .

Az egyenletben szereplő 1 MeV ekvivalens neutronfluens kifejezés bővebb magyarázatot igényel. A sugárkárosodási folyamatok jó része esetén a makroszkopikusan mérhető paraméterek megváltozása az atomkilökődések számától függ. Az atomkilökődések száma széles energiatartományban arányos az azokat keltő E_r energiájú részecskék NIEL_r(E_r) értékével. A NIEL ismeretében tehát lehetőség van a különböző részecskék okozta hatások összevetésére. Referenciaként az 1 MeV energiájú neutronokat szokás választani (pl. szilícium esetén NIEL_n(E_n = 1 MeV) = 95 MeV mb). A NIEL-skálázás során azt számoljuk ki, hogy az En = 1 MeV energiájú neutronok mely fluense keltene ugyanannyi atomkilökődést a közegben, mint amennyit az adott E_r energiájú részecske (E_r) fluense keltett az adott közegben:

A az adott részecskesugárzás "keménységi" paramétere. Ha a részecskék energiája nem azonos, akkor természetesen a spektrumra átlagolt NIEL_r érték használandó.

Több részecskét is tartalmazó kevert mezők esetén a helyzet valamivel tovább bonyolódik. Magfizikai okok miatt a neutronforrások mellett végzett sugárzástűrési tesztek során valójában mindig kevert neutron-gammatereket használunk. A tesztek során a detektált hibák egy részéért a neutronok okozta atomkilökődésektől származó ionizációs hatások, valamint szerkezeti változások, míg másik részükért pedig a neutronokat kísérő gamma-fotonok által okozott ionizációs hatások a felelősek. A hibák nagy része (de általában nem mind) hőkezeléssel megszüntethető, és sok esetben már szobahőmérsékleten is észlelhető bizonyos mértékű rekombináció. Az áttekintés után lássunk néhány konkrét és érdekes példát is a sugárkárosodás miatt bekövetkező változásokra.

A MAB-okban használt videokamerák optikai lencséinek kiválasztása során megvizsgáltuk néhány ragasztott optikai szerkezet sugárkárosodását. A sugárkárosodás következtében keletkező színcentrumok megváltoztathatják az üveg transzmissziójának hullámhosszfüggését. A ragasztásra használandó polimerek láncai a sugárkárosodás hatására felhasadhatnak, valamint újabb, a transzmissziót károsan befolyásoló kémiai kötések is létrejöhetnek. Vizsgálataink során néhány gyakran használt optikai anyag (Zerodur, BK7, BK7-B18, öntött természetes kvarc és öntött szintetikus kvarc), ragasztó (Epotecny NOA61, LOCTITE 15 8350 16992) valamint üveg-ragasztó-üvegstruktúrák összehasonlítását végeztük el a spanyolországi CIEMAT (Madrid) és a CSIC-Universidad de Cantabria egy-egy csoportjával együttműködve.

A ⁶⁰Co gamma-fotonokkal 3 kGy/h dózisteljesítmény mellett végzett tesztek azt mutatták, hogy 100 kGy dózis esetén a BK7-B18 jelzésű optikai üveg, valamint az optikai fokozatú szintetikus kvarcüveg transzmissziójának megváltozása legfeljebb 7%, míg p(18 MeV) + Be forrásból eredő neutronok (a spektrumra átlagolt "keménységi" paraméter fluxusa és 5 x 10¹⁴ cm^-2 fluense esetén legfeljebb 2% az 500-850 nm hullámhossz-tartományban. A másik három anyag transzmissziójának csökkenése p(18 MeV) + Be forrásból származó neutronok esetén nem haladta meg a 10%-ot, noha a gamma-sugárzás hatására majdnem 100% volt a transzmisszó csökkenése. Ez arra utal, hogy döntően ionizációs hatások (TID-effektusok) okozzák a transzmisszió megváltozását. A vizsgált üveg-ragasztó-üveg-struktúrák esetén a ragasztók sugárkárosodásából eredő csökkenés néhány százalék mértékű a neutronbesugárzás során (4. ábra).

A müondetektorokra szerelt optikai villákhoz pontszerű LED-eket (FH1001, gyártó: Stanley Electric C., Ltd.) választottak ki, amelyek a = 660 nm hullámhossz környékén bocsátanak ki fényt. A p(18 MeV) + Be forrásból eredő neutronokkal végzett sugárzástűrési teszt során a LED-eket neutronfluensig sugároztuk be. Az elektromos paraméterek és a kibocsátott fény optikai spektruma gyakorlatilag változatlanok maradtak a besugárzások során. Ugyanakkor a fényhozam viszont a fluens növekedésével csökkent (5. ábra), de a csökkenés mértéke gyakorlatilag nem függött attól, hogy az elektromos feszültség rá volt-e adva a fényforrásokra, vagy sem.

5. ábra. LED fényhozamának változása a neutronfluens függvényében - LED: FH1001, Stanley Electric C., Ltd.; = 660 nm; p(18 MeV) + Be forrásból származó neutronok.

A MAB-ok videokameráiban kompakt videoérzékelő chipeket alkalmazunk. A megfelelő elem kiválasztása céljából végzett tesztek során megvizsgáltuk a VISION által gyártott VM5402 CMOS videoérzékelőt is, amelynek fényérzékeny felülete 388 x 295 db egyenként 12 x 12 m² méretű pixelből áll.

Az első besugárzások az ATOMKI-ban történtek p(18 MeV) + Be forrásból kilépő neutronokkal. A fényelnyelő fekete bevonattal teljesen leárnyékolt képérzékelő chipeket a kiolvasó elektronikájukkal együtt sugároztuk be. A besugárzások ideje alatt a másodpercenként beérkező 50 félképet videoszalagra rögzítettük. A visszajátszás során a képek a várakozással ellentétben nem voltak teljesen feketék, hanem világos pontokat és esetenként szakaszokat tartalmaztak (6. ábra). A MAB-alkalmazás esetén ezek nyilvánvalóan nemkívánatosak, hiszen zavarhatják a LED-eknek megfelelő fénypontok súlypontjának meghatározását. A képkiértékelő algoritmusnak ezt a zavaró effektust ezért figyelembe kell vennie.

A kapott képek azt tükrözik, hogy mely pixelek térfogatában generálódott töltés. Ezeket a töltéseket azonban nem a beérkező fény keltette, hiszen fény elleni árnyékolást használtunk. A különböző elektronikus és termikus zajok által keltett töltések csak a nem teljesen fekete háttérre adhatnak magyarázatot. A fénypontokért és a vonalakért ily módon csakis a bombázó részecskék, az általuk meglökött atommagok, valamint a kiváltott magreakciók végtermékei lehetnek a felelősek. A szakaszok mentén mért intenzitás eloszlásának részletes és kvantitatív analízise megmutatta, hogy a szakaszok végpontjainak környezetében levő pixelekben keletkezett a legtöbb töltés. Ez nagyon hasonlít a nehéz töltött részecskék pálya menti energialeadását leíró Bragg-görbe jellegéhez. A videoérzékelő tehát részecskék detektálására is alkalmas.

Felmerül a kérdés, hogy vajon lehetséges-e a vonal menti intenzitáseloszlások mérésének útján a részecskék típusának azonosítása is. Ha a válasz igen, akkor a MAB-ok esetén zavarónak számító mintázatok értékessé válhatnak a részecskedetektorok fejlesztői számára. A kérdés tisztázása érdekében szisztematikus vizsgálatokat kezdtünk a The Svedberg Laboratóriumban (TSL, Uppsala, Svédország) különböző energiájú protonokkal, alfa-részecskékkel, valamint szén- és szilícium-ionokkal. Az eddigi eredmények azt mutatják, hogy CMOS videoérzékelőkkel valóban lehetséges a részecskék azonosítása is, sőt bizonyos esetekben az intenzitásuk meghatározása is. Mindezek valamint a CMOS videoérzékelők nagy térbeli feloldása (< 100 m) érdekes új alkalmazási lehetőségeket csillantanak fel (dozimetria, radiográfia stb.).

Az LHC-kísérletekhez, így a CMS MAB-okhoz szükséges elektronikák fejlesztése során szükség volt arra is, hogy különböző típusú memóriák sugárzástűrését tanulmányozzuk. A tesztekhez kifejlesztettünk egy elektronikát és a szükséges szoftvert [5].

A besugárzás alatt a vizsgálandó memória címeire 8 bit hosszú "bitmintázatokat" írunk be, majd bizonyos idő múlva visszaolvassuk azokat. A logikai 0 és a logikai 1 állapot eltérő mennyiségű töltéseknek felelnek meg. A bitmintázatokat úgy célszerű kiválasztani, hogy az egyes töltéscsomagok lehető legnagyobb fizikai szeparációját lehessen megvalósítani. A 01010101 (hexadecimális írásmódban 55H) vagy a 10101010 (hexadecimális írásmódban AAH) mintázatok használata akkor célszerű, amikor az adott címhez tartozó, egymás mellett levő biteket fizikailag megvalósító szerkezetek topológiailag is egymás mellett vannak a chip aktív vékonyrétegében.

A teszt dinamikus fázisában az adott memóriára jellemző írás-olvasási ciklusnak megfelelő idők alatt 10 beírás-kiolvasást hajtunk végre egymásután ugyanarra a helyre úgy, hogy a töltéstárolás ideje a lehető legkisebb legyen. Ha a beírt és a visszaolvasott bitminták eltérőek, az arra utal, hogy az írást és olvasást végző áramköröket megvalósító elemek valamelyike időközben sugárkárosodást szenvedett el.

A statikus tesztek során a beírt információt 1 perces tárolási idő után olvassuk vissza. Ily módon van esély arra, hogy néhány elemi tárolóhely esetén az ott tárolt töltésmennyiség annyira megváltozzon a tárolási idő alatt a szerkezeten áthaladó bombázó részecske által keltett töltések (elektronok és lyukak) hatására, hogy a bit értéke is megváltozzon. A statikus tesztek során detektált hibák a következő beírás-tárolás-kiolvasás ciklus után általában nem jelentkeznek újra. Ha mégis ismételten hibát detektálunk egy adott logikai cím valamely bitje esetén, akkor az már az adott bitnek megfelelő tényleges tárolószerkezet tartós károsodását tükrözi.

6. ábra. Egy tipikus kép, melyet a fénytől teljesen leárnyékolt VM5402 CMOS videoérzékelőből olvastunk ki a besugárzás ideje alatt. A fényes pontok a kép síkjára merőlegesen érkező bombázó részecske által meglökött atommagoknak felelnek meg. A 2,4 mm hosszú szakasz egy magreakció két végtermékétől származik, melyek az érzékelő síkjában haladtak. A szakasz két fényes végpontja között a vonal mentén mért fényintenzitást mutatja az ábra jobb oldala. A részecskék a pályáik végén levő pixelekben keltették a legtöbb töltést (Bragg-görbe jelleg).

7. ábra. Egy DRAM SEU-hatáskeresztmetszete () az E_p protonenergia függvényében (DRAM: SAMSUNG KM48V8104CS-6 8Mx8bit CMOS).

Az elmúlt években több SRAM-ot, DRAM-ot és FIFO-t vizsgáltunk, melyeket különböző technológiákkal (CMOS, SOI CMOS, SOS CMOS stb.) gyártottak. Az eszközök között voltak kereskedelmi célokra gyártott, olcsó tömegtermékek, sugárzástűrő IC-k, továbbá besugárzással "keményített" speciális és ezért elég drága típusok is. A tesztek ⁶⁰Co gamma-fotonokkal (ATOMKI, Debrecen), p(18 MeV) + Be forrásból eredő neutronokkal (ATOMKI, Debrecen), p(80 MeV) + Li forrásból származó neutronokkal (TSL, Uppsala), protonokkal (22 MeV E_p 60 MeV között JYFL, Jyväskylä és 88 MeV E_p 172 MeV között TSL, Uppsala) továbbá nehézionokkal (LET 62 MeV/mg/cm²-ig JYFL, Jyväskylä és 90 MeV/mg/cm² LET 110 MeV/mg/cm² között CRYRING, Stockholm) történtek. (Itt említjük meg, hogy a p(18 MeV) + Be forrásból kapott neutronok spektrumának alakja hasonlít a kozmikus részecskék által a légkörben keltett neutronok 1/E jellegű energiaeloszlásának 20 MeV alatti részéhez.)

A fő cél az úgynevezett SEU-hatáskeresztmetszetek () meghatározása volt, hiszen ez a mennyiség megadja, hogy a vizsgált memória egy bitje időegységenként és egységnyi részecskefluxus esetén átlagosan mennyi hibát produkál. A 7. ábrán példaként a SAMSUNG egyik kereskedelemben kapható termékének, a KM48V8104CS-6 típusú 8Mx8bit CMOS DRAM-nak a SEU-hatáskeresztmetszetét látjuk az E_p protonenergia függvényében.

A tesztjeink egy része a svéd KTH Stockholmmal és a Swedish Space Corporationnal (SSC) együttműködve történt. Az eredményeket azoknak a DRAM tömegtároló eszközöknek a kiválasztásához és azon elektronikák kifejlesztéséhez használták fel, amelyeket az SSC gyártott az Európai Űrügynökség (ESA) SMART-1 nevű ionhajtóműves műholdhoz. A 366,5 kg kezdeti össztömeg és 19 kg-nyi műszert szállító SMART-1 2003. szeptember 27-én indult el a Hold felé vezető útjára (lásd pl. a http://www.ssc.se és a kapcsolódó weboldalakat is).

Az Olvasó bizonyára választ vár arra a kérdésre, hogy miért használhattuk ugyanazokat a tesztelési módszereket a CMS és a SMART-1 sugárzási környezetében alkalmazandó eszközök esetében. A válasz az, hogy a CMS-kísérleteknél alkalmazott DRAM-ok sugárzási környezete hasonlít a SMART-1 fedélzetén működő azonos típusú DRAM-ok sugárzási környezetéhez. A magyarázathoz tudni kell, hogy a plazmahajtóműves műhold hajtóanyaga mintegy 70 kg xenon-gáz. A hajtóműből kiáramló Xe-ionokat felgyorsító elektromos mező létrehozása napenergia segítségével történik (a napelemek összteljesítménye 1350 W). A maximális tolóerő mindössze 7,5 x 10^-2 N. Ha ezt már a hajtómű első bekapcsolásakor sikerült volna elérni, akkor mintegy 0,2 mm/s²-nel (nem elírás!) lehetett volna megnövelni a SMART-1 pálya menti gyorsulását. Ezek alapján aligha meglepő, hogy várhatóan mintegy 16 hónapig utazik a műhold az egyre táguló pályáján, mielőtt a Hold be tudja fogni valamikor 2005 elején. Az indulást követő első hónapokban a pálya a Földet körülvevő Van Allen-övekben haladt. Ezekben az sugárzási övekben a Föld mágneses mezeje által csapdába ejtett nagyenergiájú, elektromosan töltött részecskék oszcillálnak ide-oda a Föld két mágneses pólusa között az indukcióvonalak által meghatározott pályákon. A belső Van Allen-övben főleg protonok vannak, és azok átlagosan 50 MeV energiájúak. (A protonok egyrészt a légkörben a kozmikus sugárzás által keltett neutronok elbomlásából származnak, másrészt a Napból és a világűr más részeiből érkeznek.) A külső Van Allen-öv főleg elektronokat tartalmaz. A két sugárzási öv nagyenergiájú részecskéi a SMART-1 egységein áthaladva részecskezáporokat keltenek, és a műhold belsejében így kialakuló sugárzási tér hasonló a CMS-kísérlet sugárzási környezetéhez.

A SMART-1 útjának első szakaszában mindezek miatt komolyan kellett számolni a fedélzeten levő elektronikák sugárkárosodásával (a becsült összdózis 200-400 Gy). A tervezési szakasz előzetes becslései azt mutatták, hogy a Van Allen-öveken való áthaladás során a legszélsőségesebb körülmények között akár 44000 SEU/nap is lehetséges a fentebb említett SAMSUNG DRAM-ból öszszeállított 5 Gbit-nyi memória használata esetén. Az eddig detektált SEU-k részletes statisztikai feldolgozása még folyamatban van. Úgy tűnik, hogy a 2003. októberi-novemberi kivételes erősségű napkitörések és az általuk előidézett rendkívüli geomágneses viharok következményei igazolták a tervezők óvatosságát. Ugyanakkor a SMART-1 állapotáról eddig kiadott jelentések alapján remélhető, hogy a fedélzeti DRAM-ok a méréseink alapján kidolgozott elvárásoknak megfelelően működtek még a legkritikusabb időkben is. 2004. január 7. óta a műhold egyre táguló pályájának földközeli pontja már 20000 km-nél is távolabb van a Föld középpontjától. Cikkünk megjelenésekor a SMART-1 már a külső Van Allen-övön kívül folytatja útját a Hold felé, és továbbra is az elvárásoknak megfelelően működik.

A CERN LHC CMS MAB-kollaboráció, akárcsak a többi LHC-projekt, a fejlesztési szakaszból a kivitelezési szakaszba jutott. A várható sugárterheléseket toleráló anyagokat, eszközöket sikerült kiválasztani. A kutatások és fejlesztések alaptermészetének megfelelően azonban a kollaborációk érdeklődési területein kívül eső érdekes problémák és új alkalmazási lehetőségek is felmerültek a munkák során.

Az LHC még el sem készült, de a továbbfejlesztésével kapcsolatos kollaborációk szerveződése máris elkezdődött. A majdani nagyobb luminozitás miatt az alkalmazandó detektorok komponenseinek várható sugárterhelése közelítőleg egy nagyságrenddel megnő. Ez a tény új kihívásokat jelent az anyagtudomány és a fejlesztők számára is. A nagy tiltott sávszélességű félvezető anyagok (pl. gyémánt, amorf Si, SiC, GaN, AlGaN, AlGaAs stb.) sugárkárosodásával kapcsolatos problémák vizsgálatára 2002-ben a CERN-ben hivatalosan is elfogadták az RD-50 kutatási-fejlesztési célú kollaboráció megalakulását, amelynek 55 kutatóhelyről 280 fő tagja van már.

A nagyenergiájú részecskefizikai kísérleteken kívül még máshol is felmerülnek sugárkárosodással kapcsolatos megoldandó és érdekes problémák. Ilyen terület a nukleáris energetikai berendezések fejlesztése, a nagy aktivitású radioaktív hulladékok tárolása, a gyorsítókra alapozott nukleáris hulladékátalakítók fejlesztése, a plazmadiagnosztika a fúziós berendezéseknél, a fedélzeti rendszerek fejlesztése a légkörben és a világűrben tevékenykedő eszközökhöz.

A fejlesztéseket és a sugárkárosodási vizsgálatokat az Országos Tudományos Kutatási Alap (T026184, T034910, T043145) valamint az Oktatási Minisztérium Kutatás-Fejlesztési Helyettes Államtitkársága (OMFB 00438/2001) is támogatta.

1. J. CARÁBE, M.G. FERNANDEZ, A. FERRANDO, J. FUENTES, J.J. GANDÍA, M.I. JOSA, A. MOLINERO, J.C. OLLER, P. ARCE, E. CALVO, C.F. FIGUEROA, N. GARCÍA, F. MATORRAS, T. RODRIGO, I. VILA, A.L. VIRTO, A. FENYVESI, J. MOLNÁR, D. SOHLER: Results on photon and neutron irradiation of semitransparent amorphous-silicon sensors - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 455 (2000) 361-368
2. J. MOLNÁR, L. BAKSAY, L.G. BENCZE, L. BRUNEL, A. FENYVESI, L. MOLNÁR, D. NOVÁK, G. PSZOTA, P. RAICS, ZS. SZABÓ: Neutron radiation tolerance tests of optical and opto-electronic components for the CMS Muon Barrel Alignment - Proc. of the 7th Workshop on Electronics for LHC Experiments, 10-14 September 2001, Stockholm, Sweden, Ed.: C. Isabella, CERN-2001-005; CERN-LHCC-2001-034, CERN, Geneva, 22 October 2001
3. J.M. BEIGVEDER, I. GÉNOVA, G. PÉREZ, J.A. RUIZ, P. ARCE, J.M. BARCALA, M.G. FERNÁNDEZ, A. FERRANDO, J. FUENTES, M.I. JOSA, A. MOLINERO, J.C. OLLER, E. CALVO, C.F. FIGUEROA, T. RODRIGO, I. VILA, A.L. VIRTO, A. FENYVESI, J. MOLNÁR, D. SOHLER: Effect of neutron and gamma-ray irradiation on the transmittance power of glasses and glues - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 493 (2002) 208-210
4. A. SIPOS, E. GRUSELL, A. KEREK, W. KLAMRA, J. MOLNÁR, L.-O. NORLIN, D. NOVÁK, A. SANCHEZ-CRESPO, J. VAN DER MAREL, J. VÉGH: Visualization of neutron and proton induced particle production in a CMOS image sensor - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 509 (2003) 328-332
5. J. MOLNÁR, A. FENYVESI, G. DAJKÓ, J. VÉGH, A. KEREK, D. NOVÁK: Radiation tolerance tests of components for the FERMI microchip module - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 143 (1998) 536-546