cern z řídlo nových technologií pro český aplikovaný výzkum a průmysl

50-let CERN, 12. října 2004 Stanislav Pospíšil IEAP – CTU Prague

CERNzřídlo nových technologií pro český aplikovaný výzkum a

průmysl

Stanislav PospíšilÚstav technické a experimentální fyziky

České vysoké učení technické v Praze

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue

50-let CERN, 12. října 2004 Stanislav Pospíšil IEAP – CTU Prague 2

Experimenty v CERN

Urychlovače - symbol CERNu

Detektory záření

Výpočetní technika

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


UrychlovačeNové technologie- vakuová technika a nízké teploty- silné supravodivé magnety- VF elektrotechnika- přesné strojírenské a stavební technologie (tunely)

Speciální typy urychlovačů- laditelné zdroje synchrotronního záření - spalační neutronové zdroje

- urychlovače pro lékařské účely- vyrostly nové směry výzkumu v dalších vědních oborech

(studium pevných látek, mikroelektronika, optika, biologie, ...)

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Detektory ionizujícího záření Kontrola technologických procesů

(jaderná energetika, těžké provozy)

Polohově citlivé detektory ionizujícího záření - zobrazování v medicíně - další oblasti výzkumu (mikroelektronika,

defektoskopie, pevné látky, biologie)

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Výpočetní technika Sběr signálů z čidel a senzorů (řízení a

kontrola experimentů a dynamických procesů)

Sběr dat a distribuce informace

Internet

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Současné hlavní příspěvky ČR do technologického vývoje v CERNProjekty typu R&D- Vývoj nových typů detektorů (exotický křemík pro

výrobu radiačně odolných detektorů, chlazení detektorů, adaptace pixelových detektorů – ČVUT)

- Vývoj scintilačních a pixelových detektorů - FZÚ)- Povrchy dutinových rezonátorů pro LHC (MFF)

Podíl na stavbě experimentu ATLAS na LHC - Subdetektor Tilecal (Dvůr Králové - UK, FZÚ, ČVUT) - Zdroje napětí pro stripové detektory (FZÚ)

- Neutronové stínění (Škoda Plzeň, Kopos Kolín, Tranza Chrudim, další malé podniky - ČVUT, MFF)

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Příklady aktivit ČVUT v CERN Neutronové stínění pro experiment ATLAS

Ivan Bědajánek, Stanislav Pospíšil, Ivan Štekl (ÚTEF), Jaromír Sodomka(FD), Jan Palla (FD – CERN),

Jiří Studnička (FSt)Michal Suk (MFF),

Škoda Steel, Plzeň, Kopos Kolín, Tranza Chrudim, CERN

Neutronové stínění ve vnitřním detektoru (JM stínění) a v dopředné oblasti experimentu ATLAS (JF, cca 2x 700 tun litiny a 15000 cihel ze speciálního PE)- Fyzikální koncepce, návrh a koordinace výroby JM a JF v ČR- Zakázky pro české podniky z CERN ve výši cca 35 mil. Kč již uzavřeny a zčásti i proplaceny

Další zakázky vyplývající z dobrého hodnocení spolupráce CERN (stínicí prstence k urychlovači LHC zakázka v hodnotě 12.4 mil. Kč přidělena Škodě Plzeň; zvedací stoly k JF stínění v hodnotě cca 8 mil. Kč).

Spolupráce s CERN, University of Montreal, University of Sheffield, Univerzity of Arizona, ...

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Neutronové stínění v dopředné oblasti experimentu ATLAS

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Výroba a montáž JF stínění v ČR

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Instalace JF stínění

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Adaptace pixelových detektorů typu Medipix k detekci neutronů

J. Jakůbek, T. Holý S. Pospíšil, J. Uher (ÚTEF)B. Sopko (FS), J. Vacík (ÚJF AV ČR), D. Vavřík (ÚTAM

AV ČR)Práce realizována v rámci Medipix 2 spolupráce v

CERN

Vývoj polohově citlivých detektorů neutronů s vysokým prostorovým rozlišením je aktuální pro řadu vědeckých a technických oborů:

- difrakční experimenty s neutrony, - neutronová defektoskopie, - neutronografie, - BNCT – bórová neutronová záchytová terapie

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Proč neutronová radiografie?

X-rays Neutrons

• While X-rays are attenuated more effectively by heavier materials like metals, neutrons allow to image some light materials such as hydrogenous substances with high contrast.

• Neutron radiography can serve as complementary technique to X-ray radiography

In the X-ray image, the metal parts of the photo camera are seen clearly, while the neutron radiogram shows details of the plastic parts.

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


X-raysAttenuation coefficients with X-ray [cm?¹]

1a 2a 3b 4b 5b 6b 7b 8 1b 2b 3a 4a 5a 6a 7a 0 H He

0.02 0.02 Li Be B C N O F Ne

0.06 0.22 0.28 0.27 0.11 0.16 0.14 0.17 Na Mg Al Si P S Cl Ar

0.13 0.24 0.38 0.33 0.25 0.30 0.23 0.20 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

0.14 0.26 0.48 0.73 1.04 1.29 1.32 1.57 1.78 1.96 1.97 1.64 1.42 1.33 1.50 1.23 0.90 0.73 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

0.47 0.86 1.61 2.47 3.43 4.29 5.06 5.71 6.08 6.13 5.67 4.84 4.31 3.98 4.28 4.06 3.45 2.53 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

1.42 2.73 5.04 19.70 25.47 30.49 34.47 37.92 39.01 38.61 35.94 25.88 23.23 22.81 20.28 20.22 9.77 Fr Ra Ac Rf Ha 11.80 24.47

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

*Lanthanides 5.79 6.23 6.46 7.33 7.68 5.66 8.69 9.46 10.17 10.91 11.70 12.49 9.32 14.07 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Vf Es Fm Md No Lr

**Actinides 28.95 39.65 49.08 x-ray Legend Attenuation coefficient [cm?¹] = sp.gr. * / sp.gr.: Handbook of Chemistry and Physics, 56th Edition 1975-1976. /: J. H. Hubbell+ and S. M. Seltzer Ionizing Radiation Division, Physics Laboratory National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD 20899,

http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html.

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Thermal neutronsAttenuation coefficients with neutrons [cm?¹]

1a 2a 3b 4b 5b 6b 7b 8 1b 2b 3a 4a 5a 6a 7a 0 H He

3.44 0.02 Li Be B C N O F Ne

3.30 0.79 101.60 0.56 0.43 0.17 0.20 0.10 Na Mg Al Si P S Cl Ar

0.09 0.15 0.10 0.11 0.12 0.06 1.33 0.03 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

0.06 0.08 2.00 0.60 0.72 0.54 1.21 1.19 3.92 2.05 1.07 0.35 0.49 0.47 0.67 0.73 0.24 0.61 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

0.08 0.14 0.27 0.29 0.40 0.52 1.76 0.58 10.88 0.78 4.04 115.11 7.58 0.21 0.30 0.25 0.23 0.43 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

0.29 0.07 0.52 4.99 1.49 1.47 6.85 2.24 30.46 1.46 6.23 16.21 0.47 0.38 0.27 Fr Ra Ac Rf Ha 0.34

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

*Lanthanides 0.14 0.41 1.87 5.72 171.47 94.58 1479.04 0.93 32.42 2.25 5.48 3.53 1.40 2.75 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

**Actinides 0.59 8.46 0.82 9.80 50.20 2.86 neut. Legend

-total * sp.gr. * 0.6023 Attenuation coefficient [cm?¹] = at.wt. -total: JEF Report 14, TABLE OF SIMPLE INTEGRAL NEUTRON CROSS SECTION DATA FROM JEF-2.2, ENDF/B-VI, JENDL-3.2, BROND-2 AND CENDL-2,

AEN NEA, 1994. and Special Feature: Neutron scattering lengths and cross sections, Varley F. Sears, AECL Research, Chalk River Laboratories Chalk River, Ontario, Canada KOJ

1JO, Neutron News, Vol. 3, 1992, http://www.ncnr.nist.gov/resources/n-lengths/list.html. sp.gr.: Handbook of Chemistry and Physics, 56th Edition 1975-1976. at.wt.: Handbook of Chemistry and Physics, 56th Edition 1975-1976.

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


V současnosti dostupné detektory pro zobrazování s pomocí neutronů

1.00E-03

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

1.00E+01

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000

time resolution [s]

spat

ial r

esol

utio

n [m

m]

X-ray film + converter

Tracketch foils

CCD camera + scintillator

n-imaging plates

AmorphousSi flat panel

Pilatus-Npixel detector

Intensified real-time camera

more neutrons

detector development!!!

(under the conditions at the NEUTRA facility at PSI)

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Adaptace Medipix detektoru k detekci neutronů

Silicon pixel detector can not detect neutrons directly. Conversion of thermal neutrons to detectable radiation in a converter layer deposited on the detector surface.

Converter materials:6Li: 6Li + n (2.05 MeV) + 3H (2.72 MeV)

10B: 10B + n (1.47 MeV) + 7Li (0.84 MeV) + (0.48MeV) (93.7%)10B + n (1.78 MeV) + 7Li (1.01 MeV) (6.3%)

113Cd: 113Cd + n 114Cd + (0.56MeV) + conversion electrons

155Gd: 155Gd + n 156Gd + (0.09, 0.20, 0.30 MeV) + conversion electrons157Gd: 157Gd + n 158Gd + (0.08, 0.18, 0.28 MeV) + conversion electrons

Detector:300 m thick silicon pixel detector (pixel size 55 m) bump bonded to Medipix-2 readout chip.

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Studium prostorového rozlišení

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 [gcm-3]

R [

m]

triton (2.72MeV, LiF)alpha (2.05MeV, LiF)

Spatial resolution is affected by: • Range of heavy charged particles in converter material – depends on density

6LiF (=1.6 g/cm3): RTriton=52m, R=10m10B (r=1.2 g/cm3): RLi=5m, Ra=7m

• Range in silicon

6LiF: RTriton=44.1m, R=8.6m. 10B: RLi=3m / 2.7m, R=5.4m / 5.2m

• Charge sharing effect ?

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0.2 0.7 1.2 1.7 2.2 [gcm-3]

R [

m]

lithium (1.01MeV)lithium (0.84MeV)alpha (1.78MeV)alpha (1.47MeV)

particle

Pixel row

Charge spread

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Testy Medipix2 s alfa částicemi

• Medipix-2 without converter layer• Alpha particles: 5.6 MeV (241Am)• Short exposition time• Circular clusters observed

FWHM = 2.61Dependence of cluster size on threshold level

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Testy s termálními neutronyNEUTRA station of spallation neutron source SINQ in Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland

Intensity about 3·106 neutrons/cm2s at proton accelerator current of 1mA and proton energy of 590 MeV

Beam Cross section: 40 cm in diameter

Horizontal channel of the LVR-15 nuclear research reactor at Nuclear Physics Institute of the Czech Academy of Sciences at Rez near Prague.

Intensity is about 107 neutrons/cm2s (at reactor power of 8MW)

Beam Cross section: 4 mm (height) x 60 mm (width) The divergence of the neutron beam is < 0.5°

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Prostorové rozlišení – odezva na ostré rozhraní (6LiF converter)

Tilted cadmium edge profile

Edge blurring is caused by clusters => Spatial resolution is dependent on the threshold levelLSF

Fit by ERF: LSF FWHM=107 mm=0.83 pixel = 43 mm

Spatial resolution is limited by size of clusters and range of product particles in silicon (RTriton=44m, R=8.9m)

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Srovnání našeho neutronového detektoru Medipix-2

s ostatními detektory užívanými k zobrazování

Med

ipix

-2

Pixel size: 55 mResolution

: 108 m

Med

ipix

-1


: 370 m

CC

D +

sci

ntill

ator


: 824 m

Imag

ing

plat

ePixel size: 50 mResolution

: 124 m

Tested:- CCD camera with scintilator containing 6Li (pixel size 0.139 mm)- Imaging plate (excitation by neutrons, deexcitation by laser scanner followed by

light emission, scanner pixel size 50m)- Medipix-1 device with 6LiF converter- Medipix-2 device with 6LiF converter

Resolution of imagers

0 2 4 6 8 10

Imaging plate

CCD camera

Medipix-2

Medipix-1

Resolution [lp/mm]

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Příklad zobrazení – slepá nábojnice

Photograph

CCD Medipix-1Imaging plate Medipix-2

Neut

rono

grap

hy

Roen

tgen

ogra

phy

Medipix-2Medipix-1

CdTe

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Příklad zobrazení rybářský vlasec na hliníkové destičce

(kompozitní materiál)

Medipix-1 Imaging plate Medipix-2

Fishing line of 100 m diameter

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Hodinový strojek v uzavřeném pouzdře

Metallic cover was fixed on watch in time of measurement !

Exposition time = 500 seconds

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Brouk

X-rays Neutrons (low statistics)

Neutrons shows soft tissue,while X-rays virtually empty armor.

Both images taken by the same detector!

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Neutronová mikrotomografie

Blank cartridgeExplosive filling clearly visible

Taken 100 projections 150 seconds each.Reconstruction using filtered back-projection algorithm.

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Neutronová microtomografie

Lemo connectorGolden contacts inside

Taken 100 projections 150 seconds each.Reconstruction using filtered back-projection algorithm.

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Neutronová microtomografie

PotTooth

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


„Nadívaný“ 3D detektorCesta ke zvýšení účinnosti s pomocí mikro- a nano-

technologií (ČVUT, KTH Stockholm, Glasgow, Sundsvall, Freiburg,

Helsinky)

3d structure: Square holes (200 m deep) in the sensor are filled by converter material. Simulated efficiency of such structure can achieve almost 40%.

Simulated dependency of detection efficiency on the width of holes for different densities of 6LiF converter.

Empty structure Filled by 6LiF

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Srovnání detektorů k neutronovému zobrazování

Medipix adaptován na rychlou neutronovou kamerus nejvyšším rozlišením mezi neutronovými detektory aktivního

typu

1.00E-03

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

1.00E+01

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000

time resolution [s]

spat

ial r

esol

utio

n [m

m]

X-ray film + converter

Tracketch foils

CCD camera + scintillator

n-imaging plates

AmorphousSi flat panel

N-Pilatuspixel detector

Intensified real-time camera

more neutrons

detector development!!!

(under the conditions at the NEUTRA facility at PSI)

Medipix2 with surfaceconverter

Medipix2 with stuffed detector

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


ZávěrUvedl jsem pár příkladů, jak se technologický pokrok související s experimentálním výzkumem ve fyzice mikrosvěta promítá do dalších oblastí výzkumu a vývoje a do výrobních technologií.Dokumentoval jsem, že takové investice nemusí být t.zv. „ztracené“ prostředky. Vedle vlastního výzkumu a výchovy mladých lidí se vložené prostředky vracejí společnosti i přímo v penězích, a to nemalých (například návratnost prostředků investovaných do projektu stínění je zhruba 10-ti násobná).Osvojení nových technik otevírá nové, často neočekávané možnosti aplikací v jiných oborech. V současnosti zejména v biologických a medicínských vědách, v mikro a nano-technologiích, mikroelektronice, fyzice povrchů a pevných látek. Příkladem jsou zde demonstrované výsledky vycházející z neutronové fyziky, která k výzkumu v CERN byla vzdálená.Skrze CERN tak vznikají nová vědecko-výzkumná partnerství, často přes CERN i koordinovaná. Sám CERN tomu uděluje velkou pozornost.

Inst

itut

e of

Exp

erim

enta

l and

App

lied

Phys

ics

Czec

h Te

chni

cal U

nive

rsit

y in

Pra

gue


Díky kolegům a spolupracovníků za

poskytnuté podklady a publiku za pozornost

cern z řídlo nových technologií pro český aplikovaný výzkum a průmysl

Documents