Proton induced radiation damage studies on plastic scintillators for the Tile calorimeter of the atlas detector

6
 
Conclusion ............................................................................................ 58
 
Appendix A .................................................................................................. 61
 
Appendix B .................................................................................................. 65
 

---

viii 

---

ix 
List of Figures 
Figure 2-1: A computer generated image of the ATLAS detector [ATLAS 
Experiment © 2013 CERN] ............................................................................. 5
 
Figure 2-2: Schematic diagram of the particle interactions through a wedge of 
the ATLAS detector. ....................................................................................... 7
 
Figure 2-3: Diagram depicting the ATLAS calorimeter regions. ....................... 8
 
Figure 2-4: Representation of a Tile Module and its various components ....... 10
 
Figure 2-5: Layout of the ITC scintillators relative to the cells of the Tile 
Calorimeter barrels ........................................................................................ 11
 
Figure 2-6: Photograph of the Gap region. The MBTS are indicated by 1 and the 
cryostat scintillators are indicated by 2. ......................................................... 11
 
Figure 2-7: Radiation map of the total ionising dose accumulated over a year in 
the calorimeter region at √s=14 TeV and nominal luminosity of 10
34
 cm
-2
s
-1
 .. 12
 
Figure 3-1: Energy level diagram of an organic molecule with π -electron 
structure, adapted from [1]. ........................................................................... 15
 
Figure 3-2: Radiative transfer of energy between polymer base, primary and 
secondary fluors adapted from [15]................................................................ 17
 
Figure 3-3: (a) Pulse height spectra for BC505 samples before and after the 5 
Mrad irradiation. (b) The transmission spectra for the BC505 sample. (c) The 
transmission spectra for the undoped base of BC505 before and after the 5 Mrad 
irradiation. Obtained from [19]. ..................................................................... 18
 
Figure 3-4: Photographs of plastic scintillators under study ........................... 20
 
Figure 4-1: TRIM simulation of 6 MeV protons in PVT target. ...................... 24
 
Figure 4-2: Plot of the range over which protons stop within the PVT and PS 
targets. .......................................................................................................... 25
 
Figure 4-3: Photographs of (a) the Buehler IsoMet cutting machine, (b) a front 
view of an EJ260 bar being cut, (c) a side view of the EJ260 bar being cut. ... 26
 
Figure 4-4: Aluminium holders used to mount the samples onto before 
polishing. ...................................................................................................... 26
 
Figure 4-5: Photographs of the Struers polishing machine. ............................. 27
 

---

x 
Figure 4-6: The final product of a polished sample, and a sample mounted into 
the brass holder. ............................................................................................ 28
 
Figure 4-7: Schematic representation of the tandem accelerator at iThemba 
LABS. ........................................................................................................... 28
 
Figure 4-8: Photograph of proton beam line leading to the nuclear microprobe 
chamber. ....................................................................................................... 29
 
Figure 4-9: Photograph of sample carousel before being lowered into 
microprobe chamber ...................................................................................... 30
 
Figure 4-10: Photograph of the Varian Cary 500 spectrophotometer. .............. 32
 
Figure 4-11: Set-up of the light box used to test the light yield. ..................... 33
 
Figure 4-12: (a) Back view showing the path travelled by the laser into the 
LabRAM HR, (b) front view of the spectrograph, (c) zoomed view of the 
sample undergoing fluorescence. ................................................................... 34
 
Figure 5-1: EJ208 samples irradiated to doses of ~80 MGy, 25 MGy, 8 MGy 
and 0.8 MGy from left to right....................................................................... 36
 
Figure 5-2: Fading of discolouration observed in ~25 MGy irradiated EJ208 
samples. ........................................................................................................ 36
 
Figure 5-3: Relative transmission spectra at several dose for the different 
scintillator types, taken four weeks after irradiation. ...................................... 39
 
Figure 5-4: Relative transmission at 430 nm for the various sample types 
measured 4 weeks after irradiation................................................................. 40
 
Figure 5-5: Relative transmission for the various sample types at their 
respective wavelengths of maximum emission, measured 4 weeks after 
irradiation. .................................................................................................... 42
 
Figure 5-6: 2D mapping of the PMT signal with Sr90 source position, 
indicating signal regions corresponding to regions on the experimental set -up.
 ..................................................................................................................... 43
 
Figure 5-7: 3D mappings of the light yield for several EJ200 samples with 
different levels of proton induced radiation damage. ...................................... 44
 
Figure 5-8: The effect of the experimental systematics on the measured light 
yield signal. .................................................................................................. 45
 
Figure 5-9: Relative light yield as a function of radiation damage dose. ......... 46
 

---

xi 
Figure 5-10: Spectra showing the photo-bleaching of fluorescence lights with 
laser exposure time for an un-irradiated EJ200 sample. .................................. 49
 
Figure 5-11: Representation of how the correction factor 
'C'
 was computed 
using the photo-bleaching correlation curves and relevant equations .............. 50
 
Figure 5-12: Fluorescence loss at 430 nm. ..................................................... 51
 
Figure 5-13: Fluorescence loss integrated over 300 -500 nm ........................... 51
 
Figure 5-14: Raman spectra for the un-irradiated plastic scintillator samples .. 53
 
Figure 5-15: Raman spectra for EJ208 samples. ............................................. 54
 
Figure 5-15: Possible configurations resulting from dehydrogenation of 
benzene. ........................................................................................................ 55
 
Figure 5-16: Background subtracted Raman spectra for EJ200 sample measured 
several days after radiation exposure to a dose of 8.11 MGy. ......................... 56
 
Figure 5-17: Plot of Raman peak intensity ratios relative to the C -C aromatic 
peak intensity for EJ200 sample irradiated to 8.11 MGy. ............................... 57
 
Figure B-1: Beam current distributions for the various EJ200 samples. .......... 67
 
Figure B-2: Beam current distributions for the various EJ208 samples. .......... 68
 
Figure B-3: Beam current distributions for the various EJ260 samples. .......... 69
 
Figure B-4: Beam current distributions for the various BC408 samples. ......... 70
 
Figure B-5: Beam current distributions for the various UPS923A samples. ..... 71
 
Figure B-6: Beam current distributions for the various TileCal samples. ........ 72
 
Figure C-1: Transmission spectra relative to air for BC408 samples irradiated to 
doses of: (a) 1.06, (b) 1.00, (c) 8.07, (d) 8.44, (e) 29.2, (f) 26.0, (g) 82. 9 and (h) 
97.2 MGy. ..................................................................................................... 73
 
Figure C-2: Transmission spectra relative to air for EJ200 samples irradiated to 
doses of: (a) 0.90, (b) 1.08, (c) 8.06, (d) 8.11, (e) 25.8, (f) 25.7, (g) 76.1 and (h) 
73.1 MGy. ..................................................................................................... 74
 
Figure C-3: Transmission spectra relative to air for EJ208 samples irradiated to 
doses of: (a) 0.858, (b) 0.825, (c) 8.80, (d) 8.30, (e) 24.8, (f) 26.4, (g) 80.8 and 
(h) 83.1 MGy. ............................................................................................... 75
 
Figure 6-4: Transmission spectra relative to air for EJ260 samples irradiated to 
doses of: (a) 1.18, (b) 1.07, (c) 8.88, (d) 8.54, (e) 22.7, (f) 26.2, (g) 94.2 and (h) 
86.5 MGy. ..................................................................................................... 76
 

---

xii 
Figure C-5: Transmission spectra relative to air for UPS923A samples 
irradiated to doses of: (a) 0.934, (b) 0.904, (c) 10.7, (d) 6.50, (e) 25.7, (f) 28.3, 
(g) 81.6 and (h) 86.2 MGy. ............................................................................ 77
 
Figure C-6: Transmission spectra relative to air for TileCal samples irradiated 
to doses of: (a) 0.955, (b) 0.948, (c) 8.23, (d) 6.60, (e) 25.7, (f) 25.3, (g) 88.9 
and (h) 78.5 MGy. ......................................................................................... 78
 
Figure D-1: Fluorescence spectra for various EJ200 samples (a -d), and their 
respective photo-bleaching rate curves (e-h). ................................................. 79
 
Figure D-2: Fluorescence spectra for various EJ208 samples (a -d), and their 
respective photo-bleaching rate curves (e-h). ................................................. 80
 
Figure D-3: Fluorescence spectra for various EJ260 samples (a -d), and their 
respective photo-bleaching rate curves (e-h). ................................................. 81
 
Figure D-4: Fluorescence spectra for various BC408 samples (a -d), and their 
respective photo-bleaching rate curves (e-h). ................................................. 82
 
Figure D-5: Fluorescence spectra for various UPS923A samples (a -d), and their 
respective photo-bleaching rate curves (e-h). ................................................. 83
 
Figure D-6: Fluorescence spectra for various Tile Cal samples (a -d), and their 
respective photo-bleaching rate curves (e-h). ................................................. 84
 
Figure E-1: Raman spectra for EJ200 samples................................................ 85
 
Figure E-2: Raman spectra for EJ208 samples................................................ 86
 
Figure E-3: Raman spectra for BC408 samples. ............................................. 87
 
Figure E-4: Raman spectra for EJ260 samples................................................ 88
 
Figure E-5: Raman spectra for UPS923A samples. ......................................... 89
 
Figure E-6: Raman spectra for Tile Cal samples. ........................................... 90
 

---

xiii