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

1,20E+03
18
330
0,627
7:00
4,72E-13
360,2
9,71E+05
4,44E+04
1,69E+03
11
340
1,25
38:05
4,91E-13
2953
8,04E+06
1,55E+05
3,41E+03
17
360
1,45
35:30
5,33E-13
2894
8,08E+06
1,68E+05
4,05E+03
15
335
3,47
45:15
4,82E-13
9496
2,57E+07
4,00E+05
9,41E+03
16
330
3,53
44:35
4,72E-13
9541
2,57E+07
4,05E+05
9,52E+03
13
365
14,1
32:00
5,44E-13
27063
7,61E+07
1,07E+06
3,96E+04
19
390
8,18
52:40
5,89E-13
25669
7,31E+07
9,74E+05
2,33E+04
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EJ
208
13
300
0,409
18:40
4,34E-13
322,9
8,80E+05
7,89E+04
1,11E+03
17
330
0,608
8:20
4,72E-13
310,0
8,36E+05
3,42E+04
1,64E+03
12
300
0,964
44:15
4,34E-13
2574
7,02E+06
1,36E+05
2,63E+03
18
350
1,92
30:55
5,12E-13
3577
9,87E+06
1,59E+05
5,30E+03
15
350
2,53
63:00
5,12E-13
9518
2,63E+07
4,31E+05
6,98E+03
16
360
3,81
45:15
5,33E-13
10345
2,89E+07
4,18E+05
1,06E+04
11
320
17,0
29:00
4,53E-13
29609
7,90E+07
1,26E+06
4,54E+04
14
370
10,3
48:00
5,55E-13
29955
8,48E+07
1,18E+06
2,91E+04
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EJ
260
17
330
0,486
13:00
4,72E-13
402,9
1,09E+06
2,74E+04
1,31E+03
18
340
0,454
14:20
4,91E-13
390,6
1,06E+06
2,54E+04
1,24E+03
15
360
2,24
24:40
5,33E-13
3177
8,87E+06
1,31E+05
6,25E+03
16
380
0,788
64:10
5,78E-13
2966
8,50E+06
2,04E+05
2,26E+03
b6
370
2,99
57:20
5,55E-13
9258
2,62E+07
3,65E+05
8,46E+03
19
350
2,74
50:10
5,12E-13
8243
2,27E+07
3,36E+05
7,56E+03
11
320
12,7
41:55
4,53E-13
33759
9,01E+07
1,44E+06
3,39E+04
13
365
7,96
64:00
5,44E-13
30550
8,59E+07
1,21E+06
2,24E+04

---

66 
Table B-2 summarising proton irradiation condi tions for BC408, UPS923A and TileCal
samples. 
Sample
Thickness 
(um)
Average 
beam 
current 
(nA)
Irradiation 
time
(min:sec)
E_loss 
per 
proton
(J)
Integrated 
charge
(C)
Absorbed 
dose (Gy)
Dose Error 
(Gy)
Estimated 
average dose 
rate (Gy/s)
B
C408
10
360
0,754
8:00
5,33E-13
355,5
9,92E+05
4,19E+04
2,10E+03
11
360
0,839
7:10
5,33E-13
357,8
9,99E+05
2,19E+04
2,34E+03
2
320
0,868
56:40
4,53E-13
2952
7,88E+06
1,99E+05
2,32E+03
6
320
0,657
79:50
4,53E-13
3146
8,39E+06
2,66E+05
1,75E+03
13
370
2,845
60:10
5,55E-13
10270
2,91E+07
5,74E+05
8,05E+03
14
320
3,351
48:40
4,53E-13
9755
2,60E+07
4,24E+05
8,94E+03
7
330
10,17
50:30
4,72E-13
30689
8,28E+07
1,32E+06
2,74E+04
8
335
12,66
47:10
4,82E-13
35802
9,71E+07
1,48E+06
3,43E+04
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UP
S9
23A
11
335
0,414
13:30
4,82E-13
329,5
8,93E+05
8,31E+04
1,12E+03
19
360
0,645
8:10
5,33E-13
305,1
8,51E+05
5,93E+04
1,80E+03
12
335
1,11
59:00
4,82E-13
3916
1,06E+07
1,88E+05
3,01E+03
18
360
2,26
17:10
5,33E-13
2314
6,46E+06
1,18E+05
6,31E+03
14
350
3,03
51:10
5,12E-13
9302
2,57E+07
4,68E+05
8,36E+03
16
350
3,57
47:50
5,12E-13
10253
2,83E+07
4,26E+05
9,85E+03
13
350
10,8
45:50
5,12E-13
29555
8,15E+07
1,19E+06
2,98E+04
17
380
11,6
43:20
5,78E-13
30059
8,62E+07
1,23E+06
3,32E+04
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ti
le
ca
l
1
320
0,814
6:50
4,53E-13
333,9
8,91E+05
3,58E+04
2,17E+03
2
400
0,856
6:00
6,22E-13
308,2
9,04E+05
1,72E+04
2,51E+03
7
365
0,819
59:30
5,44E-13
2923
8,21E+06
1,35E+05
2,30E+03
8
365
0,714
54:50
5,44E-13
2348
6,60E+06
1,04E+05
2,01E+03
10
350
2,17
71:20
5,12E-13
9294
2,56E+07
3,93E+05
5,99E+03
11
360
3,27
46:10
5,33E-13
9063
2,53E+07
3,65E+05
9,13E+03
4
380
13,3
39:00
5,78E-13
31019
8,89E+07
1,22E+06
3,81E+04
5
380
12,4
36:50
5,78E-13
27386
7,85E+07
1,06E+06
3,55E+04

---

67 
Figure B-1: Beam current distributions for the various EJ200 samples.

---

68 
Figure B-2: Beam current distributions for the various EJ20 8 samples. 

---

69 
Figure B-3: Beam current distributions for the various EJ260 samples. 

---

70 
Figure B-4: Beam current distributions for the various BC408 samples. 

---

71 
Figure B-5: Beam current distributions for the various UPS923A samples. 

---

72 
Figure B-6: Beam current distributions for the various TileCal samples. 

---

73 
Appendix C
 
 
Figure C-1: Transmission spectra relative to air for BC408 samples irr adiated 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.
 

---

74 
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. 

---

75 
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. 

---

76 
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. 

---

77 
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. 

---

78 
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. 

---

79 
Appendix D
 
Figure D-1: Fluorescence spectra for various EJ200 samples (a -d), and their respective 
photo-bleaching rate curves (e-h). 

---

80 
Figure D-2: Fluorescence spectra for various EJ208 samples (a-d), and their respective 
photo-bleaching rate curves (e-h). 

---

81 
Figure D-3: Fluorescence spectra for various EJ260 samples (a-d), and their respective 
photo-bleaching rate curves (e-h). 

---

82 
Figure D-4: Fluorescence spectra for various BC408 samples (a-d), and their respective 
photo-bleaching rate curves (e-h). 

---

83 
Figure D-5: Fluorescence spectra for various UPS923A samples (a-d), and their 
respective photo-bleaching rate curves (e-h). 

---

84 
Figure D-6: Fluorescence spectra for various Tile Cal samples (a-d), and their respective 
photo-bleaching rate curves (e-h). 

---

85 
Appendix E
 
 
Figure E-1: Raman spectra for EJ200 samples. 

---

86 
Figure E-2: Raman spectra for EJ208 samples. 

---

87 
Figure E-3: Raman spectra for BC408 samples. 

---

88 
Figure E-4: Raman spectra for EJ260 samples. 

---

89 
Figure E-5: Raman spectra for UPS923A samples. 

---

90 
Figure E-6: Raman spectra for Tile Cal samples.

---

91 
Appendix F
 
 

---

92 

---

93 
References 
[1] G. F. Knoll, “Chapter 8: Organic Scintillators,” in 
Radiation Detection and 
Measurement, Third Edition
, Michigan, John Wiley & Sons, Inc., 1999, pp. 
220-222. 
[2] ATLAS, 
“ATLAS News,” October 2012. [Online]. Available: 
http://www.atlas.ch/news/2012/atlas-and-the-higgs.html. 
[3] M. Chen, “Queen's University, PHYS 352: Measurement, Instrumentation 
and Experiment Design,” 4 May 2011. [Online]. Available: 
http://www.physics.queensu.ca/~ph ys352/lect19.pdf. 
[4] V. D. Shiltsev, “High energy particle colliders: Past 20 years, next 20 years 
and beyond,” 
Physics-Usphekhi, 
vol. 55, no. 10, p. 965, 2012.
[5] ATLAS Collaboration, “ATLAS Detector and physics performance 
Technical Design Report Vol. 1,” 
CERN/LHCC 99-14, 
25 May 1999.
[6] E. Daw, “Lecture 7 - Rapidity and Pseudorapidity,” 23 March 2012. 
[Online]. 
Available: 
http://www.hep.shef.ac.uk/edaw/PHY206/Site/2012_course_files/phy206r
lec7.pdf. 
[7] ATLAS collaboration, “ATLAS Tile Calorimeter Technical Design 
Report,” 
CERN/LHCC/96-42, 
1996.
[8] The ATLAS Tile Calorimeter community, “The optical instrumentation of 
the ATLAS Tile Calorimeter,” 
Journal of Instrumentation, 
vol. 8, no. 01, 
p. P01005, 2013.

---

94 
[9] ATLAS Collaboration, “The ATLAS Experiment at the CERN Large 
Hadron Collider,” IOP Publishing and SISSA, 2008. 
[10] K. Anderson, T. Del Prete, E. Fullana, J. Huston, C. Roda and R. Sttanek, 
“TILECAL: The Hadronic section of the central ATLAS Calorimeter,” 
International Journal of Modern Physics A, 
vol. 25, no. 10, pp. 1981-2003, 
2010.
[11] C. Zeitnitz and T. Gabriel, “The GEANT -CALOR interface, User's guide 
(Version 
1.05/03),” 
[Online]. 
Available: 
www.atlas.uni -
wuppertal.de/zeitnitz/docs/gcalor/gcalor_manual.ps.
[12] A. Ferrari, P. Sala, A. Fasso and J. Ranft, “FLUKA: A multi -particle 
transport code (Programe version 2005)”. 
[13] S. Baranov, M. Bosman, I. Dawson, V. Hedberg, A. Nisati and M. Shupe, 
“Estimation of Radiation Background, Impact on Detectors, Activation and 
Shielding Optimization in ATLAS,” 
ATL-GEN-2005-00, 
13 January 2005.
[14] A. Sidoti, “Minimum Bias Trigger Scintillators in ATLAS Run II,” in 
International Conference on Instrumentation for Colliding Beam Physics
, 
Novosibirsk, 2014.
[15] C. Zorn, “A pedestrian's guide to radiation damage in plastic scintillators,” 
Radiation Physics and Chemistry, 
vol. 41, no. 1/2, pp. 37-43, 1993.
[16] Universität Heidelberg, “Scintillation Detectors: Particle Detection via 
Luminescence,” May 2011. [Online]. Available: http://www.kip.uni-
heidelberg.de/~coulon/Lectures/Detectors/Free_PDFs/Lecture4.pdf.
[17] L. Torrisi, “Radiation damage in polyvinyltoluene (PVT),” 
Radiation 
Physics and Chemistry, 
no. 63, p. 89–92, 2002.

---

95 
[18] K. Wick, D. Paul, P. S. V. Schroder and B. Bicken, “Recovery and dose 
rate dependence of radiation damage in scintillators, wavelength shifters 
and light guides,” 
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 
B, 
vol. 61, pp. 472-486, 1991.
[19] W. Busjan, K. Wick and T. Zoufal, “Shortlived absorption centers in plastic 
scintillators and their infuence on the fuorescence light yield,” 
Nuclear 
Instruments and Methods in Physics Research B, 
no. 152, pp. 89-104, 1999.
[20] C. Zorn, S. Majewski and R. Wojcik, “Preliminary study of radiation 
damage in liquid scintllators,” 
IEEE Transactions on Nuclear Science, 
vol. 
37, no. 2, pp. 487-491, 1990.
[21] ELJEN Technology, “Products: Plastic Scintilators,” [Online]. Available: 
http://www.eljentechnology.com/index.php/products/plastic-scintillators. 
[22] Saint-Gobain, “Plastic Scintilators Specifications,” 2015. [Online]. 
Available: 
http://www.crystals.saint-
gobain.com/Plastic_Scintillators.aspx. 
[23] ScintiTech, “Products: Plastic Scintillators,” 2014. [Online]. Available: 
http://www.scintitech.com/CompanyPage.aspx?MenuId=39&MainId=3.
[24] A. N. Karyukhin, S. V. Kopikov, M. E. Kostrikov, V. Lapin and A. Zaitsev, 
“Injection molding scintillator for ATLAS Tile Calorimeter,” 
ATL-
TILECAL-96-086, ATL-L-PN-86, 
14 October 1996.
[25] D. Jankowski and R. Stanek, “Response of ATLAS injection molded 
scntillator,” 
ATLAS Internal Note, TILECAL-NO-010, 
18 April 1994.
[26] J. Ziegler, J. Biersack and M. Ziegler, “Chapter 7,” in 
SRIM The Stopping 
and Range of Ions in Matter
, Maryland, SRIM Co., 2008.

---

96 
[27] D. C. Zipperian, “Metallographic Specimen Preparation Basics,” [Online]. 
Available: http://www.metallographic.com/Technical/Basics.pdf.
[28] Kuraray Co., Ltd., “Wavelength shifting fibers,” [Online]. Available: 
http://kuraraypsf.jp/psf/ws.html. 
[29] C. Pelwan, H. Jivan, D. Joubert, J. Keartland, S. -M. Liao, G. Peters and E. 
Sideras-Haddad, “Characterization of plastic scintillators using magnetic 
resonance techniques for the upgrade of the Tile Calorimeter in the ATLAS 
detector,” in 
Journal of Physics: Conference Series 645 012023
, 
Johannesburg, 2015.
[30] S. Tlou, H. Jivan, B. Mellado, R. Erasmus, M. Madhuku, K. Sekonya and 
E. Sideras-Haddad, “Impact of dose rate on radiation damage of plastics 
scintillators for the Tile Calorimeter of ATLAS,” in 
submitted to 
Proceedings of SAIP2015
, Port Elizabeth, 2015.
[31] G. Socrates, Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies Tables 
and Charts, John Wiley and Sons, 2004.
[32] J. 
Clark, “Bonding in benzene,” 2000. [Online]. Available: 
http://www.chemguide.co.uk/basicorg/bonding/benzene2.html.
[33] E. Dubreuil, “Calibrating and preserving the energy scale of the Tile 
Calorimeter cells during four years of LHC data -taking,” 
Journal of latex 
class files, 
vol. 11, no. 4, 2012.
[34] U. Holm, D. Horstmann and S. Schacht, “Oxygen diffusion and recovery 
of damage in irradiated polystyrene,” 
Nuclear Instruments and Methods in 
Physics Research , 
vol. B, no. 151, pp. 453-456, 1999.

---

97 
[35] D. Horstmann and U. Holm, “Fluorescence quenching of plastic 
scintillators in oxygen,” 
Radiation Physics and Chemistry, 
vol. 41, no. 1/2, 
pp. 395-400, 1993.