CERN z řídlo nových technologií pro český aplikovaný výzkum a průmysl

1. CERNzřídlo nových technologií pro český aplikovaný výzkum a průmysl Stanislav Pospíšil Ústav technické a experimentální fyziky České vysoké učení technické v Praze Stanislav Pospíšil

2. Experimenty v CERN • Urychlovače- symbol CERNu • Detektory záření • Výpočetní technika Stanislav Pospíšil

3. Urychlovače • Nové 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, ...) Stanislav Pospíšil

4. 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) Stanislav Pospíšil

5. Výpočetní technika • Sběr signálů z čidel a senzorů (řízení a kontrola experimentů a dynamických procesů) • Sběr dat a distribuce informace • Internet Stanislav Pospíšil

6. Současné hlavní příspěvky ČR do technologického vývoje v CERN • Projekty 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) Stanislav Pospíšil

7. 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, ... Stanislav Pospíšil

8. Neutronové stínění v dopředné oblasti experimentu ATLAS Stanislav Pospíšil

9. Výroba a montáž JF stínění v ČR Stanislav Pospíšil

10. Instalace JF stínění Stanislav Pospíšil

11. 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 Stanislav Pospíšil

12. Proč neutronová radiografie? • 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 Neutrons X-rays 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. Stanislav Pospíšil

13. X-rays Stanislav Pospíšil

14. Thermal neutrons Stanislav Pospíšil

15. V současnosti dostupné detektorypro zobrazování s pomocí neutronů (under the conditions at the NEUTRA facility at PSI) Intensified real-time camera CCD camera + scintillator Pilatus-N pixel detector Amorphous Si flat panel X-ray film + converter more neutrons n-imaging plates Track etch foils detector development!!! Stanislav Pospíšil

16. 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  a (2.05 MeV) + 3H (2.72 MeV) 10B: 10B + n  a (1.47 MeV) + 7Li (0.84 MeV) + g (0.48MeV) (93.7%) 10B + n  a (1.78 MeV) + 7Li (1.01 MeV) (6.3%) 113Cd: 113Cd + n  114Cd + g (0.56MeV) + conversion electrons 155Gd: 155Gd + n 156Gd + g (0.09, 0.20, 0.30 MeV) + conversion electrons 157Gd: 157Gd + n 158Gd + g (0.08, 0.18, 0.28 MeV) + conversion electrons Detector: 300 mm thick silicon pixel detector (pixel size 55 mm) bump bonded to Medipix-2 readout chip. Stanislav Pospíšil

17. a particle Pixel row Charge spread Studium prostorového rozlišení • Spatial resolution is affected by: • Range of heavy charged particles in converter material – depends on density • 6LiF (r=1.6 g/cm3): RTriton=52mm, Ra=10mm • 10B (r=1.2 g/cm3): RLi=5mm, Ra=7mm • Range in silicon • 6LiF: RTriton=44.1mm, Ra=8.6mm. • 10B: RLi=3mm / 2.7mm, Ra=5.4mm / 5.2mm • Charge sharing effect ? Stanislav Pospíšil

18. Medipix-2 without converter layer Alpha particles: 5.6 MeV (241Am) Short exposition time Circular clusters observed FWHM = 2.61 Dependence of cluster size on threshold level Testy Medipix2 s alfa částicemi Stanislav Pospíšil

19. Testy s termálními neutrony • NEUTRA 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 reactorat 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° Stanislav Pospíšil

20. 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 level LSF Fit by ERF: LSF FWHM=107 mm s=0.83 pixel= 43 mm Spatial resolution is limited by size of clusters and range of product particles in silicon (RTriton=44mm, Ra=8.9mm) Stanislav Pospíšil

21. Srovnání našeho neutronového detektoru Medipix-2 s ostatními detektory užívanými k zobrazování • 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 50mm) • Medipix-1 device with 6LiF converter • Medipix-2 device with 6LiF converter Stanislav Pospíšil

22. Medipix-2 Imaging plate CCD Medipix-1 Medipix-2 CdTe Příkladzobrazení – slepá nábojnice Roentgenography Photograph Medipix-1 Neutronography Stanislav Pospíšil

23. Příklad zobrazení rybářský vlasec na hliníkové destičce (kompozitní materiál) Fishing line of 100 mm diameter Medipix-1 Imaging plate Medipix-2 Stanislav Pospíšil

24. Hodinový strojek v uzavřeném pouzdře Metallic cover was fixed on watch in time of measurement ! Exposition time = 500 seconds Stanislav Pospíšil

25. Brouk Neutrons shows soft tissue, while X-rays virtually empty armor. Both images taken by the same detector! X-rays Neutrons (low statistics) Stanislav Pospíšil

26. Neutronová mikrotomografie Blank cartridge Explosive filling clearly visible Taken 100 projections 150 seconds each. Reconstruction using filtered back-projection algorithm. Stanislav Pospíšil

27. Neutronová microtomografie Lemo connector Golden contacts inside Taken 100 projections 150 seconds each. Reconstruction using filtered back-projection algorithm. Stanislav Pospíšil

28. Neutronová microtomografie Tooth Pot Stanislav Pospíšil

29. „Nadívaný“ 3D detektorCesta ke zvýšení účinnosti s pomocí mikro- a nano-technologií (ČVUT, KTH Stockholm, Glasgow, Sundsvall, Freiburg, Helsinky) Empty structure Filled by 6LiF Simulated dependency of detection efficiency on the width of holes for different densities of 6LiF converter. 3d structure: Square holes (200 mm deep) in the sensor are filled by converter material. Simulated efficiency of such structure can achieve almost 40%. Stanislav Pospíšil

30. Medipix2 with surface converter Medipix2 with stuffed detector Srovnání detektorů k neutronovému zobrazováníMedipix adaptován na rychlou neutronovou kamerus nejvyšším rozlišením mezi neutronovými detektory aktivního typu (under the conditions at the NEUTRA facility at PSI) Intensified real-time camera CCD camera + scintillator N-Pilatus pixel detector Amorphous Si flat panel X-ray film + converter more neutrons n-imaging plates Track etch foils detector development!!! Stanislav Pospíšil

31. Závěr • Uvedl 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. Stanislav Pospíšil

32. Díky kolegům a spolupracovníků za poskytnuté podklady a publiku za pozornost Stanislav Pospíšil