Evaluation of the radiation environment of the LHCb experiment

Abstract

Aufgrund der von hochenergetischen Proton-Proton Kollisionen im LHC erzeugten einzigartigen Strahlungsfelder ist mit Auswirkungen auf die Detektoren der LHC Experimente und deren Elektronik zu rechnen. Das LHCb Experiment, eines der vier grossen LHC Experimente, hat im Jahr 2009 den Betrieb aufgenommen und sammelt seit 2011 Daten mit der ursprünglich geplanten und später auch mit einer dieser gegenüber erhöhten Kollisionsrate. Die Detektoren und die mit diesen verbundene Elektronik sind bei Überschreitung der zu erwartenden Strahlungswerte dem Risiko von Beschädigungen ausgesetzt. Um die Situation ausreichend beurteilen und gegebenenfalls korrektive Massnahmen ergreifen zu können, ist es notwendig, die Strahlungsumgebung des Experimentbereichs zu überwachen und die Messwerte mit den Voraussagen von Simulationen zu vergleichen. Ein grundsätzliches Verständnis der existierenden Strahlungsumgebung gewährt wertvolle Einsichten für die Planung von Wartungsarbeiten sowie für den Betrieb mit erhöhter Luminosität nach dem geplanten Upgrade des Experiments. Eine Zusammenstellung von Strahlungsmessgeräten wurde im Experimentalbereich von LHCb installiert um verschiedene Aspekte der Strahlungsumgebung zu untersuchen. Passive Dosimeter, inklusive Thermo-Lumineszenz-, Radio-Photoluminescence- und Polymer-Alanine-Dosimeter, wurden um und innerhalb des Detektors verteilt um die je nach Messort stark variierenden Strahlungsniveaus abzudecken. Viele dieser teils bereits über Jahre erprobten und in verschiedensten Situationen eingesetzten Sensortypen werden nun in dem im Experiment produzierten neuartigen Strahlenfeld eingesetzt. Aktiv betriebene Monitore, bestehend aus einer Leiterplatine mit mehreren Feldeffekt-Transistoren und Dioden als Sensoren, wurden in der Nähe der passiven Sensorpositionen installiert um sowohl Spitzen- als auch Langzeitwerte des Strahlenfeldes zu messen. Diese aktiven Sensoren können online ausgelesen und deren Messwerte in einer Datenbank gespeichert werden. Die Dissertation beschäftigt sich mit dem Studium des Strahlenfeldes des Experiments in all seinen Aspekten. Messungen von aktiven und passiven Sensoren werden analysiert und von Rohdaten in physikalische Messgrössen konvertiert. Vergleichende Analysen zwischen den beiden Systemen werden durchgeführt und die Messwerte werden mit den sich ändernden Betriebsbedingungen des Experiments korreliert. Viele Aspekte der Strahlungsumgebung des LHCb Experiments wurden in der Vergangenheit mittels Simulation unter der Annahme von 14 TeV center of mass (CM) Kollisionsenergie und nomineller LHCb Luminosität evaluiert. Um derartige Erwartungswerte besser mit den tatsächlichen Messwerten vergleichen zu können, werden neue Simulationsstudien durchgeführt, in denen die jeweiligen Betriebsparameter der Jahre 2010 bis 2013 mit 7 bzw. 8 TeV CM Kollisionsenergie nachempfunden werden. Für die Realisierung dieser Studien wird das Monte Carlo Programm FLUKA benutzt, das eine realistische Simulation des Transports von Teilchen und deren Interaktion mit Materie ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Studien werden begutachtet und es werden Rückschlüsse auf potentielle Verbesserungsmöglichkeiten des experimentellen Aufbaus gezogen. Die Evaluierung des Verlässlichkeitsgrades der Simulation ist essentiell, da die daraus resultierenden Abschätzungen eine wichtige Informationsgrundlage darstellen, um technische Entscheidungen bezüglich des geplanten Upgrades des Experiments für einen Betrieb mit höherer Luminosität zu fällen.

The unprecedented radiation levels of the Large Hadron Collider (LHC) during high-energy proton-proton collisions will have an impact on the operation of its experiments- detectors and electronics. LHCb, one of the 4 major LHC experiments, has started operation in 2009 and from 2011 onward it has been collecting data at and above its design luminosity. Detectors and associated detector electronics are prone to damage if the radiation levels exceed the expected values. It is essential to monitor the radiation environment of the experimental area and compare it with predictions obtained from simulation studies in order to assess the situation and take corrective action in case of need. Understanding the existing radiation environment will also provide important input to the planning of maintenance and for operation at upgrade luminosity. A set of radiation detectors has been installed in the LHCb experimental area to measure different aspects of its radiation environment. Passive dosimeters including Thermo-Luminescence-Dosimeters, Radio-Photoluminescence-Dosimeters and Polymer-Alanine-Dosimeters are distributed throughout the detector to cover the wide range of radiation levels expected. Many of these sensors, widely used for the measurements of radiation fields, are applied in the unprecedented radiation environment that is being produced in the experiment. Active radiation monitors, consisting of small printed-circuit-boards with multiple radiation sensitive field-effect-transistor and diode sensors have been installed close to passive sensor positions to allow for the monitoring of both peak and long term radiation levels. They can be read out online and the data stored in a database. The thesis involves studying the radiation environments of the experiment in all of its aspects. Measurements collected by the active and passive sensors are analyzed and converted from raw data to physical quantities. Cross calibrations are performed between the two systems and the measurements are correlated with the evolving running conditions. Another important element of the project is the comparison of the measurements with simulation estimates. Many aspects of the radiation environment of the LHCb experiment have been numerically evaluated in the past assuming 14 TeV center of mass (CM) collision energy and nominal LHCb luminosity. In order to better compare the expectation with the measurements, new simulation studies reflecting the run conditions in 2010-2013 with 7 and 8 TeV CM collision energy are performed. These simulation studies to evaluate the various aspects of the radiation environment of LHCb are carried out with FLUKA, a state of the art program for the simulation of high energy particle transport and interaction with matter. The results are reviewed, also in regard to integrating changes in the experimental setup if needed. Establishing the reliability of the simulation is essential, as it is needed to provide important input for technical choices in view of the planned upgrade of the experiment for operation at higher luminosity.