Repository of the Institute of Nuclear Physics PAN
Not a member yet
364 research outputs found
Sort by
Simulation studies and tests of the light detection and trigger systems of the ICARUS detector in the Short Baseline Neutrino program at Fermilab
No full textProgram neutrinowy z krótką bazą pomiarową (Short Baseline Neutrino - SBN) w Narodowym Laboratorium Przyspieszania Cząstek Elementarnych im. E. Fermiego (FNAL lub Fermilab) w USA wpisuje się w szeroki zakres eksperymentalnych poszuki- wań neutrin sterylnych, których istnienie jest jednym z fundamentalnych otwartych pytań fizyki neutrin. Głównym celem programu SBN jest poszukiwanie, przy uży- ciu wiązek neutrin akceleratorowych, tzw. efektu LSND, czyli oscylacji neutrin dla różnicy kwadratu mas neutrin ∆m2 rzędu 1 eV2, niezgodnej z oscylacjami tylko trzech aktywnych neutrin z Modelu Standardowego. Celem SBN jest też wykonanie precyzyjnych pomiarów oddziaływań neutrin z Argonem.
Pomiary wiązki przed oscylacjami będą wykonywane w detektorze SBND w odle- głości 110 m od źródła neutrin, natomiast pomiary pojawiania się νe (ν¯e) oraz zanika- nia νµ (ν¯µ) będą badane w detektorach MicroBooNE i ICARUS w odległościach odpowiednio 470 m i 600 m. Wszystkie trzy detektory to ciekło-Argonowe komory projekcji czasowej (LAr TPC). Badania oddziaływań neutrin za pomocą detektora MicroBooNE rozpoczęły się w 2015 roku. Pierwsze zbieranie danych na potrzeby badań z fizyki za pomocą detektora ICARUS nastąpiło w czerwcu 2021 roku, a dla detektora SBND przewidywane jest w 2023 roku.
Detektory SBN, pracujące blisko powierzchni Ziemi, są narażone na znaczne tło kosmiczne, które może naśladować prawdziwe oddziaływania neutrin. Fundamentalne znaczenie ma więc odróżnienie sygnałów związanych z oddziaływaniami neutrin od tych indukowanych przez promienie kosmiczne.
Temat tej rozprawy doktorskiej jest związany z detektorem ICARUS, ze szcze- gólnym uwzględnieniem jego systemów detekcji światła i wyzwalania. Zanim detektor został przetransportowany do laboratorium Fermilab w kwietniu 2017 roku, system detekcji światła został znacząco zmodernizowany w laboratorium CERN. Detektor został wyposażony w 360 8" fotopowielaczy typu R5912 wyprodukowanych przez Hamamatsu. Na systemie detekcji światła oparto proponowany system wyzwala- nia, bazujący na zbieżności szybkich sygnałów światła scyntylacji, mierzonych przez fotopowielacze, z czasem przybycia neutrin wiązki do detektora.
Niniejsza rozprawa przedstawia testy i ocenę działania fotopowielaczy oraz prace dla systemu wyzwalania, które zostały przeprowadzone w laboratorium CERN. Testy fotopowielaczy dowiodły, że system detekcji światła detektora ICARUS spełnia wyma-
gania programu SBN, a sam detektor zdoła pracować na powierzchni Ziemi. Pierwsze testy elementów systemu wyzwalania wykazały prawidłowe działanie elektroniki wy- zwalającej. Pozwoliły też na opracowanie i sprawdzenie wstępnej logiki systemu wyzwalania na podstawie pomiarów mionów kosmicznych zarejestrowanych przez stanowisko testowe wyposażone w ciekły Argon oraz na podstawie przeprowadzonych symulacji. Niektóre wyniki tych symulacji zostały przedstawione w niniejszej pracy. Ponadto, po raz pierwszy zmierzono prędkość grupową fotonów scyntylacyjnych w ciekłym Argonie.
Kalibracja systemu detekcji światła oraz dalszy rozwój logiki systemu wyzwala- nia, mający na celu zwiększenie ich efektywności w pozyskiwaniu danych fizycznych, zostały przeprowadzone dla ostatecznej konfiguracji detektora podczas jego uru- chomienia w Fermilabie. Logika systemu wyzwalania jest nadal testowana i dostra- jana.
W niniejszej pracy przedstawiono również sposób wykorzystania informacji z fotopowielaczy do filtrowania oddziaływań neutrin i mionów kosmicznych poprzez zastosowanie sieci neuronowej (Convolutional Neural Network - CNN) do symu- lowanych danych. Wyniki pokazują, że dzięki tej metodzie tło kosmiczne może być zredukowane nawet o 76% przy efektywności selekcji neutrin na poziomie 99%. Ponieważ praca ta ma na celu filtrowanie rzeczywistych danych, które nie są identy- czne z symulowanymi, przedstawiono również sposób łagodzenia błędów wynikają- cych z niedoskonałych symulacji poprzez zastosowanie domenowych sieci neuronowych (Domain Adversarial Neural Network - DANN). Wyniki pokazują, że trening przeci- wstawny poprzez DANN może złagodzić utratę wydajności przy stosunkowo niskim koszcie zmniejszonego odrzucania tła. Jest to pierwsze zastosowanie DANN dla CNN jako klasyfikatora zdarzeń dla LAr TPC. Po raz pierwszy prezentowane są też wyniki zastosowania DANN do danych rzeczywistych zebranych za pomocą detektora ICARUS w czerwcu 2021 roku.The Short Baseline Neutrino (SBN) program at the Fermi National Laboratory (Fer- milab or FNAL) in the US inscribes in an extensive experimental programme of searches for sterile neutrino(s), whose existence is one of the fundamental open ques- tions of neutrino physics. The main objectives of the SBN program are searches for the LSND-like sterile neutrino oscillations using accelerator neutrino beams with full coverage of relevant values of the ∆m2 eV2 oscillation parameter, inconsistent with oscillations of only the three active neutrino of the Standard Model, and making precision measurements of neutrino interactions with Argon.
The measurements of the beam before oscillations will be done in the SBND detector at a distance of 110 m from the neutrino source while the measurements of the νe (ν¯e) appearance and νµ (ν¯µ) disappearance will be studied in the MicroBooNE and ICARUS detectors at distances of 470 m and 600 m, respectively. All the three detectors are liquid Argon Time Projection Chambers (LAr TPCs). The studies of neutrino interactions with the MicroBooNE detector have started in 2015. The first physics data taking with the ICARUS detector was in June 2021, while for SBND it is planned for the year 2023.
The SBN detectors, working near the Earth surface, are exposed to a substantial cosmic background, which can mimic the genuine neutrino interactions. Thus, it is fundamental to distinguish the signals related to the neutrino beams from those induced by the cosmic rays.
The subject of this thesis is related to the ICARUS detector with a focus on its light detection and trigger systems. Before the detector was transported to Fermi- lab in April 2017, the light detection system was significantly upgraded at CERN. The detector was equipped with 360 8" R5912 Hamamatsu Photomultiplier Tubes (PMTs). The proposed trigger system, based on the coincidence of the prompt scin- tillation light signals, measured by PMTs, with the arrival time of beam neutrinos in the detector, is based on the light detection system.
This thesis presents the tests and evaluation of the PMTs performance and the development of the trigger system, which were carried out at CERN. The PMT tests proved that the ICARUS light detection system fulfils the requirements of the SBN program, and the detector will manage to operate at the Earth surface. The first tests of the trigger elements showed the proper performance of the trigger electronics and
helped to develop and check the initial trigger logic based on cosmic muons registered in the liquid Argon test facility and on simulated events. Some simulation results are presented in this thesis. Moreover, the group velocity of scintillation photons in liquid Argon has been measured for the first time.
The light detection system calibration and further development of the trigger logic, aiming at increasing their efficiencies for physics data taking, had been per- formed for the final detector configuration during the detector commissioning at Fermilab. The trigger system logic is still under test and tuning.
This thesis also presents a way of using the PMT information for filtering neu- trino interactions and cosmic muons by applying a Convolutional Neural Network (CNN) to the simulated data. The results show that with this method, the cosmic background can be reduced by up to 76% with a neutrino selection efficiency of 99%. However, this work aims at filtering the real data cases, which are usually not identi- cal to the simulated ones. Thus, a way to mitigate biases from imperfect simulations by applying Domain Adversarial Neural Networks (DANNs) is also presented. The results demonstrate that adversarial training through a DANN can alleviate the loss of efficiency at a relatively low cost of reduced background rejection. This is the first application of DANN for CNN as an event classifier for a LAr TPC. The results of applying DANN to the real data collected with the ICARUS detector in June 2021 are presented for the first time.17
Searching for Beyond-the-Standard-Model Physics Using Signatures with Tau Leptons in the Final State at the ATLAS Experiment
No full textGłównym tematem niniejszej rozprawy są poszukiwania ciężkich, nienaładowanych bozonów Higgsa rozpadających się na dwa leptony tau. Istnienie takich bozonów jest przewidywane w niektórych modelach spoza Modelu Standardowego, jak na przykład w modelach z dwoma dubletami Higgsa i w Minimalnym Supersymetrycznym Modelu Standardowym (MSSM). Poszukiwania obejmowały przedział mas od 200 GeV do 2.5 TeV i wykorzystywały dane ze zderzeń protonów, które zostały zebrane przez detektor ATLAS na LHC w latach 2015-2018 przy energii środka masy równej 13 TeV. Analiza była podzielona na dwie rundy. W pierwszej rundzie grupa wykonująca analizę korzystała ze strategii używanej we wcześniejszej wersji analizy, w której badano tylko dane z lat 2015 i 2016. Głównym zadaniem autorki wewnątrz grupy była walidacja estymacji tła z dżetami QCD niepoprawnie zidentyfikowanymi jako leptony tau, w zdarzeniach, w których jeden lepton tau rozpada się na leptony, a drugi na hadrony i neutrino (‘kanał rozpadu tau lep tau had). W tej rundzie analizy nie stwierdzono obecności nowych bozonów. Wyznaczono nowe limity wykluczające ich istnienie powyżej pewnych wartości iloczynu przekroju czynnego na produkcję bozonu i współczynnika rozgałęzienia bozonu na dwa leptony tau (limit niezależny od modelu) oraz w pewnych obszarach przestrzeni fazowej dwóch wersji modelu MSSM (limit zależny od modelu). W drugiej rundzie analizy wprowadzono ulepszenia strategii. Zdaniem autorki było stworzenie modeli uczenia maszynowego do rozróżniania sygnału i tła w kanale rozpadu tau lep tau had. Celem było uzyskanie poprawy czułości analizy względem używania standardowej zmiennej dyskryminacyjnej, którą była zmienna masowa mtotT. Wytrenowano zboostowane (wzmacniane) drzewa decyzyjne oraz sieci neuronowe sparametryzowane masa˛ używając zmiennych masowych i kinematycznych. Najlepszą czułość uzyskano stosując zboostowane drzewa decyzyjne; oczekiwany limit niezależny od modelu został poprawiony o maksymalnie 67.5% i 28.6% dla zdarzeń z niskimi masami sygnałowymi, odpowiednio w stanach końcowych z i bez dżetów b. W momencie składania tej pracy analiza jest ciągle w toku.
W rozprawie poruszane są jeszcze dwa tematy. Pierwszym są teoretyczne rozważania
o możliwym związku między problemem ‘nienaturalnie dostrojonej’ masy bozonu Higgsa
i problemem stałej kosmologicznej, w kontekście warunków Veltmana i Pauliego na kasowanie się rozbieżności oraz w kontekście Modelu Standardowego jako efektywnej teorii
pola. Omówiona jest również możliwa rola dodatkowych bozonów Higgsa. Ta część
rozprawy jest skutkiem współpracy między autorką a Stevenem Bassem. Drugim tematem
jest walidacja ATLAS-owych próbek Monte Carlo z leptonami tau. W ramach walidacji
sprawdzane były: polaryzacja, współczynniki rozgałęzienia i rozkłady zmiennych
kinematycznych leptonów tau oraz rozkłady zmiennych wejściowych do zboostowanego
drzewa decyzyjnego używanego do identyfikacji leptonów tau w eksperymencie ATLAS.The main focus of this thesis is the search for heavy, neutral Higgs bosons decaying to two tau leptons. The existence of such bosons is predicted by certain Beyond-the- Standard-Model (BSM) models such as Two-Higgs-Doublet Models and the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). The search was conducted in the mass range between 200 GeV and 2.5 TeV using proton-proton collision data collected by the ATLAS detector at the LHC in the years 2015-2018 at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis was split into two rounds. In the first round, the analysis group followed the same strategy as the one used in a previous paper analyzing only 2015 and 2016 data. The author’s main task within the analysis group was to validate the estimation of back- ground contributions with QCD jets misidentified as tau leptons in events where one of the tau leptons decays to leptons and the other one to hadrons and a neutrino (‘τlepτhad decay channel’). In this analysis round, no evidence of new bosons was found,
and new exclusion limits were set on the BSM Higgs boson production cross-section times the branching ratio to two tau leptons (model-independent limit) and on the phase space of two MSSM benchmark scenarios (model-dependent limits). In the second analysis round, improvements were introduced to the analysis strategy. The author’s task was to develop machine learning models for discriminating between signal and background events in the τlepτhad decay channel. The goal was to obtain a better performance compared to the standard final discriminating variable, the mass variable mtot. Boosted decision trees and mass-parameterized neural networks were trained using mass variables and kine- matic variables. Ultimately, the
best performance was obtained with boosted decision trees, improving the expected
model-independent exclusion limits by up to 67.5% and 28.6% for low-signal-mass events with and without b-jets in the final state, respectively. At the time of submitting this thesis, the second analysis round was ongoing.
Two additional areas of focus are presented in this thesis. The first is a
theoretical examination of the possible link between the Higgs mass fine-tuning problem and the cosmological constant problem, taking into consideration Veltman and Pauli divergence-cancelling conditions, as well as the Standard Model effective field theory. The possible role of BSM Higgs bosons is discussed here. This part of the thesis is the result of a collaboration between the author and Steven Bass. The second area of focus is the validation of ATLAS Monte Carlo samples containing tau leptons. Validation studies included polarization measurements, branching ratio and kinematic variable checks, and comparisons of input variables for the ATLAS tau-lepton-identifying boosted decision tree model.13
Extending of the pytrip software package for biologically optimized proton radiotherapy
No full textRecent years brought several developments in treatment planning with variable radiobiological effectiveness for proton radiotherapy. Commercial clinical and research treatment planning systems are, in addition to their costs and availability, hard to adapt for emerging models and new approaches in proton therapy planning. We aim at providing suitable, open access and extensible software toolbox for research in treatment planning, based on the TRiP98 program and freely available libraries.
The research platform is composed of two projects: a core library called pytrip and a graphical user interface (GUI) called pytripgui. Both projects are implemented mainly in the Python programming language. The core library is capable of handling DICOM and VOXELPLAN data format by custom readers based on the NumPy library. Pytrip provides a powerful toolbox for research in treatment planning. In our system, the treatment plan is calculated by the TRiP98 program which can be run locally or remotely. Several additions not included in TRiP98 are provided by the pytrip toolbox, like empirical models of variable RBE in proton therapy, calculations of DVH, DICOM support. Graphical user interface supplements TRiP98 by a plotting tool, capable of handling CT scans and relevant quantities like dose, LET and RBE. GUI source code was upgraded to use a new widget toolkit - PyQt5 framework, which enables maintenance and simplifies further development of the project.
Pytrip provides a powerful toolbox for research in treatment planning. It enables the development and testing of variable RBE models for proton therapy. Graphical user interface aids users in the visualization and calculation of treatment plans for research purposes.KE, Horizon 2020 project INSPIRE73098
Quality Assurance and Control Methods for Serial Production of Superconducting RF Cavities Assembled in Cryomodules
No full textThe European X-ray Free Electron Laser (E-XFEL) jest infrastrukturą naukową z jednym z najdłuższych akceleratorów liniowych na świecie. Infrastruktura ta rozpościera się na długości 1.7 km, pomiędzy ośrodkiem Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) w Hamburgu i landem Schleswig-Holstein. Głównymi elementami jej akceleratora liniowego są kriomoduły. Kriomoduły E-XFELa składają się z 8 nadprzewodzących wnęk rezonansowych pracujących na 1.3 GHz.
Jednym z głównych wyzwań w takcie początkowej fazy tego projektu były testy kwalifikacyjne komponentów akceleratora. Testy te zostały przeprowadzone dla 800 wnęk i 100 kriomodułów produkowanych seryjnie, jak również dla 3 prototypowych. Testy kriomodułów dzieliły się na dwie grupy. Pierwsza grupa była wykonywana z użyciem wektorowego analizatora obwodów (VNA), aby zmierzyć mody fundamentalne i wyższych harmonicznych. Druga grupa testów była wykonywana z użyciem dużej mocy RF, tj. z wykorzystaniem impulsowych wzmacniaczy tzw. klistronów. Celem tych pomiarów było walidowanie parametrów wnęk rezonansowych, tj. gradientu akceleracji oraz dobroci własnej wnęk.
W tej pracy zaprezentowano metody kontroli jakości dla seryjnie produkowanych wnęk rezonansowych zainstalowanych w kriomodułów. Autor niniejszej pracy brał udział w optymalizacji testów wnęk oraz implementacji automatycznego oprogramowania pomiarowego. Głównym efektem tej pracy była minimalizacja błędów ludzkich, która umożliwiła przeprowadzenie testów zgodnie z harmonogramem.The longest linear accelerators reach the length of a few kilometres. One of them is
a part of the European X-ray Free Electron Laser (E-XFEL) infrastructure, starting from
Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) facility in Hamburg and ending in the next land
Schleswig-Holstein. The E-XFEL total length is 1.7 km and the nominal electron beam
energy is 17.5 GeV. The main elements of the E-XFEL linear accelerator are accelerating
cryomodules. The E-XFEL cryomodule consists of 8 Superconducting Radio Frequency
(SRF) cavities operating at the resonant frequency of 1.3 GHz.
One of the challenges of the initial phase of the E-XFEL project was the qualification
tests of accelerating components. The qualification tests were performed for 800 cavities
and 100 serial-production cryomodules as well as 3 pre-series cryomodules. The cryomodule tests consisted of low and high power groups of Radio Frequency measurements. The
first group of measurements was performed with the use of the Vector Network Analyzer
to measure the Fundamental Modes and Higher Order Modes. The second group of measurements was performed with the high power, namely with the use of the pulsed power
amplifiers (klystrons). The aim of these measurements was to validate the cavities nominal
parameters: the accelerating gradient and the own quality factor.
In this dissertation the quality assurance and control methods for serial production of
SRF cavities assembled in cryomodules is presented. The author’s contribution to this
work was realized by the optimization of the testing methodology and implementation
of the automated software for the E-XFEL project. The main profits from this work was
assuring the repeatability of measurements by minimizing of human’s errors, which resulted
in keeping of the project’s deadlines.14
Popular Medicines as Radiation Sensors
No full textIEEE Copyright Notice
• ©2021 IEEE. Personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or to reuse any copyrighted component of this work in other works must be obtained from the IEEE.
• This material is presented to ensure timely dissemination of scholarly and technical work. Copyright and all rights therein are retained by authors or by other copyright holders. All persons copying this information are expected to adhere to the terms and constraints invoked by each author's copyright. In most cases, these works may not be reposted without the explicit permission of the copyright holder.
A. Mrozik, P. Bilski. Popular Medicines as Radiation Sensors. IEEE Sensors Journal 21 (2021), 16637-16642, DOI: 10.1109/JSEN.2021.3082285
https://ieeexplore.ieee.org/document/9436773During an uncontrolled release of radiation, it is highly unlikely that members of the public will be equipped with personal radiation dose monitors. In preparation for such a situation various personal objects are being investigated as emergency dosimeters. The already developed methods are not satisfactory, as they are time-consuming or require destruction of things valuable for victims.
Here we show, that common pharmaceuticals, which frequently may be found e.g. in personal bags, are the perfect candidate as radiation sensors in emergencies. We investigated several over-the-counter medicines for occurrence of the optically stimulated luminescence phenomenon and found that all of them exhibit strong luminescence signal following exposure to ionizing radiation.
Its intensity increases linearly with the absorbed dose. The highest sensitivity was shown by the popular painkillers based on ibuprofen and paracetamol. The intensity of their luminescence signal was found to enable measurement of doses well below 1 Gy, what is sufficient for application in emergency dosimetry. Pharmaceuticals are also free of all disadvantages of other emergency dosimeters: their composition is standardized, sampling is immediate, the unit value is usually negligible. We expect our results to be a starting point for broader investigations of various medicines, which should provide a perfect tool for emergency dosimetry
Studies of Multi-Parton Interactions in Diffractive Processes with the ATLAS Forward Proton Detectors
No full textNiniejsza rozprawa doktorska poświęcona jest pomiarowi efektów oddziaływań wielopartonowych występujących w przypadkach dyfrakcyjnych w zderzeniach proton-proton na akceleratorze LHC. Jedną z sygnatur takich oddziaływań jest obecność nietkniętego protonu, zwanego protonem dyfrakcyjnym, który może być zmierzony przez detektory do przodu. Przykładem takich detektorów, będących częścią eksperymentu ATLAS, są detektory AFP. Analiza prze- prowadzona w niniejszej pracy opiera się na danych o scałkowanej świetlności wynoszącej około 56 nb−1, pochodzących z oddziaływań proton-proton przy energii zderzenia w układzie środka masy wynoszącej 13 TeV. Dane te zostały zebrane w 2017 roku w trakcie specjalnych okresów zbierania danych, w których akcelerator pracował z niską świetlnością chwilową. Warto podkreślić, że to jest pierwsza analiza mająca na celu pomiar efektów oddziaływań wielopartonowych w przypadkach dyfrakcyjnych.
W pracy analizowano rozkłady wrażliwe na efekty oddziaływań wielopartonowych: średniej krotności naładowanych śladów, sumy pędów poprzecznych naładowanych śladów i średni pęd poprzeczny naładowanych śladów. Obserwable te oparto o naładowane ślady, których absolutna wartość pseudorapidity jest mniejsza niż 2,5 oraz i których pęd poprzeczny jest większy niż 500 MeV. Ponadto wymagana była obecność naładowanego śladu, sładu wiodącego, którego pęd poprzeczny przekracza 1 GeV, oraz dyfrakcyjnego protonu, którego względna stata energii wynosi pomiędzy 3,5 i 8%.
Pomiar został przeprowadzony w trzech obszarach kąta azymutalnego wyznaczanego względem śladu wiodącego. Obszary te charakteryzują się różną czułością na efekty oddziaływań wielopartonowych. Otrzymane rozkłady badanych obserwabli zostały poprawione na efekty związane z wydajnością rekonstrukcji wierzchołka i śladu oraz wydajnością trygera AFP. Oszacowane zostały również przyczynki dwóch rodzajów tła. Przewidywania modelu Monte Carlo, Pythia 8 A2, dla oddziaływań pojedynczej dysocjacji dyfrakyjnej, zostały skonfrontowane z wynikami pomiarów. Okazało się, że model ten nie potrafi opisać mierzonych zależności. Prze- prowadzono próbę justowania parametrów modelu Pythia 8 A2 dla oddziaływań pojedynczej dysocjacji dyfrakyjnej, w wyniku której otrzymano wersję modelu dostarczającą znacznie lepszy opis danych doświadczalnych.This thesis is devoted to the study of the effects of Multi-Parton Interactions in diffractive events observed in proton-proton interactions at the Large Hadron Collider. Intact protons originating from such events were tagged and measured by dedicated forward detectors of the ATLAS experiment at the LHC – the AFP detectors. These detectors are installed in the LHC tunnel about 2̃10 m from the interaction point. The analysis was performed using the data sample, corresponding to the integrated luminosity of 56 nb−1, of proton-proton collisions at the centre-of-mass energy of √s= 13 TeV. These data were collected in 2017 in a dedicated run with low instantaneous luminosity. The presented study is the first attempt to analyse the MPI effects in a sample enhanced with diffractive processes.
The measured MPI sensitive observables are: the mean charged track multiplicity, the mean of the sum of the charged particle track transverse momenta, and the mean charged track transverse momentum. The observables were constructed using charged particle tracks with the absolute pseudorapidity up to 2.5 and with the transverse momentum greater than 500 MeV. In addition, the presence of the leading track, the charged particle track with the transverse momentum above 1 GeV, and a diffractively scattered proton with the relative energy loss between 3.5% and 8% were required.
The measurements were performed in three regions of the azimuthal angle defined with respect to the leading track. These regions have different sensitivity to MPI. Two types of background were estimated and their contributions were subtracted statistically from the experimental distributions. The results were corrected for the detector effects – the track and vertex recon- struction efficiencies and the AFP trigger inefficiency. Predictions of the Pythia 8 A2 single diffractive Monte Carlo were compared to the experimental results and it was found that they fail to reproduce the data. Tuning of the Pythia 8 single diffractive Monte Carlo parameters was attempted and the resulting model provides a much better description of the experimental data.9
Properties of the nanocrystalline layers obtained by methods of severe plastic deformation in metals and alloys for biomedical applications
No full textZe względu na rosnące zapotrzebowanie na trwałe materiały, które mogą zostać wykorzystane do produkcji protez, biometale cieszą się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem. Można zaobserwować dużą aktywność naukową w zakresie poprawy właściwości i trwałości implantów stosowanym w ludzkim ciele. Uszkodzenie implantu zwykle zaczyna się na jego powierzchni w wyniku zmęczenia, zużycia lub korozji. Proces niszczenia można jednak spowolnić poprzez zastosowanie odpowiednich technik modyfikacji powierzchni, które prowadzą do powstania struktury nanokrystalicznej na powierzchni implantu. Szczególnie popularne stały się dziś te oparte na silnym odkształceniu plastycznych. Zastosowanie tych metod skutkuje powstaniem ultradrobnoziarnistej struktury, a także dużej liczby defektów sieci krystalicznej, których wprowadzenie znacznie zmienia właściwości materiału. Pomimo ciągłych wysiłków zmierzających do zrozumienia procesu korozji, wpływ defektów sieci krystalicznej wciąż nie jest do końca poznany. Dlatego potrzebne są badania interdyscyplinarne, łączące fizykę, materiałoznawstwo i elektrochemię w celu lepszego zrozumienia odporności korozyjnej materiałów nanokrystalicznych.
Głównym celem niniejszej pracy jest zbadanie, w jaki sposób obecność defektów sieci krystalicznej wprowadzanych podczas silnego odkształcenia plastycznego jest skorelowana z właściwościami biometali, a zwłaszcza ich odpornością korozyjną. Przedmiotem badań są gradientowe mikrostruktury z nanokrystalicznymi warstwami wierzchnimi, wytworzonymi przy pomocy powierzchniowej obróbki mechaniczno ściernej (SMAT) oraz peeningu laserowego (LSP) w biometalach takich jak magnez, tytan i stal nierdzewna 316L. Praca ma charakter interdyscyplinarny i łączy fizykę z materiałoznawstwem i elektrochemią. Spektroskopię anihilacji pozytonów, która jest główną metodą badawczą niniejszej pracy, połączono z badaniami mikrotwardości, dyfrakcją wstecznie rozproszonych elektronów, dyfrakcją rentgenowską, badaniami chropowatości powierzchni za pomocą profilometru optycznego oraz badaniami odporności na korozję w celu oceny wpływu SMAT oraz LSP na właściwości badanych materiałów.
Zastosowanie spektroskopii anihilacji pozytonów pozwoliło uzyskać głębokościowe rozkłady defektów w zdeformowanych warstwach powierzchniowych, które porównano z obserwowaną mikrostrukturą, profilami mikrotwardości oraz wartościami naprężeń. Wykazano, że SMAT poprawia odporność korozyjną magnezu i tytanu oraz stwierdzono korelację między koncentracją defektów, a odpornością korozyjną badanych materiałów. Pomiary stabilności temperaturowej próbek tytanu poddanemu SMAT i przygotowanych metodą wyciskania hydrostatycznego ujawniły dwa etapy wyżarzania defektów.Due to the increasing demand for durable materials that can be used in the production of prosthetics, biometals have been attracting much interest in recent years. There can be seen great scientific activity in the field of improving the properties and service time of human body implants. Implant failure usually begins on its surface as a result of fatigue, wear, or corrosion. However, the destruction process can be slowed down by the application of appropriate surface modification techniques which lead to the formation of a nanocrystalline structure on the surface of the implant. Especially, those based on severe plastic deformation are popular nowadays. The application of these methods results in the creation of an ultrafine-grained structure, as well as, a great number of crystal lattice defects which introduction greatly changes the properties of the material. Despite continuous efforts in understanding the corrosion process, the impact of the presence of crystal lattice defects is still not understood completely. That is why there is a need for interdisciplinary research which combines physics, materials science, and electrochemistry for better understanding the corrosion response of nanocrystalline materials.
The main objective of the presented thesis is to study how the presence of crystal lattice defects introduced during severe plastic deformation is correlated with the properties of biometals, especially their corrosion resistance. The subject of the present research are gradient microstructures with nanocrystalline top layers generated by surface mechanical attrition treatment (SMAT) and laser shock peening (LSP) in biometals such as magnesium, titanium, and 316L stainless steel. The thesis has got an interdisciplinary character and it combines physics with materials science and electrochemistry. The positron annihilation spectroscopy, which is the main research method of the present work, is combined with microhardness tests, electron backscatter diffraction, X-ray diffraction, surface roughness tests with an optical profilometer, and corrosion resistance tests to evaluate the impact of SMAT and LSP on the properties of the materials studied.
The use of positron annihilation spectroscopy allowed obtaining defect depth distributions in the deformed surface layers which were compared with the observed microstructure, microhardness profiles, and residual stresses. It was demonstrated that SMAT improved corrosion resistance of magnesium and titanium and the correlation between the defect concentration and corrosion resistance of the materials studied was found. The temperature stability measurements of the SMATed titanium samples and the ultrafine-grained ones prepared with the use of hydrostatic extrusion revealed two stages of defect annealing.16
Development of the Innovative Positron Emission Tomography for Beam Range Monitoring in Proton Radiotherapy
No full textRadioterapia protonowa jest jedną z metod radioterapii, w której stosuje się wiązki protonów przyspieszonych do energii od 60 MeV do 250 MeV. Radioterapia protonowa pozwala uzyskać bardzo dobry rozkład przestrzenny dawki, a w konsekwencji zredukować dawki do organów krytycznych, zwiększyć w razie potrzeby dawki w targecie i zmniejszyć późne efekty uboczne leczenia. Jedną z największych wad radioterapii protonowej jest niepewność zasięgu protonów w czasie napromieniania pacjenta. Niepewności te mogą prowadzić do znaczącego obniżenia dawki w objętości tarczowej lub jej zawyżenia dla organów krytycznych. W literaturze znanych jest kilka metod mających na celu zredukowanie tego efektu poprzez monitorowanie faktycznego zasięgu wiązki protonowej podczas radioterapii. Jedna z metod wykorzystuje β+ promieniotwórcze radioizotopy, powstające w wyniku oddziaływania protonów z tkanką, których rozpad może być zmierzony przy użyciu skanera pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Celem pracy było zbadanie możliwości wykorzystania systemu PET rozwijanego na Uniwersytecie Jagiellońskim, wykorzystującego nowatorskie detektory zbudowane w oparciu o scyntylatory plastikowe do monitorowania zasięgu terapeutycznej wiązki protonowej.
W ramach pracy przygotowano sześć konfiguracji skanera PET na bazie 24, 48 oraz 72 modułów J-PET w formie skanerów cylindrycznych oraz dwugłowicowych. Opracowano metodę badań uwzględniającą obliczenia Monte Carlo z użyciem oprogramowania GATE oraz rekonstrukcję danych PET z użyciem oprogramowania CASToR. Dla każdej konfiguracji geometrycznej skanera wyznaczono współczynnik wydajności η. Ostatnia część pracy polegała na oszacowaniu niepewności wyznaczenia zasięgu oraz optymalizacji parametrów rekonstrukcji: liczby iteracji algorytmu Maximum Likelihood Estimation-Maximization (MLEM) oraz filtru wygładzania.
Metodologia rekonstrukcji danych PET została zwalidowana z użyciem fantomu wodnego wypełnionego jednorodną aktywnością radioizotopu β+. Symulacje Monte Carlo wariancji zasięgu aktywności PET w fantomie PMMA pokazały dokładność oceny zasięgu pojedynczej ołówkowej wiązki protonowej na poziomie 0.82-1.25 mm. Stwierdzono, że kompromisem pomiędzy jakością obrazu PET, dokładnością oszacowania zasięgu oraz technologiczną możliwością zintegrowania skanera w pokoju leczenia jest dwuwarstwowy układ dwugłowicowy.
Przeprowadzone symulacje oraz rekonstrukcja danych PET z użyciem zanonimizowanych danych pacjenta leczonego w Centrum Cyklotronowym Bronowice, pokazały możliwość rekonstrukcji mapy aktywności PET w sytuacji klinicznej. W celu znalezienia optymalnego filtru wygładzania tej mapy obliczono współczynnik korelacji Pearson’a pomiędzy zrekonstruowaną a symulowaną mapą aktywności. Analiza wykazała, że optymalnym filtrem jest filtr Gaussowski z jądrem 1x1x1.
Technologia J-PET jest technologią tańszą, lżejszą, wykazującą się większym polem widzenia oraz z mniejszą ilością elektroniki, w porównaniu do standardowych systemów PET, co czyni ją obiecującą techniką do zastosowania do pomiaru zasięgu w hadronoterapii.Proton therapy is a radiation therapy technique where the proton beams accelerated to between 60 MeV and 250 MeV are applied. It enables excellent dose conformity leading to reduction of the dose in the Organs at Risk (OAR), increasing the dose to target volume and reducing late side effects. The high dose conformity achievable thanks to the steep distal dose fall-off at the end of the Bragg peak is, however, a source of uncertainty of proton range in a patient. This may lead to underexposure of the target or overexposure of an OAR. This disadvantage may be overcome by applying range monitoring, which is currently still not available in the clinical routine. In one of the proposed methods, β+ radioisotopes originating from proton interactions with tissue could be detected with a Positron Emission Tomography (PET) and used to monitor the range of the proton beam. The aim of the work was to investigate the feasibility of the Jagiellonian Positron Emission Tomography (J-PET) system based on the plastic scintillators for range monitoring of therapeutic scanning proton beams.
The workflow consisting of the Monte Carlo transport calculations with GATE and PET data reconstruction with CASToR software was proposed. Six geometrical configurations of PET scanners based on 24, 48 and 72 J-PET modules arranged in the barrel and dual-head setup configurations were investigated. The efficiency factor η was derived to determine the efficiency of each specific setup. The range detection uncertainty and the optimisation of the PET image reconstruction parameters was based on the Maximum Likelihood Expectation-Maximization (MLEM) iterations and dedicated smoothing filters.
The reconstruction methodology was validated for a water phantom with uniformly distributed activity. Monte Carlo studies of PET detected activity range in PMMA phantom revealed that the accuracy for a range assessment of the single proton beam was at the level of 0.82 - 1.25 mm. The double layer dual-head configuration was found a compromise of the image quality, range estimation precision and the ability to integrate the detector in the treatment room. The modelling of PET signal detected by the J-PET system for a patient treated at the Cyclotron Centre Bronowice (CCB) proton therapy centre demonstrated that it is possible to reconstruct the activity distribution maps produced in patients. The Pearson Correlation Coefficient (PCC) was used as a metric to determine the optimal smoothing approach for PET images. It was shown that optimal filtering of the activity maps can be performed using the Gaussian filtering with a 1x1x1 kernel size.
The results demonstrate the feasibility of the J-PET technology for the in-room range monitoring for proton radiotherapy. The proposed system with larger FOV, lighter, with minimized electronic read-out and lower price makes the J-PET technology cost-effective and promising system for proton beam range monitoring in hadrontherapy.17
Fractional Calculus and Material Clock Applied to Relaxation in Complex Systems
No full textModel Debye’a przedstawia elegancki opis zjawisk relaksacji i dyspersji w oparciu o mechanikę statystyczną. Jednak układy charakteryzujące się pojedynczym czasem relaksacji opisuje jako doskonałe ciecze i kryształy, dość dalekie od złożoności, która dotyczy prawie wszystkich materiałów. W ostatnich dziesięcioleciach opracowano wiele modeli fenomenologicznych, aby uwzględnić anomalne odchylenia od modelu Debye’a. Wśród tych anomalnych modeli, model dyspersji Havriliaka-Negami w domenie częstotliwości i relaksacja Kohlrauscha-Williamsa- Wattsa w domenie czasu są kamieniami węgielnymi, które z powodzeniem dopasowują dane eksperymentalne w swoich domenach, mimo że nie są one odpowiednimi odpowiednikami Fouriera. Ta teza dotyczy nowatorskiego podejścia obejmującego nieliniowe zmienne czasu i częstotliwości, inspirowane ideą przywrócenia złamanej symetrii między modelami dyspersyjnymi i relaksacyjnymi w celu dostrojenia pomysłów Debye’a do anomalii obserwowanych w eksperymentach. Najpierw wprowadzamy model fenomenologiczny oparty na równaniu różniczkowym drugiego rzędu ze współczynnikami zależnymi od czasu w celu opisania anomalnej dynamiki relaksacji w fotoluminescencji, podkreślając rolę całkowitej monotoniczności i fizyczne znaczenie funkcji Kohlrauscha-Williamsa-Wattsa z jej osobliwość. Po drugie, wprowadzamy ogólne równanie ewolucji anomalnych procesów relaksacji w kategoriach komutatora oparte na twierdzeniu Reynoldsa-Leibnitza i transformacji materiałowej, która łączy model dyspersji Havriliaka-Negami i relaksację Kohlrauscha-Williamsa-Wattsa. Zebranie wszystkich wyników umożliwiło znalezienie dwóch różnych źródeł anomalnego zachowania. Podsumowując, nasza uwaga skupiła się na bardziej matematycznym zagadnieniu: warunkach pełnej monotonii funkcji specjalnych stosowanych w opisie procesów relaksacyjnych, takich jak funkcja Mittaga-Lefflera i funkcja G Meijera.The Debye model presents an elegant description for the relaxation and dispersion phenom- ena based on statistical mechanics. However, it describes systems, characterized by a single relaxation time, as perfect liquids and crystals, quite far from the complexity which affects almost all materials. In the last decades, many phenomenological models were developed to consider the anomalous deviations from the Debye model. Among these anomalous models, the Havriliak-Negami dispersion model in the frequency domain and the Kohlrausch-Williams- Watts relaxation in the time domain are cornerstones that successfully fit experimental data in their respective domains despite not being the relevant Fourier counterparts.
This thesis deals with a novel approach, involving nonlinear time and frequency variables, inspired by the idea to restore this broken symmetry between dispersion and relaxation models in order to tune the Debye’s idea with the anomalous behaviours observed in experiments. Firstly, we introduce a phenomenological model based on a second order differential equation with time-dependent coefficients to describe the anomalous relaxation dynamics in photoluminescence highlighting the role of the complete monotonicity and the physical meaning of the Kohlrausch-Williams-Watts function with its singularity. Secondly, we introduce a general evolution equation for anomalous relaxation processes in terms of a commutator based on the Reynolds-Leibnitz theorem and a material transform that bridges the Havriliak-Negami dispersion model and the Kohlrausch-Williams-Watts relaxation. Collecting all the results was possible to find two different origins for the anomalous behaviour. To conclude, our attention focused on a more mathematical issue: the conditions for complete monotonicity of special functions used in the description of relaxation processes as the Mittag-Leffler function and the Meijer G-function.13
Studies of three-nucleon force effects in the 1H(d,pn)p breakup reaction at 160 MeV
No full textNiniejsza rozprawa doktorska poświęcona jest badaniom dynamiki systemów kilkunukleonowych, w zderzeniach deuteron-proton, przy energii wiązki deuteronowej 160~MeV. Zebrane dane doświadczalne pozwoliły na wyznaczenie różniczkowych przekrojów czynnych na reakcję rozbicia (breakupu) deuteronu. Prezentowana analiza wyróżnia się spośród wcześniejszych tym, że skupiono się w niej na kanale reakcji z bezpośrednią detekcją pary proton-neutron. Umożliwiło to zbadanie dotąd nie eksploatowanych w naszych pomiarach obszarów przestrzeni fazowej. Pozwoliło to następnie na przetestowanie obliczeń teoretycznych uwzględniających różne aspekty oddziaływań jądrowych takich jak siła trójnukleonowa czy oddziaływanie kulombowskie.
Eksperyment został przeprowadzony w 2011 r. w ośrodku KVI w Groningen w Holandii, przez grupę fizyków z Polski i Holandii. Wiązka rozpędzonych do energii 160 MeV deuteronów zderzana była z tarczą z ciekłego wodoru. Produkty wytworzone w tych reakcjach, rejestrowane były przy pomocy układu detekcyjnego BINA. Detektor pierwotnie był zaprojektowany z myślą o rekonstrukcji zdarzeń w których rejestrowano dwie naładowane cząstki. W prezentowanej pracy postanowiliśmy wykorzystać jego zdolność do detekcji neutronów.
Analiza danych miała na celu wyznaczenie różniczkowych przekrojów czynnych na reakcję breakupu deuteronu 1H(d,pn)p poprzez pomiar koincydencji proton-neutron. Udało nam się opracować metody pozwalające na rekonstrukcję tak energii jak i kierunku emisji neutronów w detektorze BINA. W tym celu użyto asymetrii sygnałów rejestrowanych w detektorze do wyznaczenia pozycji rejestrowanego neutronu oraz czas przelotu do wyznaczenia jego energii. Do obliczenia czasu reakcji wykorzystane zostały protony, rejestrowane w standardowy sposób, tj. za pomocą metody strat energii. Wymagało to przeprowadzenia symulacji Monte Carlo układu detekcyjnego, w celu dokładnego wyznaczenia strat energii cząstek w detektorze. Została również wyznaczona wydajność na detekcję neutronów oraz wydajność na detekcję pary proton-neutron. W rezultacie uzyskany został zestaw przekrojów czynnych dla reakcji rozbicia deuteronu dla szeregu konfiguracji kątowych proton-neutron.
Uzyskane wyniki zostały porównane z zestawem modeli teoretycznych układu trzech nukleonów. Obliczenia te bazują na tzw. realistycznych potencjałach nukleon-nukleon, Argonne v18 (Av18) i Charge-Dependent Bonn (CDB). Wzbogacone są one o dodatkowe elementy dynamiki 3N, takie jak modele siły trójnukleonowej Tucson-Melbourne 99 (TM99) i Urbana-IX (UIX) czy oddziaływania kulombowskie. Najważniejszym i nieco zaskakującym wynikiem tej pracy było to, że uwzględnienie siły trzynukleonowej TM99, niezależnie od wybranego modelu, pogarsza zgodność obliczeń teoretycznych z danymi eksperymentalnymi. Ponadto dla kilku wybranych konfiguracji kątowych, porównaliśmy otrzymane wyniki z najnowszymi obliczeniami bazującymi na teorii chiralnej.
Otrzymane wyniki wzbogacają bazę danych przekrojów czynnych dla reakcji breakupu o kolejne punkty eksperymentalne, co może pomóc w weryfikacji i dalszym rozwoju przewidywań teoretycznych. Uzyskane przez nas metody mogą zostać użyte w planowanych eksperymentach wykorzystujących detektor BINA, który w 2015 roku został przeniesiony i zainstalowany w Krakowie, w Centrum Cyklotronowym Bronowice.This doctoral dissertation is devoted to the study of the few-nucleon system dynamics in deuteron-proton collisions at 160 MeV deuteron beam energy. The collected experimental data allowed for the determination of differential cross sections for the deuteron breakup reaction. Contrary to previous analyses, this one focuses on direct detection of the proton-neutron pairs. This allowed to reach phase space regions which have not yet been studied in previous experiments and to test theoretical predictions including various aspects of nuclear interactions, such as three-nucleon force (3NF) or Coulomb interaction.
The experiment was carried out in 2011 at the KVI in Groningen (the Netherlands), by a group of physicists from Poland and the Netherlands. A deuteron beam of the energy of 160 MeV was impinging on a liquid hydrogen target. The reaction products were registered with the BINA detection system. The detector was originally designed to reconstruct the final states of two charged particles. In this thesis, however, we exploit its ability to detect neutrons.
The analysis was aimed at determination of the differential cross sections of the 1H(d,pn)p deuteron breakup reaction by measuring the proton-neutron coincidences. We have developed methods allowing for direct reconstruction of neutron observables in the BINA detector. We used the asymmetry of signals from a thick detector to determine the position of the neutrons, and the time of flight to determine their energy. The registered protons are used to calculate the reaction time. This required an extensive use of Monte Carlo simulation to accurately determine the particle energy losses in the detector. The efficiency of neutron detection and the efficiency of the detection of the proton-neutron pair were also calculated. Finally, a set of differential cross section of the deuteron breakup reaction for a number of angular configurations was obtained.
The results were compared with a set of theoretical models of the three-nucleon system.
These calculations are based on the so-called realistic nucleon-nucleon potentials like Argonne v18 and Charge-Dependent Bonn. They were supplemented with additional elements of 3N dynamics, such as the Tucson-Melbourne 99 and Urbana-IX three-nucleon forces, or the Coulomb interactions. The most important and somewhat surprising result was that adding the TM99 three-body forces only, regardless of the selected potential, deteriorates the agreement between the theoretical calculations and the experimental data. In addition, for a few selected angular configurations, the results have been compared to the latest calculations based on the chiral theory.
The obtained results enriched the database of breakup cross section with 765 new experimental points, which may help in the verification and further development of theoretical predictions. The methods developed can be used in a planned experiments with the BINA detector, which in 2015 has been transferred and installed in Krakow, at the Cyclotron Center Bronowice.13