Investigation of innovative scintillating nanomaterials featuring very fast timing with potential applicability in calorimetry

Frank, Isabel (2024): Investigation of innovative scintillating nanomaterials featuring very fast timing with potential applicability in calorimetry. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Particle detectors are commonly used in high energy physics experiments for the identification of particles and the search for new physics. For future particle physics experiments, fast timing detectors are needed to cope with high event pileup and to enhance particle identification capabilities. Scintillating crystals are often used in both homogeneous and sampling calorimeters. In recent years, significant progress has been made in the development of scintillators, particularly of novel and innovative materials, exhibiting fast light emission. This ongoing research and development is crucial to meet the demands of future detectors designed for high luminosity colliders, where exceptional radiation tolerance and ultra-fast timing are required. Direct band gap engineered semiconductor nanostructures show a high potential for the emission of prompt photons due to quantum confinement, standing out for their low-cost production and thus also triggering interest in the high energy physics community. These scintillating nanomaterials can already be found in various fields and are well known for applications in solar cells, LEDs, displays and lasers, but less in terms of their use as scintillation detectors. The objective of this work is to investigate the potential of these interesting scintillating nanomaterials with particular focus on fast timing and their applicability in future calorimetry. In this work scintillating nanomaterials are investigated in terms of their optical and scintillation properties, timing and light output. They show photon emission decay times in the sub-nanosecond range and are in some cases already competitive with conventional plastic scintillators. Although these nanomaterials are characteristic for their very fast timing, many of these scintillators still have low stopping power and low light output, which limits their use in calorimetry. For the evaluation of such scintillating materials a new characterization method was investigated using X-rays. Promising nanomaterials were also explored in terms of timing under high energy particle irradiation to investigate their applicability in calorimetry. As part of the AIDAinnova project "NanoCal", first calorimeter prototypes were developed at low cost using these interesting nanomaterials based on perovskite nanocomposites. First measurements were made with these prototypes under high energy particle irradiation to access their performance in comparison with conventionally used scintillators.

Abstract

Teilchendetektoren werden in Experimenten in der Hochenergiephysik zur Identifikation von Teilchen und der Suche nach neuer Physik eingesetzt. Für zukünftige Experimente werden Detektoren mit hoher Zeitauflösung benötigt, um mit dem hohen Eventaufkommen umgehen zu können und die Fähigkeiten der Teilchenidentifikation zu verbessern. Szintillierende Kristalle finden traditionell Anwendung sowohl in homogenen als auch in sogenannten Sampling Kalorimetern. In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte im Bereich szintillierender Materialien erzielt, insbesondere im Hinblick auf die Entwicklung von neuartigen und innovativen Materialien mit schnellen Lichtemissionsprozessen. Diese Forschung und Entwicklung ist entscheidend, um die anspruchsvollen Anforderungen an künftige Detektoren zu erfüllen, die für Teilchenbeschleuniger mit hoher Luminosität entwickelt werden und wo außergewöhnliche Strahlenbeständigkeit und ultraschnelles Timing erforderlich sind. Halbleiternanostrukturen basierend auf Quantenpunkten zeigen auf Grund von Quanteneffekten ein hohes Potenzial für die Emission von prompten Photonen und zeichnen sich durch kostengünstigere Produktion aus, was das Interesse im Bereich der Hochenergiephysik weckt. Diese szintillierende Nanomaterialien sind bereits in verschiedenen Bereichen zu finden und sind für Anwendungen in Solarzellen, LEDs, Displays und Lasern bekannt, jedoch weniger in Bezug auf ihre Verwendung als Szintillationsdetektoren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Potenzial dieser innovativen szintillierenden Nanomaterialien zu untersuchen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf hohe Zeitauflösung und auf ihrer Verwendbarkeit in zukünftigen Kalorimetern liegt. In dieser Arbeit werden innovative Nanoszintillatoren hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften, ihres Szintillationsverhalten und ihrer Lichtausbeute detailliert untersucht. Sie zeigen Photonenabklingzeiten im subnanosekunden Bereich und sind vereinzelt bereits durch ihre exzellente Zeitauflösung und hohe Lichtausbeute wettbewerbsfähig mit konventionellen Plastikszintillatoren. Allerdings haben viele dieser Nanomaterialien immer noch eine zu geringe Absorptionsfähigkeit und Konvertierbarkeit, damit einhergehend eine zu geringe Lichtausbeute, und damit eine eingeschränkte Verwendbarkeit in der Kalorimetrie. Zur Charakterisierung solcher Materialien, die sich durch geringe Absorptionsfähigkeit, aber ultraschnelle Szintillation auszeichnen, wurde eine Charakterisierungsmethode mit Röntgenstrahlen entwickelt. Vielversprechende Nanomaterialien wurden mit dem Fokus auf ihre Zeitauflösung auch unter Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen untersucht, um ihre mögliche Anwendbarkeit in der Kalorimetrie abzuschätzen. Im Rahmen des AIDAinnova Projekts "NanoCal" wurden erste Kalorimeterprototypen unter Verwendung dieser Nanoszintillatoren auf Basis von Perowskit Nanokristallen entwickelt. Erste Messungen mit hochenergetischen Teilchen wurden durchgeführt, um ihre Leistungsfähigkeit im Vergleich zu herkömmlich verwendeten Szintillatoren zu erforschen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 10. Juni 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Biebel, Otmar