Sr-90 Kaynağı Altında PPS Elmas Dedektör Davranışlarının GEANT4 Monte Carlo Simülasyonunun Geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada, CERN’deki Kompakt Müon Solenoidi (CMS) deneyinin Hassas Proton Spektrometresi (PPS) sisteminde kullanılan elmas zamanlama dedektörleri, GEANT4 tabanlı Monte Carlo simülasyonu ile modellenmiştir. Simülasyon, laboratuvar test düzeneğinde olduğu gibi Stronsiyum-90 (Sr-90) radyoaktif kaynağı, kolimatör, elmas kristaller ve elektronik okuma kartını kapsayacak biçimde oluşturulmuştur. Amaç, deneysel sistemin geometrik ve fiziksel davranışının daha iyi anlaşılmasını sağlamaktır. Simülasyon sonuçları, dedektör kanallarına düşen parçacık dağılımı, enerji spektrumu ve enerji birikimi açısından incelenmiştir. Simülasyon, dedektörün oluşturduğu sinyalin çoğunlukla İtriyum-90 (Y-90) bozunumundan kaynaklanan yüksek enerjili 𝛽- parçacıklarından geldiğini gösterdi. Ayrıca, kaynak ile dedektör arasındaki üç farklı mesafe için dedektör kanalları üzerine düşen saniyedeki parçacık sayısı çıkartılmıştır, bu sayede farklı sistemler altında davranışı tahmin edilebilecektir.

Keywords

• GEANT4
• Monte Carlo
• Elmas dedektör
• Sr-90
• Radyoaktif bozunma
• PPS

Supporting Institution

İstanbul Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi; Türk Enerji, Nükleer ve Madencilik Araştırma Kurumu (TENMAK)

Project Number

FUA-2022-39051; 2025TENMAK(CERN)A5.H3.F2-07

Ethical Statement

Bu çalışmada, “Yükseköğretim Kurumları Bilimsel Araştırma ve Yayın Etiği Yönergesi” kapsamında uyulması gereken tüm kurallara uyulduğunu ve “Bilimsel Araştırma ve Yayın Etiğine Aykırı Davranışlar” başlığı altında belirtilen hiçbir eylemin gerçekleştirilmediğini taahhüt ederiz.

Thanks

Yazarlar, Valentina Avati, Edoardo Bossini, Diego Figueiredo, Laurent Forthomme, Francisco Garcia, Nicola Minafra ve Nicola Turini'ye bu çalışma boyunca değerli katkıları, içgörülü tartışmaları ve sürekli destekleri için içten teşekkürlerini sunarlar. Ayrıca, bu çalışmanın başarıyla tamamlanmasında önemli rol oynayan işbirliği, teknik destek ve yapıcı geri bildirimleri için PPS meslektaşlarına da içten teşekkür ederiz. Bu çalışma, İstanbul Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından kısmen finanse edilmiş, proje numarası FUA-2022-39051 olup, ayrıca Türk Enerji, Nükleer ve Madencilik Araştırma Kurumu (TENMAK) tarafından da desteklenmiştir, proje numarası 2025TENMAK(CERN)A5.H3.F2-07.

Development of GEANT4 Monte Carlo Simulation of PPS Diamond Detector Behavior under Sr-90 Source

Abstract

In this study, the diamond timing detectors used in the Precision Proton Spectrometer (PPS) system of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at CERN was modeled using a GEANT4-based Monte Carlo simulation. The simulation was created to include the Strontium-90 (Sr-90) radioactive source, collimator, diamond crystals, and electronic readout board as it was in the laboratory test setup. The aim is to provide a better understanding of the geometric and physical behavior of the experimental system. The simulation results were examined in terms of particle distribution, energy spectrum, and energy deposition in the detector channels. The simulation showed that the signal generated by the detector mostly came from high-energy 𝛽- particles originating from Yttrium-90 (Y-90) decay. Additionally, the rate of particles per second on the detector channels has been extracted for three different distances between the source and the detector, enabling the prediction of behavior under different systems.

Keywords

• GEANT4
• Monte Carlo
• Diamond detector
• Sr-90
• Radioactive decay
• PPS

Supporting Institution

Scientific Research Projects Coordination Unit of Istanbul University; Turkish Energy, Nuclear and Mining Research Agency (TENMAK)

Project Number

FUA-2022-39051; 2025TENMAK(CERN)A5.H3.F2-07

Ethical Statement

In this study, we undertake that all the rules required to be followed within the scope of the "Higher Education Institutions Scientific Research and Publication Ethics Directive" are complied with, and that none of the actions stated under the heading "Actions Against Scientific Research and Publication Ethics" are not carried out.

Thanks

The authors would like to express their sincere gratitude to Valentina Avati, Edoardo Bossini, Diego Figueiredo, Laurent Forthomme, Francisco Garcia, Nicola Minafra, and Nicola Turini for their valuable contributions, insightful discussions, and continuous support throughout this work. We also warmly acknowledge the PPS colleagues for their collaboration, technical assistance, and constructive feedback, which were essential to the successful completion of this study. This study was partly funded by the Scientific Research Projects Coordination Unit of Istanbul University, project number FUA-2022-39051, and was also supported by Turkish Energy, Nuclear and Mining Research Agency (TENMAK), project number 2025TENMAK(CERN)A5.H3.F2-07.

References

1. [1] Leo, W. R. 1994. Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments. Springer Science & Business Media.
2. [2] Knoll, G. F. 2010. Radiation Detection and Measurement. 4th Edition. John Wiley & Sons.
3. [3] CMS Collaboration. 2008. The CMS experiment at the CERN-LHC. Journal of instrumentation, 3, 1-334.
4. [4] Bossini, E. 2016. Development of a Time Of Flight diamond detector and readout system for the TOTEM experiment at CERN. University of Siena, Department of Physical Sciences, Earth and Environment, PhD Thesis, 212pg, Siena.
5. [5] Kaynak, B. 2024. LHC’de CMS ileri bölgesi için dedektör sistemlerinin geliştirilmesi. Istanbul University, Institute of Graduate Studies in Sciences, PhD Thesis, 201pg, Istanbul.
6. [6] Minafra, N. 2016. Development of a timing detector for the TOTEM experiment at the LHC. University of Bari Aldo Moro, Department of Physics, PhD Thesis, 163pg, Bari.
7. [7] Isidori, T. 2017. Diamond detectors for proton Time of Flight in CT-PPS and TOTEM experiments. University of Pisa, Department of Physics, Master's Thesis, 129pg, Pisa.
8. [8] CMS and TOTEM Collaborations. 2014. CMS-TOTEM Precision Proton Spectrometer. CERN-LHCC-2014-021.

9. [9] Bossini, E. 2023. The CMS Precision Proton Spectrometer: Precision timing with scCVD diamond crystals. Nucl. Instrum. Meth. A, 1047 1677823.
10. [10] Agostinelli, S. 2003. GEANT4 – A Simulation Toolkit. Nucl. Instrum. Meth. A, 506, 250-303.
11. [11] Allison, J., et al. 2006. Geant4 developments and applications. IEEE Transactions on nuclear science, 53(1), 270-278.
12. [12] Allison, J., et al. 2016. Recent developments in Geant4. Nucl. Instrum. Meth. A, 835, 186-225.
13. [13] Antcheva, I. 2009. ROOT: A C++ framework for petabyte data storage, statistical analysis and visualization. Comput. Phys. Commun. 180, 2499-2512.
14. [14] Trischuk, W. 2016. Diamond Particle Detectors for High Energy Physics. 37th International Conference on High Energy Physics, July 2-9, Valencia, Spain, 1023-1028.
15. [15] Adam, W. 2006. Radiation hard diamond sensors for future tracking applications. Nucl. Instrum. Meth. A, 565(1), 278-283.
16. [16] Pernegger, H. 2005. Charge-carrier properties in synthetic single-crystal diamond measured with the transient-current technique. Journal of Applied Physics, 97(7).
17. [17] National Nuclear Data Center. NuDat 3.0. https://www.nndc.bnl.gov/nudat3/ (Accessed:10.01.2026)
18. [18] Roy, T., Tessier, F., & McEwen, M. 2018. A system for the measurement of electron stopping powers: proof of principle using a pure β-emitting source. Radiation Physics and Chemistry, 149, 134-141.
19. [19] Zyablyuk, K., Popovich, A., Ralchenko, V., & Yurov, V. 2022. Polarization and depolarization control of single crystal CVD diamond detectors by UV and visible light illumination, Nuc. Instrum. Meth. A, 1042, 167461
20. [20] Naaranoja, T., Golovleva, M., Martikainen, L., Berretti, M., & Österberg, K. 2019. Space charge polarization in irradiated single crystal CVD diamond. Diamond and Related Materials, 96, 167-175.
21. [21] Bossini, E. 2020. The CMS Precision Proton Spectrometer timing system: performance in Run 2, future upgrades and sensor radiation hardness studies. Journal of Instrumentation, 15(05), C05054.