BOL

RvD 2004

1964 - 1977

Omstreeks 1964 werd de aanzetgegeven tot de eerste bolvormige veel-voudige deeltjesdetector in de kern- en deeltjesfysica: “BOL”.Daarbij behoorden baanbrekende ontwikkelingen, waarover meer in de nu volgende presentatie.

In deze vitrine zijn het hart van BOLen enige andere belangrijke onderdelen ondergebracht.

Onderwerpen van deze presentatie0. Inleiding1. Het IKO-cyclotron gebouwd in 19472. Achtergrond en doel van BOL (1964)3. Deeltjesdetectoren IKO en NV Philips4. Constructie van de BOL-detector (1965)5. Elektronica Front-end, Meetsysteem, Logica6. On-line computers (1967)7. Programmering en analyse8. Meetresultaten9. Ontmanteling van BOL-detector (2002)

“BOL”bevatte een aantal bijzondere elementen • deeltjesbundel uit het IKO-cyclotron• “trefplaat” waarin kernreacties optreden• 64 detectieunits (”poten”) rondom de trefplaat om wegvliegende reactiedeeltjes te detecteren• drie bolschilden (binnen-/vacuum-/buitenbol)• per poot 2 (dus 128) grote borden elektronica cylindrisch gerangschikt in een dubbele “ton”• twee on-line PDP-8 minicomputers voor besturing, dataregistratie en -visualisatie • een on-line mainframe EL-X8 computer voor data-analyse.

Eeneerste blik op het BOL-systeemals geheel

1. Detector 2. Elektronica3. Regeling4. On-line computers5. Cyclotron console6. Registratie7. Regel- drukker

1

1

2

2

3

4

5

6

7

Schematisch overzichtBOL-systeem

cyclotron

deeltjesbundel

BOL-detector

meetelektronica

besturing

cyclotronbesturing

EL-X8computerdataverzameling

dataregistratie

on-line computernetwerk

detectoreenhedenmet elektronica

BOL-Detectormet 64 detectie-“poten”

BOL werd gebouwd in het Instituut voor Kernfysisch Onderzoek (IKO),

opgericht in Amsterdam in 1947, voorloper van het

Nationaal Instituut voor Kern- en Hoge Energie Fysica (NIKHEF),

waar u zich nu bevindt.

en de externe deeltjesbundel

Een cyclotron is een circulaire versneller van kerndeeltjes binnen een elektromagneet.Het IKO cyclotron was net in aanbouw vÓÓr 1940 (WO-II). Koper (spoelen) en ijzer (magneet-juk) werd geconfisceerd door de bezetter.

Na de oorlog werd het inmiddels gemoderni-seerde ontwerp gerealiseerd door de Gemeente Amsterdam en NV Philips. Het werd zelfs een synchrocyclotron: d.w.z. de deeltjes werden versneld in “bunches”. Hierdoor kon een hogere energie worden bereikt dan oorspron-kelijk voorzien. In 1949 was het operationeel.

1947Het IKO in oude gasfabriek Oosterringdijk, Amsterdam

IKO-cyclotron in aanbouw, F.A. Heyn (r) en C.J. Bakker (l)(alg.directeur CERN 1955 - 1960).

1947

1. Magneet; 2. HF-systeem voor electromagnetisch veld waarin deeltjes worden versneld; 3. mechanisme voorinterne bestralingen t.b.v. van radioactieve bronnen.

IKO synchrocyclotron, maquette 1949

123

In het cyclotron worden de deeltjes versneldin steeds grotere cirkelvormige banen, gevang-en in een sterk magneetveld. Voor kernreactie-onderzoek moesten de deeltjes naar buiten worden gebracht (extractie).

L.A.Ch. Koerts c.s.slaagden daar-in omstreeks1958. Daar-mee was de basis gelegdvoor het IKOkernreactie-onderzoek. Koerts

Fluorescerend scherm oplichtend door deeltjes ontsnapt aan het mag-neetveld

bundelextractiesysteem

De versnelde deeltjes konden uit het magneetveld ontsnappen door aan de rand een verstoring aan te brengen. De aldus “geëxtraheerde” waaiervormig uittredende deeltjes werden optomagnetisch - d.m.v. collimatoren, quadrupool- en buigmagneten - een nette evenwijdige bundel, de externe cyclotron bundel, die omstreeks 1963 nog werd verbeterd.

Waarom BOL?

Door de bundel op een trefplaat te laten vallen, treden er botsingen op met atoomkernen; kernbrokstukken vliegen naar alle kanten, rondom het botsingsgebied.Deze reactieproducten kunnen worden waar-genomen in detectoren, die een elektrisch signaal afgeven als ze worden getroffen door een kerndeeltje. Aanvankelijk werd het onderzoek uitgevoerd door steeds een enkel deeltje afkomstig van een botsing te detecteren. Een detector kon daartoe rondom de trefplaat op de gewenste verstrooiїngshoek () worden ingesteld.

Uit experimenten omstreeks 1962 bleek dat veel meer informatie over het reactieproces kon worden verkregen als rondom het botsingsgebied - per kernreactie - meerdere deeltjes in coincidentie (tegelijk), zouden worden gedetecteerd.

Coincidentiemetingen “rondom” wordenveruit het beste gedaan met véél detectoren!

In 1964 leidde dit tot het idee en de innovatieve ontwikkeling van het ambitieuze BOL-systeem.

Deeltjesdetectoren

Van de verschillende soorten detectoren waren de nieuwste en de beste: silicium halfgeleiderdetectoren.

In samenwerking van de Philips NatLab groep “Stralingsdetectie” en het BOL-team werden voor BOL speciale detectoren ontwikkeld.

Detectoren in ontwikkeling

Iedere poot kreeg een detectietelescoop op-gebouwd uit verschillende elementen:

1. Drie PIN-detectoren (4 à 5 mm dikte). Hierin stoppen invallende deeltjes die daarin volledig hun energie (E) afgeven: de E-detector 2. Een Dambord-E-detector, een gloednieuwe ontwikkeling essentieel voor het BOL-project.

Productie PIN-detectoren

Detector assortiment NV Philips 1967

Nieuw!

De detectortelescoop

Damborddetector

PIN-detectoren

}

DamborddetectorDit is een plaatsgevoelige halfgeleider detector (Silicium oppervlakte-barrière, 0.3 mm dikte), waarvan de goud- en alluminiumelektroden beiden zijn onderverdeeld in onderling loodrechtestrippatronen, zichtbaar met spiegel in de vitrine.

Wanneer een geladen deeltje de damborddetector doorkruist, wordt zowel het energieverlies E als de plaats van inval bepaald.De onderverdeling van de elektroden in 10 strips, met “pitch” (herhaling) 1.4 mm, laat toe de plaats te meten op het dambord gevormd door de onder-ling loodrechte strippatronen m.b.v. pulssignalen van de strips afzonderlijk.

Dubbelzijdig strippatroonmet signaaluitlezing

Aantallen deeltjes per veld van radioactieve bron

Dambord”matje”

N

Gesmolten koper klaar om gegoten te worden in de halfbolvormige gietmal. Twee halve bollen vormen het hart van de BOL waarin detectortelescopen en de elektronica worden gepositioneerd en gekoeld.

1+2 Op de draaibank; 3. Kotterbeitel voor de trapgewijs tapse gaten; 4. Kotteren van gaten op de 32 ontwerp-posities (,) met 20 m precisie.

1 2

3 4

Bewerkenvan de halve koperen bollen

Binnenbol

met koelspiraalen buitentussenring

Gemonteerd met binnen- tussenring

Vacuumbol (2e schild)impregnering en montage

Vacuűmbolvoorbereid voor vacuűm-test.

rood 3e bolschild (luchtkoeling)

2e bolschild (vacuum)

Assemblage

1e bolschild (binnenbol)

Het skelet van BOL bijna gereed voor het monteren van detector-poten met elektronica.De horizontale as met buitentussenring draagt drie bolschilden.Het buitenste schild is voor luchtkoeling (via de slangen) van de pootelektronica.

met transistoren

Ontwerpen, bouwen, en testen “op tafel”

Een groot aantalanaloge en digitalefuncties d.m.v.transisitoren op één “printplaat”.Niet eerder vertoond!

BOL-Elektronica

1. Detector (poot) elektronica

2. Logica print (besturing en uitlezing)

3. ADC-print (analoog - digitaal conversie E: 13 bits E: 9 bits)

2

3

1

Dubbele Elektronica-tonvoor de beide printplatenper detectiepoot. De tonkon roteren voor plaatsingof uitname van een plaat.

BOL-platform met ton en “weerstandenkarretje”

..\BOL-poster2\e-bol-binnenring.JPG… en de onmisbare

oscilloscoop

Het inbrengen van een “poot”

BOL met poten.De deeltjes-bundel komt binnen via de vacuűmpijp (rode pijl) en gericht op een kleinespot (2 mm) op de tref-plaat in het centrum vande binnenbol

TV-camera instellen op fluorescerend scherm vlak voor de BOL-opstelling, terafregeling van de bundel.

Werktekening (1965) en maquette (1969) overzicht van het cyclotron (1), het externe bundel-systeem (2), experimentele opstellingen (3), de BOL-detector (4) met elektronica-ton (5)

besturing, dataregistratie en -visualisatie

Dataverzameling en registratieBOL was – in Europa, voor zover bekend - het eerste kernfysische experiment “on-line” aan een dataverzamelend en besturend “netwerk” van aan elkaar gekoppelde computers.

Het netwerk omvatte • 2 PDP-8 minicomputers• 1 Philips Electrologica X8 mainframe computer

En het vereiste het ontwerp van koppelapparatuur(en bijbehorende programmatuur) tussen de computers onderling en met de BOL-opstelling.

Computernetwerkon-line configuratie

1 2

3

1.PDP-82.BOL- display console3. type- writer met pons- band

Dataregistratie op magneetband,2000 banden werden opgenomen

Papierbandlezer

Reken- en geheugenkasten

Console

Flexowriter

EL-X8COMPUTER

De On-line koppeling van computersen fijnmazige multidimensionale datavereiste eigen ontwikkeling van nieuwe

• Operatingsystemen voor PDP-8 en X8 (Timesharing en multiprogramming) • Programmeermethoden• Registratiemethoden (magneetband/drum) • Analysemethoden • Representaties van multidimensionale data (display, plotten en printen)

Systeemsoftware,datareductie en dataverwerking

Voor de PDP-8 minicomputers

• Monikor systeem, multiprogrammering met parallelle asynchrone jobs• Datacommunicatie

- computer – experiment- computer – computer

• Interfacedrivers • Display met lichtpen (uitlezing datapunten)• Magneetbandverwerking• Dataverwerking• Fysische programma’s

Voor de Philips-Electrologica X8 computer

• Wammes operating system (multiple access, timesharing, file-oriented, swapping, flexible job allocation) - Europese “UNIX” • Associatief tellen op drumgeheugen voor opbouw zeer grote multidimensionale spectra• Datacommunicatie EL-X8 – PDP-8• Dataverwerking Vensterprogrammering voor meervoudig niveau-gestructureerde eventdata (reductie, filtering, intellen, transformaties van multidimensionale arraydata)• Fysische rekenprogramma’s

Deeltjesidentificatiezichtbaar op on-line oscilloscoop display

proton

deuterontriton

3He = 4He

E .

E

E

E = signaal Damborddetector E = signaal PIN-detectoren + E

Publicaties en proefschriften

Inspectie vaneerste resultaten op regeldrukkerpapier

MeetresultatenDalitz-plots geven de structuur weer vantussentoestanden in het reactieproces.

9Be (d, t ) 4HeTd = 26 MeV

1H + d p1 p2 nTd = 26 MeV

1H (3He, pd) p T3He = 69 MeV

2He*

2He* (instabiel), 2 gelieerdeprotonen samen in een Dambordetector als 1 “deeltje” gedetecteerd

Reactied + p p + p + n

1-dimensionale ve

Vergelijking meetgegevens en theorie in 1, 2 en 4 dimensies

Over de resultaten verschenen een twintigtal publicaties in internationale wetenschappelijke tijdschriften, en zes proefschriften; daarnaast doctoraal-scripties, conferentiebijdragen en rapporten.

Akkerman, H J M (M) PhArnold, H (F)Balder, J R (F)Bie, J E P de (F)Biekman, W C M (S) Blommestijn, G J F (F)Boer, J A den (D) PhNLBregman, P (E) PhNLBijleveld, J H M (M)Bijvoets, Th (E/V)Dantzig, R van (F)Dieperink, J H (E) Dodd, L R (F) UAEngen, P G van (S)Es, J T van (E) Haitsma, Y (F)Hall, F A van (E)Heemskerk, J A (V)Hermans, W C (F)Hoeberechts, A M E (D) PhNLHoekstra, R (E/F)

Hofker, W K (D) PhKate, P U ten (E)Kloet, W M (F) UUKoerts, L A Ch (F)Kok, E (E)Kraus, J (E)Kwakkel, E (E)Mars, A J (S)Meester, R P (S)Mooy, R B M (F)Mulder, K (F)Oberski, J E J (F)Oosthoek, D P (D) PhNLOostveen, K (E)Ridder, Th F de (F)Rumphorst, R F (E)Slaus, I (E) UZSonnemans, M A A (F) Suys, J L C N M (S) PhEL Tjon, J A (F) UU Toenbreker, J A M (S) PhEL

Auteurs van BOL-publicatiesin internationale tijdschriften

Verhaar, B J (F) UE Visschers, J L (F) Waal, J C (F) Wielinga, B J (F) Ypenberg, A D (F)

D = Detectorfysica/ techniekE = Elektronica/ ElektrotechniekF = FysicaM = Mechanische

technologieS = Software V = Vacuumtechniek

PhNL = Philips NatLabPhEL = Philips-ElectrologicaUA = Univ. AdelaideUE = Univ. EindhovenUU = Univ. UtrechtUZ = Univ. Zagreb

Rondleiding van de pers

Het Parool 1971

Rondleiding van de pers1969 1969

Haarlemse Courant 1969

Public

relations

BOL-team1970

Constructie in omgekeerde volgorde

1977 – 2002, 25 jaar monument

moetuiteindelijkwijken …

in weer en wind

De laatste poot eruit!

De ontmanteling!

Binnenbol(met “bewoning”)

gered van de sloop

• Binnenbol in twee helften• Poot met detectortelescoop• Damborddetector• Kotterbeitel

Sommige ontwikkelingen bij BOL -destijds nieuw - waren vroege tekenen van innovatieve instrumentele ontwikkelingenin de experimentele kern- en deeltjesfysica, zoals:

• Detectie alzijdig “rondom” het botsingsgebied (4)• Microstrip- en pixeldetectoren • Event registratie/processing (i.p.v. spectrumanalyse)

• On-line computer netwerken• Timesharing en multiprocessing

Detectie “rondom”werd vanzelfsprekend

Plastic Ball, Crystal Ball,CACTUS, TAPS, Miniball, ...

en de huidige detectorenbij botsingsringen.

CACTUS detector, Oslo

Miniball

1980 CERN1 x 100 x 200 m pitch

19811 x 100 x 50 m pitch

1982 CERN1 x 100 x 200 m pitch

19821x 100 x 50 m pitch

1965 IKO-PhilipsDamborddetector 2 x 10 x 1400 m pitch*

1985 CERN50 m pitch

pitch = afstand centra nabuurstrips

Stripdetector + uitleeselektronica werd verder ontwikkeld en nam een grote vlucht

FotografieHans ArnoldMarco Kraan

PresentatieRené van Dantzig

Met dank aanTon BoerkampErik Heijne Piet Lassing Jan van Veen Jan Visschers

EINDE