Doctor of Philosophy / Department of Mechanical and Nuclear Engineering / Douglas S. McGregor / Interest in high-efficiency replacements for thin-film-coated thermal neutron detectors led to the development of single-sided microstructured semiconductor neutron detectors (MSNDs). MSNDs are designed with micro-sized trench structures that are etched into a vertically-oriented pvn-junction diode, and backfilled with a neutron converting material, such as 6LiF. Neutrons absorbed by the converting material produce a pair of charged-particle reaction products that can be measured by the diode substrate. MSNDs have higher neutron-absorption and reaction-product counting efficiencies than their thin-film-coated counterparts, resulting in up to a 10x increase in intrinsic thermal neutron detection efficiency. The detection efficiency for a single-sided MSND is reduced by neutron streaming paths between the conversion-material filled regions that consequently allow neutrons to pass undetected through the detector. Previously, the highest reported intrinsic thermal neutron detection efficiency for a single MSND was approximately 30%. Methods for double-stacking and aligning MSNDs to reduce neutron streaming produced devices with an intrinsic thermal neutron detection efficiency of 42%. Presented here is a new type of MSND that features a complementary second set of trenches that are etched into the back-side of the detector substrate. These dual-sided microstructured semiconductor neutron detectors (DS-MSNDs) have the ability to absorb and detect neutrons that stream through the front-side, effectively doubling the detection efficiency of a single-sided device. DS-MSND sensors are theoretically capable of achieving greater than 80% intrinsic thermal neutron detection efficiency for a 1-mm thick device. Prototype DS-MSNDs with diffused pvp-junction operated at 0-V applied bias have achieved 53.54±0.61%, exceeding that of the single-sided MSNDs and double-stacked MSNDs to represent a new record for detection efficiency for such solid-state devices.

Together with the ongoing works on preparations of High-Luminosity LHC, there is a need to enhance the performance of various experiments on the collider as well. This is also the case of the experiment ATLAS and its subdetectors such as Inner Detector which will be completely replaced by new all-silicon Inner Tracker (ITk). This thesis deals with computer simulations of silicon strip detec- tors for ATLAS Upgrade ITk. For this purpose, we are using framework AllPix2 . It enables to simulate everything from the interaction of the particle with silicon, charge propagation in electric and magnetic fields, charge collection, up to signal digitization. We focused mostly on three aspects in the simulations. The first is a precise characterization of used detectors, the second is a simulation of a test beam measurements and the third one is a simulation of test measurements with a radioactive beta source. We also discussed the possibility of simulation of test measurements with a laser. These simulations are important not only because they help us to better understand processes happening inside the detector, but they are also used as a validation of testing measurements. As a result of this, we are able to point out the effects of the experimental setup (or detector itself) which have an impact on measured...

Este trabalho apresenta os resultados da primeira medida da secao de choque de producao W± e± utilizando dados de colisoes proton-proton com energia de centro de massa s = 13 TeV pelo detector ATLAS em dois regimes diferentes de operacao do Large Hadron Collider (LHC): um perodo de baixa luminosidade em que foram acumulados 81 pb1 de dados e que permitiram medir a secao de choque fiducial e total da producao de bosons W+ e W na regiao inclusiva (regiao de massa transversa acima de 50 GeV, abrangendo o pico de massa transversa do boson W) e um perodo de alta luminosidade em que foi obtido 76,6 fb1 de dados tornando acessvel a medida da secao de choque fiducial de producao de bosons W+ e W na regiao de alta massa transversa (regiao de massa transversa entre 130 GeV e 2,5 TeV). As secoes de choque medidas e as distribuicoes cinematicas referentes a energia transversa faltante (ETmiss ), massa transversa do boson W (mTW), pseudorapidez (), momento transverso (pTe) do eletron decorrente do decaimento do W e a diferenca entre o angulo azimutal () do eletron e da ETmiss sao consistentes com previsoes teoricas obtidas em NLO e normalizadas em NNLO, considerando-se as incertezas sistematicas, estatsticas e na luminosidade. / This work presents the results of the first W± e± production cross section measurements in the proton-proton collisions at the center of mass energy of s = 13 TeV obtained with the ATLAS detector in two different operation regimes: a low luminosity period when 81pb1 of data was accumulated allowing the measurement of the fiducial and total production cross section of W+ and W bosons in the inclusive region (region of transverse mass above 50 GeV, covering the transverse mass peak of the W boson) and a high luminosity period when 76,6 fb1 made accessible the high W boson transverse mass region (between 130 GeV and 2.5 TeV), allowing the measurement of the fiducial cross section of W+ and W boson production. The measured cross sections and the kinematic distributions for the missing transverse energy, (ETmiss), W boson transverse mass (mTW), the pseudorapidity (), the transverse momentum (pTe) of the electron originated from the W boson decay as well as the azimuthal angle difference () between the electron and the ETmiss are consistent with the theoretical predictions obtained at NLO and normalized to NNLO, considering the systematic, statistical and luminosity uncertainties.

Neste trabalho, cristais de TlBr foram crescidos e purificados pelo método de Bridgman Repetido a partir de sais comerciais de TlBr e caracterizados para serem usados como detectores de radiação à temperatura ambiente. Para avaliar a eficiência de purificação, estudos da diminuição da concentração de impurezas foram feitos após cada crescimento, analisando as impurezas traços por Espectrometria de Massas com Plasma (ICP-MS). Um decréscimo significativo da concentração de impurezas em função do número de purificações foi observado. Os cristais crescidos apresentaram boa qualidade cristalina de acordo com os resultados de análise por Difração de Raios X (DRX). Para avaliar os cristais a serem usados como detectores de radiação, medidas de suas resistividades e resposta à incidência de radiação gama da fonte de 241Am (59,5 keV) foram realizadas. Essa resposta foi dependente da pureza do cristal. Um modelo compartimental foi proposto para avaliar as concentrações de impurezas no cristal de TlBr e suas segregações em função do número de crescimentos pelo método de Bridgman. Este modelo compartimental definido por equações diferenciais pode ser usado para calcular o coeficiente de migração das impurezas e mostrou ser útil para prever o número necessário de repetições de crescimento Bridgman para atingir nível de pureza adequado para assegurar a qualidade do cristal como detector de radiação. A diferença dos valores dos coeficientes de migração das impurezas nos cristais entre os sais, de duas procedências diferentes, utilizados foi significativa. Portanto, a escolha do sal de partida deve ser realizada experimentalmente, independente da declaração nominal da sua pureza. / In this work, TlBr crystals have been purified and grown by the Repeated Bridgman method from commercial TlBr materials and characterized to be used as radiation detectors. To evaluate the purification efficiency, studies on the impurity concentration decrease were performed after each growth, analyzing the trace impurities by inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS). A significant decrease of the concentration of impurities in function of the purification number was observed. The grown crystals presented good crystalline quality according to the results of the x-ray diffraction analysis. To evaluate the crystals to be used as a semiconductor detector, measurements of the resistivity and the pulse height under 241Am gamma rays were carried out. The radiation response was strongly dependent on the crystal purity. The Repeated Bridgman technique showed to be effective to reduce the concentration of impurities and to improve the TlBr crystal quality to be used as a radiation semiconductor detector. A compartmental model was proposed to fit the concentration/segregation of impurities in function of the Bridgman growth step number. This compartmental model is defined by differential equations and can be used to calculate the rate of migration of impurities. It proved to be a useful tool in predicting the number of Bridgman growth repetitions necessary to achieve the desired impurity concentration. The difference of the impurity migration rates between the crystals grown, using salts from different origins, was significant. Therefore, the choice of the starting salt should be performed experimentally, regardless of the statement nominal purity.

Neste trabalho, cristais de TlBr foram crescidos e purificados pelo método de Bridgman Repetido a partir de sais comerciais de TlBr e caracterizados para serem usados como detectores de radiação à temperatura ambiente. Para avaliar a eficiência de purificação, estudos da diminuição da concentração de impurezas foram feitos após cada crescimento, analisando as impurezas traços por Espectrometria de Massas com Plasma (ICP-MS). Um decréscimo significativo da concentração de impurezas em função do número de purificações foi observado. Os cristais crescidos apresentaram boa qualidade cristalina de acordo com os resultados de análise por Difração de Raios X (DRX). Para avaliar os cristais a serem usados como detectores de radiação, medidas de suas resistividades e resposta à incidência de radiação gama da fonte de 241Am (59,5 keV) foram realizadas. Essa resposta foi dependente da pureza do cristal. Um modelo compartimental foi proposto para avaliar as concentrações de impurezas no cristal de TlBr e suas segregações em função do número de crescimentos pelo método de Bridgman. Este modelo compartimental definido por equações diferenciais pode ser usado para calcular o coeficiente de migração das impurezas e mostrou ser útil para prever o número necessário de repetições de crescimento Bridgman para atingir nível de pureza adequado para assegurar a qualidade do cristal como detector de radiação. A diferença dos valores dos coeficientes de migração das impurezas nos cristais entre os sais, de duas procedências diferentes, utilizados foi significativa. Portanto, a escolha do sal de partida deve ser realizada experimentalmente, independente da declaração nominal da sua pureza. / In this work, TlBr crystals have been purified and grown by the Repeated Bridgman method from commercial TlBr materials and characterized to be used as radiation detectors. To evaluate the purification efficiency, studies on the impurity concentration decrease were performed after each growth, analyzing the trace impurities by inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS). A significant decrease of the concentration of impurities in function of the purification number was observed. The grown crystals presented good crystalline quality according to the results of the x-ray diffraction analysis. To evaluate the crystals to be used as a semiconductor detector, measurements of the resistivity and the pulse height under 241Am gamma rays were carried out. The radiation response was strongly dependent on the crystal purity. The Repeated Bridgman technique showed to be effective to reduce the concentration of impurities and to improve the TlBr crystal quality to be used as a radiation semiconductor detector. A compartmental model was proposed to fit the concentration/segregation of impurities in function of the Bridgman growth step number. This compartmental model is defined by differential equations and can be used to calculate the rate of migration of impurities. It proved to be a useful tool in predicting the number of Bridgman growth repetitions necessary to achieve the desired impurity concentration. The difference of the impurity migration rates between the crystals grown, using salts from different origins, was significant. Therefore, the choice of the starting salt should be performed experimentally, regardless of the statement nominal purity.

O polímero Durolon foi caracterizado para ser utilizado como um detector de traços nucleares de estado sólido. Nestes detectores, o testemunho da passagem da radiação é um dano na estrutura molecular do polímero que após ser atacado em uma solução química se transforma em um traço, permanente e visível em um microscópio ótico. A caracterização do Durolon foi feita mediante estudos do diâmetro do traço, da eficiência de produção de traços, da transmissão de luz pelo polímero e do ângulo crítico de incidência da partícula em sua superfície, visando fornecer os subsídios necessários para interpretar as informações registradas. No presente trabalho os danos no polímero foram causados por partículas - da reação nuclear 10B(n,)7Li, mediante a irradiação de uma tela de boro em um feixe de nêutrons térmicos, oriundo de um equipamento instalado no canal 08 do reator nuclear de pesquisas IEA-R1 do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN-CNEN/SP. Estes estudos foram realizados mediante o emprego de um sistema digital que foi desenvolvido neste trabalho. A sua utilização permitiu uma maior qualidade e eficácia quanto a aquisição e a análise de dados bem como acesso a diversos outros parâmetros referentes aos traços, até então inacessíveis pelo sistema analógico que estava em uso no IPEN e, assim, acesso a teoria da formação da imagem nestes detectores. As características determinadas para o Durolon foram comparadas com as obtidas para outros dois detectores de traços nucleares, o Makrofol-E e o Makrofol-DE e, demonstram a viabilidade de sua utilização. / The polymer Durolon has been characterized as a solid state nuclear track detector. In these detectors a track, resulting from the damages in its molecular structure, induced by a heavy charged particle, is the testimony of the passage of the particle through the polymer. In order to characterize the Durolon the track diameter, track production rate, light transmission through the polymer and the critical angle of incidence of the particle have been studied. The main objective of such studies was to provide the necessary subsidies to understand the information registered. The damages have been induced by alpha particles from the nuclear reaction 10B(n,)7Li, by irradiating a boron screen in a thermal neutron field from an experimental facility installed in the beam hole 08 of the IEA-R1 nuclear research reactor of IPEN-CNEN/SP. The study of the parameters have been performed by using a digital system developed in the present work. Its use has provided a higher quality and quickness regarding data acquisition and data analysis as well as the opportunity to quantify several other parameters regarding the imaging formation theory in solid state nuclear track detectors. The characteristics of the Durolon have been compared with the ones of two other detectors Makrofol-E and Makrofol-DE and have demonstrated its potentiality to use.

O polímero Durolon foi caracterizado para ser utilizado como um detector de traços nucleares de estado sólido. Nestes detectores, o testemunho da passagem da radiação é um dano na estrutura molecular do polímero que após ser atacado em uma solução química se transforma em um traço, permanente e visível em um microscópio ótico. A caracterização do Durolon foi feita mediante estudos do diâmetro do traço, da eficiência de produção de traços, da transmissão de luz pelo polímero e do ângulo crítico de incidência da partícula em sua superfície, visando fornecer os subsídios necessários para interpretar as informações registradas. No presente trabalho os danos no polímero foram causados por partículas - da reação nuclear 10B(n,)7Li, mediante a irradiação de uma tela de boro em um feixe de nêutrons térmicos, oriundo de um equipamento instalado no canal 08 do reator nuclear de pesquisas IEA-R1 do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN-CNEN/SP. Estes estudos foram realizados mediante o emprego de um sistema digital que foi desenvolvido neste trabalho. A sua utilização permitiu uma maior qualidade e eficácia quanto a aquisição e a análise de dados bem como acesso a diversos outros parâmetros referentes aos traços, até então inacessíveis pelo sistema analógico que estava em uso no IPEN e, assim, acesso a teoria da formação da imagem nestes detectores. As características determinadas para o Durolon foram comparadas com as obtidas para outros dois detectores de traços nucleares, o Makrofol-E e o Makrofol-DE e, demonstram a viabilidade de sua utilização. / The polymer Durolon has been characterized as a solid state nuclear track detector. In these detectors a track, resulting from the damages in its molecular structure, induced by a heavy charged particle, is the testimony of the passage of the particle through the polymer. In order to characterize the Durolon the track diameter, track production rate, light transmission through the polymer and the critical angle of incidence of the particle have been studied. The main objective of such studies was to provide the necessary subsidies to understand the information registered. The damages have been induced by alpha particles from the nuclear reaction 10B(n,)7Li, by irradiating a boron screen in a thermal neutron field from an experimental facility installed in the beam hole 08 of the IEA-R1 nuclear research reactor of IPEN-CNEN/SP. The study of the parameters have been performed by using a digital system developed in the present work. Its use has provided a higher quality and quickness regarding data acquisition and data analysis as well as the opportunity to quantify several other parameters regarding the imaging formation theory in solid state nuclear track detectors. The characteristics of the Durolon have been compared with the ones of two other detectors Makrofol-E and Makrofol-DE and have demonstrated its potentiality to use.

O objetivo do presente trabalho é a descrição do projeto e construção de um detector de corrente Compton, com geometria cilíndrica utilizando o material dielétrico teflon; para radiação eletromagnética numa faixa de energia entre 10 KeV à 2 MeV. Basicamente o detector é composto por um cilindro de teflon, recoberto com uma fina camada de tinta prata (chamado eletrodo externo) e um eletrodo interno de chumbo, colocado axialmente no dielétrico; assim o detector forma um capacitor de placas cilíndricas recheado com teflon. A função de cada parte do detector é descrita neste trabalho, também são relatadas as medidas sobre a corrente Compton provocadas no teflon pela passagem de um fluxo de fótons provenientes as fontes de raios-X (aparelho Muller MG 150) e raios gama de cobalto (60Co), estas medidas foram realizadas com auxílio de um eletrômetro da Keitley. Apresenta-se uma teoria elaborada pelo professor Bernhard Gross a qual se ajusta satisfatoriamente com os resultados experimentais obtidos. Levantaram-se as curvas de calibração de carga e corrente acumulada no detector contra taxas de exposição. O detector é bastante simples de ser construído e para que se possam fazer as medidas de corrente, carga ou mesmo voltagem acumulada neste, bastando para isto um eletrômetro. Outro fato importante de se ressaltar, é que tal detector não necessita de campo elétrico aplicado, como encontrado em muitos detectores de radiação de uso comercial. No presente trabalho procura-se ainda fornecer uma idéia dos conceitos e unidades básicas que envolvem o campo das radiações eletromagnéticas. / In this work it is related building of a radiation detector for range energy between 10 KeV 2 MeV. It´s used Teflon (cylindrical geometry) for scattering of radiation for the production of Compton electrons. Axially to Teflon there is a lead internal electrode, which absorbs the incident radiation. Recovering the Teflon there is a silver external electrode that doesn´t absorb the radiation. In this way, the detector behaves as a cylindrical capacitor which Teflon is a dielectric. The measures are made with an electrometer. The detector shows a linear and reproducible behavior as a function of dose rate.

This thesis performs a quantitative study, derived from the Neyman-Pearson framework, on the robustness of the matched filter detector corrupted by zero mean, independent and identically distributed white Gaussian noise. The variance of the noise is assumed to be imperfectly known, but some knowledge about a nominal value is presumed. We utilized slope as a unit to quantify the robustness for different signal strengths, nominals, and sample sizes. Following to this, a weighting method is applied to the slope range of interest, the so called tolerable range, as to analyze the likelihood of these extreme slopes to occur. A ratio of the first and last quarter section of the tolerable range have been taken in order to obtain the likelihood ratio for the low slopes to occur. We finalized our analysis by developing a method that quantifies confidence as a measure of robustness. Both weighted and non-weighted procedures were applied over the tolerable range, where the weighted procedure puts greater emphasis on values near the nominal. The quantitative analysis results show the detector to be non-robust and deliver poor performance for low signal-to-noise ratios. For moderate signal strengths, the detector performs rather well if the nominal and sample size are chosen wisely. The detector has great performance and robustness for high signal-to-noise ratios. This even remains true when only a few samples are taken or when the practitioner is uncertain about the nominal chosen.

O objetivo do presente trabalho é a descrição do projeto e construção de um detector de corrente Compton, com geometria cilíndrica utilizando o material dielétrico teflon; para radiação eletromagnética numa faixa de energia entre 10 KeV à 2 MeV. Basicamente o detector é composto por um cilindro de teflon, recoberto com uma fina camada de tinta prata (chamado eletrodo externo) e um eletrodo interno de chumbo, colocado axialmente no dielétrico; assim o detector forma um capacitor de placas cilíndricas recheado com teflon. A função de cada parte do detector é descrita neste trabalho, também são relatadas as medidas sobre a corrente Compton provocadas no teflon pela passagem de um fluxo de fótons provenientes as fontes de raios-X (aparelho Muller MG 150) e raios gama de cobalto (60Co), estas medidas foram realizadas com auxílio de um eletrômetro da Keitley. Apresenta-se uma teoria elaborada pelo professor Bernhard Gross a qual se ajusta satisfatoriamente com os resultados experimentais obtidos. Levantaram-se as curvas de calibração de carga e corrente acumulada no detector contra taxas de exposição. O detector é bastante simples de ser construído e para que se possam fazer as medidas de corrente, carga ou mesmo voltagem acumulada neste, bastando para isto um eletrômetro. Outro fato importante de se ressaltar, é que tal detector não necessita de campo elétrico aplicado, como encontrado em muitos detectores de radiação de uso comercial. No presente trabalho procura-se ainda fornecer uma idéia dos conceitos e unidades básicas que envolvem o campo das radiações eletromagnéticas. / In this work it is related building of a radiation detector for range energy between 10 KeV 2 MeV. It´s used Teflon (cylindrical geometry) for scattering of radiation for the production of Compton electrons. Axially to Teflon there is a lead internal electrode, which absorbs the incident radiation. Recovering the Teflon there is a silver external electrode that doesn´t absorb the radiation. In this way, the detector behaves as a cylindrical capacitor which Teflon is a dielectric. The measures are made with an electrometer. The detector shows a linear and reproducible behavior as a function of dose rate.