BOL 1964 - 1977 RvD 2004

Omstreeks 1964 werd de aanzet gegeven 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 BOL en enige andere belangrijke onderdelen ondergebracht.

Onderwerpen van deze presentatie 0. Inleiding Het IKO-cyclotron gebouwd in 1947 2. Achtergrond en doel van BOL (1964) 3. Deeltjesdetectoren IKO en NV Philips 4. Constructie van de BOL-detector (1965) 5. Elektronica Front-end, Meetsysteem, Logica 6. On-line computers (1967) 7. Programmering en analyse 8. Meetresultaten 9. Ontmanteling van BOL-detector (2002)

0. Inleiding

“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.

eerste blik op het BOL-systeem 1 Een eerste blik op het BOL-systeem als geheel 1. Detector 2. Elektronica 3. Regeling 4. On-line computers 5. Cyclotron console 6. Registratie 7. Regel- drukker 2 2 1 5 4 6 7 3

Schematisch overzicht BOL-systeem BOL-detector deeltjesbundel detectoreenheden met elektronica cyclotron meetelektronica cyclotron besturing besturing dataregistratie on-line computernetwerk EL-X8 computer dataverzameling

BOL- Detector met 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 1. Het IKO Cyclotron 1947 - 1977 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.

Het IKO in oude gasfabriek Oosterringdijk, Amsterdam 1947 IKO-cyclotron in aanbouw, F.A. Heyn (r) en C.J. Bakker (l) (alg.directeur CERN 1955 - 1960).

IKO synchrocyclotron, maquette 1949 3 2 1. Magneet; 2. HF-systeem voor electromagnetisch veld waarin deeltjes worden versneld; 3. mechanisme voor interne bestralingen t.b.v. van radioactieve bronnen.

In het cyclotron worden de deeltjes versneld in 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 omstreeks 1958. Daar- mee was de basis gelegd voor het IKO kernreactie- onderzoek. Koerts

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. bundelextractiesysteem Fluorescerend scherm oplichtend door deeltjes ontsnapt aan het mag-neetveld Koerts BOL-systeem

2. Achtergrond en doel van BOL 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 (q) 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” worden veruit het beste gedaan met véél detectoren! In 1964 leidde dit tot het idee en de innovatieve ontwikkeling van het ambitieuze BOL-systeem.

3. Deeltjesdetectoren

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: Drie PIN-detectoren (4 à 5 mm dikte). Hierin stoppen invallende deeltjes die daarin volledig hun energie (E) afgeven: de E-detector Een Dambord-DE-detector, een gloednieuwe ontwikkeling essentieel voor het BOL-project. Nieuw! Productie PIN-detectoren Detector assortiment NV Philips 1967

De detectortelescoop Damborddetector } PIN-detectoren

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

Wanneer een geladen deeltje de damborddetector doorkruist, wordt zowel het energieverlies DE 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. Dambord”matje” Dubbelzijdig strippatroon met signaaluitlezing N Aantallen deeltjes per veld van radioactieve bron

4. Mechanische Constructie

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.

Bewerken van de halve koperen bollen 1 2 1+2 Op de draaibank; 3. Kotterbeitel voor de trapgewijs tapse gaten; 4. Kotteren van gaten op de 32 ontwerp-posities (q,f) met 20 mm precisie. 4 3

Binnenbol Gemonteerd met binnen- tussenring met koelspiraal en buitentussenring

Vacuumbol (2e schild) impregnering en montage

Vacuűmbol voorbereid voor vacuűm- test.

Assemblage 1e bolschild (binnenbol) 2e bolschild (vacuum) rood 3e bolschild (luchtkoeling)

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.

5. Electronica met transistoren

Ontwerpen, bouwen, en testen “op tafel” Een groot aantal analoge en digitale functies d.m.v. transisitoren op één “printplaat”. Niet eerder vertoond!

BOL-Elektronica Detector (poot) elektronica 2. Logica print (besturing en uitlezing) 3. ADC-print (analoog - digitaal conversie E: 13 bits DE: 9 bits) 2 1 3

Dubbele Elektronica-ton voor de beide printplaten per detectiepoot. De ton kon roteren voor plaatsing of uitname van een plaat.

BOL-platform met ton en “weerstandenkarretje”

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

Het inbrengen van een “poot”

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

TV-camera instellen op fluorescerend scherm vlak voor de BOL- opstelling, ter afregeling 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)

6. On-line Computers besturing, dataregistratie en -visualisatie

Dataverzameling en registratie BOL 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.

Computernetwerk on-line configuratie

1 2 PDP-8 BOL- display console 3. type- writer met pons- band 3

Dataregistratie op magneetband, 2000 banden werden opgenomen

EL-X8 Reken- en geheugenkasten C O M P U T E R Console Papierbandlezer Flexowriter Papierbandlezer

De On-line koppeling van computers en fijnmazige multidimensionale data vereiste 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)

7. Programmering en Analyse 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

Deeltjesidentificatie zichtbaar op on-line oscilloscoop display a = 4He 3He triton deuteron E . DE proton DE = signaal Damborddetector E = signaal PIN-detectoren + DE E

8. Meetresultaten Publicaties en proefschriften

Inspectie van eerste resultaten op regeldrukkerpapier

Meetresultaten Dalitz-plots geven de structuur weer van tussentoestanden in het reactieproces. 1H + d  p1 p2 n Td = 26 MeV 9Be (d, t a) 4He Td = 26 MeV 1H (3He, pd) p T3He = 69 MeV

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

Reactie d + p  p + p + n Vergelijking meetgegevens en theorie in 1, 2 en 4 dimensies 1-dimensionale ve

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

Auteurs van BOL-publicaties in internationale tijdschriften Akkerman, H J M (M) Ph Arnold, 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) PhNL Bregman, P (E) PhNL Bijleveld, J H M (M) Bijvoets, Th (E/V) Dantzig, R van (F) Dieperink, J H (E) Dodd, L R (F) UA Engen, 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) PhNL Hoekstra, R (E/F) Hofker, W K (D) Ph Kate, P U ten (E) Kloet, W M (F) UU Koerts, 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) PhNL Oostveen, K (E) Ridder, Th F de (F) Rumphorst, R F (E) Slaus, I (E) UZ Sonnemans, M A A (F) Suys, J L C N M (S) PhEL Tjon, J A (F) UU Toenbreker, J A M (S) PhEL Verhaar, B J (F) UE Visschers, J L (F) Waal, J C (F) Wielinga, B J (F) Ypenberg, A D (F) D = Detectorfysica/ techniek E = Elektronica/ Elektrotechniek F = Fysica M = Mechanische technologie S = Software V = Vacuumtechniek PhNL = Philips NatLab PhEL = Philips-Electrologica UA = Univ. Adelaide UE = Univ. Eindhoven UU = Univ. Utrecht UZ = Univ. Zagreb

Public relations Rondleiding van de pers Het Parool 1971 Haarlemse Courant 1969 Public relations Rondleiding van de pers Rondleiding van de pers 1969 1969

BOL-team 1970

9. Ontmanteling BOL-detector Constructie in omgekeerde volgorde

1977 – 2002, 25 jaar monument in weer en wind moet uiteindelijk wijken …

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 ontwikkelingen in de experimentele kern- en deeltjesfysica, zoals: Detectie alzijdig “rondom” het botsingsgebied (4p) 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 detectoren bij botsingsringen. CACTUS detector, Oslo Miniball

Stripdetector + uitleeselektronica werd verder ontwikkeld en nam een grote vlucht 1965 IKO-Philips Damborddetector 2 x 10 x 1400 mm pitch* 1980 CERN 1 x 100 x 200 mm pitch pitch = afstand centra nabuurstrips 1982 1x 100 x 50 mm pitch 1985 CERN 50 mm pitch 1982 CERN 1 x 100 x 200 mm pitch 1981 1 x 100 x 50 mm pitch

Fotografie Hans Arnold Marco Kraan Presentatie René van Dantzig Met dank aan Ton Boerkamp Erik Heijne Piet Lassing Jan van Veen Jan Visschers

EINDE