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TEST DEI SISTEMI DI PURIFICAZIONE DI BOREXINO MEDIANTE IL COUNTING TEST FACILITY

TEST DEI SISTEMI DI PURIFICAZIONE DI BOREXINO MEDIANTE IL COUNTING TEST FACILITY. Davide Franco 1 3 /10/2003. Outline. Introduzione: Descrizione dell’apparato Borexino e del prototipo in piccola scala (CTF) Analisi dati CTF3 : Determinazione della scala energetica

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TEST DEI SISTEMI DI PURIFICAZIONE DI BOREXINO MEDIANTE IL COUNTING TEST FACILITY

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  1. TEST DEI SISTEMI DI PURIFICAZIONE DI BOREXINO MEDIANTE IL COUNTING TEST FACILITY Davide Franco 13/10/2003

  2. Outline • Introduzione: • Descrizione dell’apparato Borexino e del prototipo in piccola scala (CTF) • Analisi dati CTF3: • Determinazione della scala energetica • Radon, 226Ra (238U), 85Kr • Analisi energetica • Analisi radiale • Purificazione dell’azoto da 39Ar e 85Kr • Misure di purezza di campioni di azoto • Misure sull’efficienze di purificazione di carboni attivi • Misura di 11C prodotto da muoni cosmici

  3. Paradosso 7Be/8B • Borexinoè un esperimento progettato per la misura diretta del 7Be mediante la reazione: • + e n + e Rivelazione attraverso spalla Compton a667 keV • Cosa possiamo imparare da una misura diretta del 7Be n-econ una precisionedel 10%? • Bahcall – Pena-Garay hep-ph/0305159: • Testare modelli solari • Vincolo sul flusso totale • Diversi regimi di oscillazione sotto 1 MeV?

  4. Il rivelatore e’ strutturato in shell Caratteristiche del rivelatore (dal centro): Scintillatore: PC + PPO (300 ton, 100 ton di massa fiduciale) Sfera in nylon (d = 8.5 m) Liquido di buffer: PC + DMP (1040 ton) 2200 fototubi Sfera in acciaio (d = 13.7 m) Buffer esterno di acqua ultrapura Serbatoio d’acciaio (h e dbase = 18 m ) L’Esperimento Borexino Laboratori Nazionali del Gran Sasso (profondità di 3800 mwe)

  5. Richieste di radiopurezza

  6. Radiopurezza • Scelta dei materiali • Struttura concentrica • Procedure di installazione e montaggio Sistemi di purificazione “on-line” • Water Extraction • rimozione di impurezze metalliche (U, Th e K) • SilicaGel • rimozione di impurezze ioniche • Distillazione • rimozione di impurezze chimiche • Stripping • rimozione di gas disciolti(< 5 ppm) • Filtraggio • rimozione di particolato > 0.05 μ

  7. 238U = (3.5 ±1.3)10-16g/g • 232Th = 4.410-16g/g • 14C/12C = (1.94 ± 0.09) 10-18 Counting Test Facilities • Prototipo su piccola scala: • 5 ton di scintillatore • 100 PMT • buffer di acqua

  8. Fasi di purificazione e test in CTF-3 Column (Silica Gel) Water Extraction Shroud Adj. Test del 14C PMT Off

  9. Informazioni dal rivelatore Il segnale dei PMT, processato dalla catena elettronica, fornisce: • carica (adc)  trasformazione in energia • problemi di non linearità in scala: quenching α, β e “γ” • tempo (tdc)  misura del profilo temporale (α/β ) •  ricostruzione della posizione • problema della riflessione totale • coincidenze ritardateidentificazione di segmenti di catena • acquisizione su una seconda parallela catena elettronica (gruppo 2)

  10. Analisi dati • Fit dello spettro energetico identificazione dei singoli contributi • Fit dello spettro radiale identificazione dei contributi “interni”, “superficiali” ed eventualmente “esterni” • Analisi del profilo temporale discriminazione della tipologia α o β del contributo • Decadimenti veloci identificazione del fondo

  11. Risoluzione del rivelatore: Forma teorica: N(We)dWe= peWe(W0-We)2F(Z,We)C(We)dWe • pe , We = momento ed energia dell’ e emesso • W0= endpoint • C(We) = fattore di forma • F(Z,We) = funzione di Fermi Scala energetica:light yield attraverso il 14C Negdipendono dalnumero dip.e./MeV !

  12. Scala energetica:light yield attraverso il 14C f (E) = funzione approssimata di quenching da studi MC C’(E) = C( f (E) ) Light Yield parametro libero del fit

  13. Scala energetica:andamento temporale del light yield Tutte le analisi qui presentate sono normalizzate per il light yield e per 100 PMT

  14. Possibili contributi • Contributi studiati in CTF-3: • 222Rn - 218Po - 214Pb - 214Bi - 214Po • 210Pb - 210Po - 210Bi • 85Kr • 40K • 39Ar

  15. Determinazione del rate di 238U dal 222Rn • Per determinare il rate dell’238U • coincidenze 214Bi-214Po (~ 200 s): • 222Rn in equilibrio secolare con la catena dell’238U • decade con la vita media del 238U (6.49 109 y) •  si osserva un plateau • Complicazione: • 222Rn introdotto nello scintillatore (in seguito a manipolazioni) • decade con la vita media del 222Rn (5.48 d)

  16. Radon dalla coincidenza 214Bi-214Po A oggi, 1.1 c/d. Assumendo l’equilibrio secolare 238U = (2.6 ± 0.2)x10-16 g/g

  17. Identificazione del 85Kr attraverso le coincidenze ritardate • Decadimento del 85Kr: • β- 99.563 % BR 85Rb (Emax = 687.4 KeV) • EC 0.434 % BR 85mRb (Emax = 173.4 KeV) • Il 85mRb decade nello stato fondamentale con vita media 1.46 µs emettendo γ a 514 keV • DC: • sequenza di decadimenti del 85Kr (via EC) e del 85mRb nella finestratemporale • Svantaggi: il BR del decadimento via EC e’ molto piccolo • (si richiede alta statistica) • Analisi energetica: • spettro β del decadimento del 85Kr (via β-) • Svantaggi: lo spettro del 85Kr si confonde con lo spettro del 39Ar

  18. Contributo interno: • Convoluzione di r2 con la risoluzione del rivelatore (distribuzione di Rayleigh) • parametri liberi: • Posizione del vessel (*) • Risoluzione efficace • Rate • Contributo superficiale: • Distribuzione di Rayleigh • parametri liberi: • Posizione del vessel (*) • Risoluzione • Rate • Contributo esterno: • Trascurato Analisi Radiale: formalizzazione tf= tempo di volo del fotone c = velocità della luce n = indice di rifrazione

  19. Problema con la sottrazione del radon

  20. α + γ β + γ Eα-quenched + Eγ Eβ + Eγ Eγ Parametrizzazione dello spettro energetico Ogni contributo e’ trattato indipendentemente come convoluzione della forma spettrale con la risoluzione del rivelatore Total 210Po Radon 85Kr 210Bi

  21. Fit dello spettro energetico

  22. I Batch 14C Test I SG I WE BL II WE II SG 8 Months 16 Months

  23. Equilibrio BiPo-210 raggiunto Sistematica dovuta all’incertezza sul raggiodel vessel: 5 cm d’incertezza 16% di sitematica

  24. Riassumendo: • Sono state utilizzate tutte le informazioni disponibili dai dati di CTF • Studio sulla scala energetica e sul quenching (work in progress) • Test della distillazione • Finalità dell’analisi: • valutazione dei contributi • stabilità del rivelatore • I metodi di analisi utilizzati verranno direttamente impiegati in Borexino

  25. Purificazione dell’azoto da 39Ar e 85Kr • 39Ar: T1/2 = 269 y; - (end-point 565 keV); 1.4 Bq/m3 Ar • 85Kr: T1/2 = 10.8 y; , - (end-point 687 keV);1 MBq/m3 Kr • Requisiti per Borexino: ~100 nBq/m3(1 ev/day nel volume fiduciale) per 39Ar e 85Kr • Solubilità: Ar: N2/PC = 4.4 (SDS) (N2/H2O = 37) Kr: N2/PC = 1.4(H. Simgen) (N2/H2O = 21) • => requisiti in N2: 0.4 Bq 39Ar/m3 N2 0.31 ppm Ar in N2 0.14 Bq 85Kr/m3 N2 0.14 ppt Kr in N2 Obiettivi: • individuare N2 prodotto direttamente a bassa contaminazione • studiare il sistema di purificazione più efficiente

  26. Pipes backed out and flushed with nitrogen for some days Pipettes gas Sample purification Spettrometro di massa liquid N2 6.0 Dewar (180 L) con azoto liquido Misura dei campioni di azoto Limite del rivelatore (per 1 cm3 di N2): 1 ppb per Are0.1 ppt for Kr

  27. Adsorbimento con zeoliti e carboni attivi (modello di Langmuir) legge di Henry: nads = H p

  28. C0 CN VP VRet H () N2 6.0 Purificazione dell’azoto da Kr e Ar per adsorbimento con carboni attivi gas Sample purification Mass spectr. liquid LN2, LAr Cryocool 600-L dewar with Kr-enriched (100 - 400 ppt) liquid nitrogen (Westfalen AG) bubbler 100/300-cm3 column filled with adsorber

  29. Cromatografia: L=N x H.E.T.P.

  30. Purificazione da 85Kr con diversi assorbitori Zeoliti non adatti all’adsorbimento del 85Kr LN2Temperature LArTemperature 12 kg di Carbosieve III purificano 2000 m3 di azoto corrispondente al fabbisogno di Borexino per 4 giorni

  31. LN2 temperature LAr temperature

  32. Risultati: concentrazione Ar/Kr per diversi campioni di azoto

  33. The 11C problem in the CNO-pep NW • Expected n-rate in Borexino in 100 ton (BP2004 + LUNA + LMA) in the energy range [0.8 – 1.4] MeV: • pep-n: 0.9 c/d • CNO-n: 0.6 c/d • Internal background in [0.8 – 1.4] MeV: 0.6 ev/day @ 10-17 g/g U, Th • In situ production muon-induced 11C: • 7.5 c/d in the range [0.8 – 1.4] MeV required reduction factor > 10 Goal: tagging and removing 11C event by event!!!

  34. m 11C (b+) n g • ~ 200 s Eg = 2.2 MeV • ~ 30 min!!! E [1.02 – 1.98] MeV m-induced 11C: the net reaction <E>= 320  4stat. + 11 syst. GeV @ LNGS (3600 mwe)

  35. Muon-induced contaminants in CTF Experiment @ CERN(*): cross sectionsmeasured with -beams of 100 and 190 GeV on 12C target Scaling to CTF,11Crepresents 80%of all the muon-induced contaminants and more than99%in the NW-2 (*) T. Hagner et al., Astr. Part. Phys. 14 (2000) 33-47

  36. m 11C (b+) n g Strategy in CTF • Tagging cosmic muons with the muon veto: • <320 GeV>, crossing the scintillator, fires the detector • cut on the number of photoelectrons detected by the muon-veto (e~ 1) • Tagging 2.2MeV from the neutron capture: • for each tagged <320 GeV>, a temporal gate of [1 s - 2ms] is opened • cut: E > 1.8 MeV • and neutron(spill-in/spill-out effect) have been evaluated via Monte Carlo • Collecting data sample including 11C events: • after each 2.2MeVa temporal gate of 300 min (10 x  ) in the [1.10 – 1.65] MeV energy window (energy = 0.82) • Radial cut:rhas been evaluated via Monte Carlo

  37. m 11C (b+) n g Neutron capture n + p d + 2.2 MeV capture time ~ 200 s g2.2MeV peak Capture time rate ~ 1.7 c/d in 3.7 tons t = 211 14 s Events/320 days/2.7 tons/45 keV Events/320 days/3.7 tons/80 s Energy(MeV) CoincidenceTime (102 ns)

  38. m 11C (b+) n g Detection of in situ produced 11C rate • Effective data taking:320 days • Radial cutsarount the center of the detector (r [0.7 – 0.8] m) for avoiding optical effects at different medium interface • Assuming aconstant backgroundB Fit function: From the fit:  = 29 ± 13 min Coincidence Time (min) (others analyses provide a lower uncertainty on t)

  39. m 11C (b+) n g Result: 11C rate in CTF • Fixingt = 29.4 min • r = 0.7 m(mr = 1.4 ton) • T =320 days • Energy window [1.1 – 1.65] MeV:een = 0.82 Note: less than 1 event every 5 days

  40. Efficiencies: Monte Carlo Simulation • FLUKAhas been already tested succesfully in muon-induced neutron production (LVD, etc) • Simulation strategy: • FLUKA: • detector geometry • vertical muon beam spread over the whole detector surface • neutron tracking in scintillator and water • CTF tracking code: • tracking of 2.2MeVstarting from the neutron capture position • CTF reconstruction code: • reconstruction of the center of mass of the 2.2MeV deposited energy

  41. m 11C (b+) n Neutron capture in scintillator and water g 204 ± 2 s Good agreement with real data (211 ± 14 s)! Number of events 0 4 8 12 Coincidence Time (100 ms) Results from the MC (1) Events in water and in scintillator Angular Distribution (cosq) Energy Distribution (GeV)

  42. m 11C (b+) n Cumulative probability: g % 82% (87%) of neutrons are contained in 1 m radius sphere with center in2.2MeV center of mass(neutron capture position) Distance (m) Results from the MC (2) Only internal events Distance from neutron production position to (normalized spectra): • neutron capture • 2.2MeV center of mass Distance (m)

  43. From MC: Efficiencies and final results • Including the systematics due to: • scintillator mass • light yield: energy scale conversion Rexpected= 0.54 ± 0.06 c/d

  44. Spherical cut aroundneutron capture Cylindrical cut around m-track Implication in Borexino How to reduce 11C background: m-track • Software cut • spherical volume around the reconstructed 2.2 MeV • Muon veto cut • cylindrical volume around the muon track Scintillator Neutron production Reconstructed g2.2MeV 11C is removed blinding the intersection of the two volumes for 5-10 11C-lifetime Main challenge: keeping low the total dead volume x time

  45. Distance (m) Summarizing • Assuming: • n-signal (pep+CNO) rate: 1.5 c/d • trace contaminants rate 0.6 c/d (238U and 232Th ~ 10-17 g/g ) • distribution of the distance covered by neutrons from FLUKA simulation • expected 46 neutrons/day • 100 tons of fiducial mass • only the spherical cut • NW-2: 0.8 – 1.4 MeV

  46. Preliminary results Signal-to-backround ratio ~ 1 implies a loss of volume-time detector fraction ~ 5%

  47. Conclusions and perspectives • Good agreement 11C rate measured/expected in CTF • 11C is tagged event by event • Loss of volume-time detector fraction is minimized in Borexino • Improvements: cylindrical cut, neutron distribution from 12C, etc. => Borexino has the potential to probe pep and CNO ns

  48. “Profilo” della purificazione C0 • Using „standard“ purity of LN2 from • Linde/Mantova/Westfalen we need: • - Kr reduction factor 50 • - Continous purification for 1 week • with 20 m3/h • We assume: • Purification at LN2 temp. (77 K) • 2 kg of adsorber CN = ½ C0 CN VP VRet H () N 10 HT  77 [mol K/(kg Pa)]

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