Realizzazione di un apparato per la caratterizzazione del PC caricato con Xenon a 5 bar

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1 Realizzazione di un apparato per la caratterizzazione del PC caricato con Xenon a 5 bar Genova, 2 febbraio 2011

2 Introduzione Lo 136Xe e' un buon candidato per lo studio del doppio decadimento beta (DBD) Verra' usato in diversi esperimenti di prossima generazione (EXO, NEXT, KamLAND-Zen, ) La sensibilita' degli esperimenti che ricercano il DBD scala come M / b E Alcuni numeri per gli esperimenti di prossima generazione (CUORE): massa: ~ 200 kg fondo: ~ 10-2 conteggi/(kev kg y) risoluzione energetica: ~ 5 kev 2.5 MeV 2

3 Xenon disciolto nel PC L'idea di un esperimento per il DBD con lo Xenon disciolto in scintillatore liquido e' stata avanzata da R.S. Raghavan PRL 72 (1994), 1411 La risoluzione energetica degli esperimenti a scintillatore liquido e' molto peggiore di quella di bolometri o rivelatori al Germanio, ma: La massa e' molto piu' grande Il fondo e' molto piu' basso Lo Xenon e' facile da arricchire La solubilita' dello Xe nel PC e' del 2% in STP e scala linearmente con la pressione 3

4 Obiettivi Vogliamo realizzare un apparato di test per la caratterizzazione ottica del PC/PPO caricato con Xenon e portato a pressioni fino a 5 bar Nei limiti del possibile stiamo cercando di realizzare un apparato versatile, che possa essere usato anche per altri scopi 4

5 Misure Spettro di emissione Lunghezza di attenuazione Light yield Discriminazione Indice di rifrazione Ripetere le misure per diversi valori di pressione (ovvero di concentrazione di Xe) Misure preliminari a pressione atmosferica Misure preliminari con l'azoto al posto dello Xenon 5

6 Sketch dell'apparato Un cilindro lungo 1 m, diametro 20 cm, equipaggiato con PMT in grado di rivelare la luce di scintillazione Volume: ~30 litri Massa di PC: ~28 kg ( ~ 0.88 g/cm3) Volume massimo Xenon: ~ 150 litri STP CARATTERISTICHE DEL CILINDRO Materiale: Acciaio AISI 304 Diametro: 20 cm Lunghezza: 100 cm Spessore: 3.75 mm 6

7 Caratteristiche dell'apparato Controllo di pressione (Xe, N) Misura di temperatura Irraggiamento con sorgenti Movimentazione delle sorgenti Impiego sorgenti luminose con caratteristiche temporali e spettrali note (LED, LASER, etc.)...possibilita' di estendere la lunghezza dell'apparato a 3 metri 7

8 Proprieta' ottiche del PC/PPO Light propagation in a large volume liquid scintillator Borexino collaboration (G. Alimonti et al.) Nucl.Instrum.Meth.A440: ,2000 8

9 Proprieta' ottiche dello Xenon 178 nm Liquid Xenon Detectors for Particle Physics and Astrophysics E. Aprile and T. Doke Rev.Mod.Phys.82: ,2010 9

10 Fotomoltiplicatori 2 PMT grandi (5 ) agli estremi dell'apparato 1 PMT piccolo (3 ) in prossimita' della sorgente (trigger) R1584 R4143 R1584 Spaziatura tra le finestre di trigger: 10 cm (alternate su due lati) Tappi in neoprene espanso per oscurare le finestre non utilizzate e per evitare l'ingresso di luce attorno ai PMT 10

11 Fotomoltiplicatori HAMAMATSU 5 PMT 3 PMT R1584 R4143 Risposta spettrale nm nm Transit time spread 1.2 ns 0.6 ns 1.4 x x 106 Modello Guadagno R1584 R

12 Finestre per PMT 9 finestre (diametro 10 cm) per i PMT laterali Weld neck material: DIN stainless steel Collar nut material: DIN1.4301/ stainless Glass: Toughened Borosilicate Product side seal: PTFE O ring Atmospheric side seal: Non-asbestos fibre Maximum working pressure: 6 bar 2 finestre (diametro 15 cm) per i PMT grandi Weld neck material: DIN stainless steel Collar nut material: DIN1.4301/ stainless steel Glass: Quartz Spectrosil 2000 Product side seal: PTFE flat gasket Atmospheric side seal: Non-asbestos fibre Maximum working pressure: 5 bar

13 Sorgenti radioattive E' possibile irradiare l'apparato utilizzando sorgenti gamma esterne I =I 0 e / thickness (Fe) = g/cm3 spessore del cilindro: 3.76 mm dati: Al contrario, per poter utilizzare sorgenti e' necessario che queste siano inserite all'interno dell'apparato 13

14 Sorgenti radioattive Numero di fotoelettroni per MeV al variare della distanza dal PMT Frazione di gamma assorbiti al variare della distanza dalla sorgente Assumo che il rilascio di energia avvenga sull'asse del cilindro Non considero effetti di riflessione (solo accettanza geometrica) Calcolato a partire da (H) e (C) Usando la legge di Bragg si ha che H contribuisce per il 10%, C per il 90% 14

15 Sorgenti radioattive interne Sul fondo dell'apparato verra' montata una guida con un carrellino per la movimentazione delle sorgenti interne Il carrellino potra' essere spostato mediante un sistema di carrucole controllabile dall'esterno Bisogna definire una procedura per l'inserimento delle sorgenti: possiamo accettare di svuotare ogni volta l'apparato? 15

16 Sorgenti di luce LED Impulsi veloci Banda stretta HAMAMATSU Lampada Xe Impulsi lenti Banda larga EDINBURGH INSTRUMENTS 16

17 Trasmissione della luce nell'apparato Prevediamo di inviare la luce all'interno dell'apparato mediante una fibra ottica Banda passante fino a 200nm Resitente a pressioni fino a 5 bar Resitente al PC La terminazione della fibra verra' ancorata al carrellino utilizzato per la movimentazione delle sorgenti Limiti sul raggio di curvatura per evitare di oscurare i PMT (~2 cm) Problemi: E' difficile trovare un passante ottico che trasmetta a 200nm e che resista a 5 bar: e' sufficiente che il passante sia certificato per il vuoto? E' difficile trovare una fibra con raggio di curvatura sufficientemente piccolo e di materiali compatibili con il PC. Il miglior materiale sembra essere il Polymide 17

18 Impianto di controllo gas/liquidi Bubbolatore sul fondo dell'apparato per disciogliere il gas nel PC/PPO Flangia nella parte alta dell'apparato con interfaccia liquido/gas Sensori e valvole per controllo pressione/temperatura Circuito connesso alle bombole di Xe/N Cosa serve per gestire il PC?

19 Materiale Abbiamo a Genova: Abbiamo ordinato: 1000 litri di Xenon STP (10 litri a 100 bar) Cilindro di acciaio (PIANA) Piedistallo per il supporto del cilindro (GENOVALLUMINIO) Fotomoltiplicatori (HAMAMATSU) Elettronica di lettura (CAEN) Finestre per PMT (VISILUME) Carrellino per movimentazione sorgenti (IGUS) Una Xe-lamp (HAMAMATSU) una sorgente LED (EDINBURGH INSTRUMENTS) Restano da comprare: Sensori di P e T (VISILUME?) Impianto di pompaggio (?) Sistema di trasmissione luce (CERAMOPTEC/OCEANOPTICS?) 19

20 Questioni da definire Inserimento delle sorgenti Sistema di trasmissione luce con fibra ottica Certificazione Impianto di immissione (e recupero?) gas, controllo di pressione Sensori di P e T