Caratterizzazione di un rivelatore Broad Energy Germanium (BEGe) per l esperimento GERDA.

Transcript

1 Caratterizzazione di un rivelatore Broad Energy Germanium (BEGe) per l esperimento GERDA. Matteo Agostini 2 Ottobre 29 Universitá di Padova 1 / 14

2 Sommario 1 Il Decadimento doppio beta e l esperimento GERDA 2 Il rivelatore BEGe Caratteristiche e prestazioni La simulazione delle forme d impulso Il potere di reiezione del fondo 3 Conclusioni 2 / 14

3 Il Decadimento doppio beta e l esperimento GERDA L esperimento GERDA (Germanium Detector Array) Rivelatori al Germanio arrichiti nell isotopo 76 Ge: la tecnologia dei rivelatori al Germanio è consolidata sorgente = rivelatore (efficienza 1%) cristalli ultra puri (HPGe) con risoluzione E/E.1% Q ββ ( 76 Ge) 239 kev minore dell energia dei gamma prodotti nelle catene di decadimento del 232 Th e del 238 U Il design di GERDA è finalizzato alla minimizzazione del fondo (1 3 counts/(kev Kg y)): rivelatori direttamente immersi in LAr (no incapsulamento) cura nella scelta dei materiali laboratorio sotterraneo (LNGS) analisi off-line dei dati 3 / 14

4 Il Decadimento doppio beta e l esperimento GERDA Sensibilità dell esperimento GERDA r T ν MT 1/2 aε BR 4 / 14

5 Il Decadimento doppio beta e l esperimento GERDA Studio delle forme degli impulsi Il fondo nell esperimento GERDA è costituito dai raggi gamma che rilasciano nel rivelatore la stessa energia di un evento doppio beta, tuttavia: Radioattività naturale eventi con interazioni multiple (σ tot σ Compton ) Decadimento doppio beta eventi localizzati 9 8 SSE MSE MeV MSE 1.3 MeV SSE (28,34,16).7 MeV SSE (46,34,26) adc counts [a.u.] adc counts [a.u.] e-7 2e-7 3e-7 4e-7 5e-7 6e-7 time [s] time [s] La forma del segnale può essere usato per discriminare i Single Site Events (SSE) dai Multi Site Events (MSE) > La forma dei segnali dipende dalla geometria del rivelatore 5 / 14

6 Il Decadimento doppio beta e l esperimento GERDA Le diverse tipologie di rivelatori al Germanio Phase I 8 rivelatori closed-end p-type coaxial (IGEX e HdM) Phase II 2 candidati: > rivelatori true-coaxial segmentati (18 segmenti) > rivelatori Broad Energy Germanium (BEGe) true coaxial closed-end coaxial Barbeau et al., Large-Mass Ultra-Low Noise Germanium Detectors 6 / 14

7 Il rivelatore BEGe Il rivelatore Broad Energy Germanium (BEGe) thick-window Al endcap BEGe 71 mm n+ contact 35 V PRE 31 mm p-type Ge groove p+ contact (read out electrode) V N2 7 / 14

8 Il rivelatore BEGe Le misure di caratterizzazione Specifications: Detector model BE383/s Crystal model 75SL Physical Characteristics: Active diameter 7 mm Active area 38 mm 2 Thickness 31 mm Distance from window 5 mm Window thickness 1.5 mm Window material Al Electrical Characteristics: counts analogue digital Energy [kev] Depletion voltage +3 V Recommended bias voltage +35 V Integral nonlinearity <.5% Energy Resolution at kev: FWHM kev FWTM kev Energy [kev] Analogue DAQ Digital DAQ resolution [kev] resolution [kev] (.2) 1.52 (.2) (.2) 1.67 (.3) 8 / 14

9 Il rivelatore BEGe Struttura della simulazione 1 simulazione MC: produzione e interazione nel rivelatore di fotoni ed elettroni (Geant4) 4 35 anode cathode electrons holes 2 raccolta sugli elettrodi delle coppie elettrone-lacuna prodotte in ciascuna interazione segnale indotto sugli elettrodi 4 risposta del preamplificatore e pulse h pulse total pulse total pulse + pre adc counts e-8 1e-7 1.5e-7 2e-7 2.5e-7 3e-7 3.5e-7 4e-7 4.5e-7 time [s] 9 / 14

10 Il rivelatore BEGe Validazione della simulazione MC confronto degli spettri di energia assorbimento capsula strato morto e volume attivo MC + background experimental data counts 1 2 counts Energy [kev] Energy [kev] MC experimental data counts.6.4 counts position [mm] position [mm] Ottimo accordo in tutti i test effettuati 1 / 14

11 Il rivelatore BEGe Validazione della simulazione - Forme d impulso Confronto diretto tra i segnali sperimentali e simulati: sorgente di 241 Am collimata interazioni ben localizzate; calcolo del segnale sperimentale medio forte riduzione del rumore Calcolo del segnale medio: 1 i segnali sperimentali sono interpolati usando la funzione di trasferimento del circuito; 2 i segnali interpolati sono allineati in tempo rispetto al segnale medio; 3 se lo scarto medio del segnale interpolato ed allineato rispetto alla media è minore di una certa soglia il segnale viene incluso nella media. adc counts e-7 experimental pulse average pulse simulated pulse 2e-7 4e-7 time [s] 6e-7 8e-7 1e-6 11 / 14

12 Il rivelatore BEGe Scansione della superficie > sorgente: 241 Am > collimatore: 2 mm > tempo di acquisizione: 6 s anode cathode adc counts mm 1 mm 15 mm 2 mm 25 mm 3 mm 35 mm exp data e-7 2e-7 3e-7 4e-7 time [s] 5e-7 6e-7 7e-7 8e-7 In questo rivelatore le lacune vengono attirate verso il centro del rivelatore e quindi raggiungano l elettrodo seguendo la stessa traiettoria Mentre la parte iniziale dei segnali (< 1% dell ampiezza massima) contiene l informazione sulle coordinate dell interazione, la parte finale non presenta variazioni. 12 / 14

13 Il rivelatore BEGe MSE vs SSE MeV SSE (28,34,16) 2. MeV MSE MeV SSE (28,34,16).4 MeV SSE (46,34,26) 4 anode cathode electrons holes adc counts [a.u.] MeV SSE (66,34,26) First Derivate adc counts [a.u.] Second Derivate SSE 2 MeV MSE.5 MeV+.4 MeV+1.1 MeV adc counts [a.u.] e-7 2e-7 3e-7 4e-7 5e-7 6e-7 7e-7 8e-7 9e-7 time [s] 13 / 14

14 Conclusioni Conclusioni e prospettive future Risultati: le ottime prestazioni dei rivelatori BEGe fornite dal produttore sono state pienamente verificate la simulazione sviluppata fornisce risultati in buon accordo con le verifiche sperimentali condotte fino ad ora la simulazione ha permesso di approfondire la conoscenza del funzionamento del rivelatore, ad esempio la correlazione tra la forma degli impulsi e le traiettorie delle cariche durante la raccolta sugli elettrodi i primi studi di analisi delle forme degli impulsi hanno confermato l ottimo potere di discriminazione tra SSE e MSE del BEGe Prospettive future: i BEGe devono essere testati immersi direttamente nel LAr la simulazione deve essere pienamente validata attraverso una scansione dell interno del rivelatore le tecniche di discriminazione del fondo basata sullo studio delle forme d impulso devono essere approfondite 14 / 14