test dei sistemi di purificazione di borexino mediante il counting test facility davide franco...
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TEST DEI SISTEMI DI PURIFICAZIONE DI BOREXINO
MEDIANTE IL COUNTING TEST FACILITY
Davide Franco
13/10/2003
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
Borexino è un esperimento progettato per la misura diretta del 7Be mediante la reazione:
+ e + eRivelazione attraverso spalla Compton a 667 keV
Paradosso 7Be/8B
Cosa possiamo imparare da una misura diretta del 7Be econ una precisionedel 10%
Bahcall – Pena-Garay hep-ph/0305159:
• Testare modelli solari
• Vincolo sul flusso totale
• Diversi regimi di oscillazione sotto 1 MeV?
L’Esperimento Borexino
Laboratori Nazionali del Gran Sasso (profondità di 3800 mwe)
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 )
Richieste di radiopurezza
Radiopurezza• Scelta dei materiali
• Struttura concentrica
• Procedure di installazione e montaggio
• 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
Sistemi di purificazione “on-line”
Counting Test Facilities
Prototipo su piccola scala:
• 5 ton di scintillatore
• 100 PMT
• buffer di acqua
• 238U = (3.5 ±1.3) 10-16 g/g
• 232Th = 4.4 10-16 g/g
• 14C/12C = (1.94 ± 0.09) 10-18
1.51.2
Fasi di purificazione e test in CTF-3
Test del 14C
Water ExtractionColumn (Silica Gel) Shroud Adj.
PMT Off
Informazioni dal rivelatore
• 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)
Il segnale dei PMT, processato dalla catena elettronica, fornisce:
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
Scala energetica: light yield attraverso il 14C
(( )) ()e eNC E g E W W dW
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
Forma teorica:
N e g dipendono dal numero di p.e./MeV !
Risoluzione del rivelatore:
2
2
(x)
2
ge
x2
( )
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
Scala energetica: andamento temporale del light yield
Tutte le analisi qui presentate sono normalizzate per il light yield e per 100 PMT
Possibili contributi
Contributi studiati in CTF-3:
• 222Rn - 218Po - 214Pb - 214Bi - 214Po
• 210Pb - 210Po - 210Bi
• 85Kr
• 40K
• 39Ar
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)
Radon dalla coincidenza 214Bi-214Po
A oggi, 1.1 c/d.Assumendo l’equilibrio secolare238U = (2.6 ± 0.2)x10-16 g/g
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 finestra temporale
• 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
Data Set Days 85Kr-85mRb (num of events r<2m)
85Kr activity
(c/d/mIV)
85Kr-85mRb
(num of events r<0.8m)
85Kr activity
(c/d/miv)
1: 2056-2073 24.1 20 ± 4 409 ± 82 10 ± 3 358 ± 108
2: 2074-2093 21.1 19 ± 4 443 ± 84 7 ± 3 287 ± 123
3: 2094-2122 33.0 38 ± 6 510 ± 81 19 ± 4 498 ± 105
4: 2125-2149 26.3 7 ± 3 118 ± 50 0 < 91 (90%)
5: 2154-2161 12.5 3 ± 2 106 ± 71 0 <191 (90%)
6: 2162-2183 24.1 5 ± 2 92 ± 71 0 <99 (90%)
7: 2188-2281 94.6 31 ±6 145 ± 28 2 ± 1 18 ±9
8: 2282-2345 99.1 22 ± 5 98 ± 22 7 ± 3 61 ±26
9: 2346-2434 165.8 36 ± 6 96 ± 16 9 ± 3 47 ±16
Analisi Radiale: formalizzazione
ft cr
n
tf = tempo di volo del fotone
c = velocità della luce
n = indice di rifrazione
• 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
Problema con la sottrazione del radon
Parametrizzazione dello spettro energetico
Ogni contributo e’ trattato indipendentemente come convoluzione della forma spettrale con la risoluzione del rivelatore
α + γ
Eα-quenched + Eγ
β + γ
Eβ + EγEγ210Po
Radon
210Bi
85Kr
Total
Fit dello spettro energetico
I Batch 14C Test I SG
I WE BL II WE
II SG 8 Months 16 Months
Equilibrio BiPo-210 raggiunto
Sistematica dovuta all’incertezza sul raggiodel vessel:5 cm d’incertezza 16% di sitematica
• 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
Riassumendo:
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
Misura dei campioni di azoto
Spettrometro di massa
gas
liquid
Pipes backed out and flushed with nitrogen for some days
Pipettes
Dewar (180 L) con azoto liquido
N2
6.0
Samplepurification
Limite del rivelatore (per 1 cm3 di N2): 1 ppb per Ar e 0.1 ppt for Kr
Adsorbimento con zeoliti e carboni attivi (modello di Langmuir)
legge di Henry: nads = H p
Purificazione dell’azoto da Kr e Ar per adsorbimento con carboni attivi
gas
liquid
600-L dewar with Kr-enriched (100 - 400 ppt)
liquid nitrogen (Westfalen AG)
Mass spectr.
N2
6.0
Samplepurification
LN2, LArCryocool
100/300-cm3 column filled with adsorber
bubbler
VRet H ()VP
C0
CN
Cromatografia: L=N x H.E.T.P.
Purificazione da 85Kr con diversi assorbitori
Zeoliti non adattiall’adsorbimento del 85Kr
LN2 Temperature
LAr Temperature
12 kg di Carbosieve III purificano 2000 m3 di azoto
corrispondente al fabbisogno di Borexino per 4 giorni
LN2 temperature
LAr temperature
Risultati: concentrazione Ar/Kr per diversi campioni di azoto
Description Ar [ppm] Kr [ppt]
HD RPN2 (4.0) 200 1 680
GS RPN2 (4.0) 10 40
GS HPN2 10 30
Linde Worms (7.0) 0.05 7
SOL Mantova (6.0)
0.2
0.005
8
0.04
Westfalen AG Hörstel (6.0+ Kr)
Westfalen AG Hörstel (6.0+ Kr)
Westfalen AG Hörstel (6.0+ Kr)
Westfalen AG Hörstel (6.0)
Westfalen AG Hörstel (6.0)
0.008
0.004
0.002
0.005
0.0005
170
250
430
5
0.06
Goal 0.31 0.14
The 11C problem in the CNO-pep NW
Expected -rate in Borexino in 100 ton (BP2004 + LUNA + LMA) in the energy range [0.8 – 1.4] MeV:
• pep-: 0.9 c/d
• CNO-: 0.6 c/d
Internal background in [0.8 – 1.4] MeV: 0.6 ev/day @ 10-17 g/g U, ThIn 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!!!
-induced 11C: the net reaction
1112C C nm+ ® +
01 11eCC e n+® + +
~ 30 min!!!
E [1.02 – 1.98] MeV{
n p d g+ ® + ~ 200 s
E = 2.2 MeV{<E> = 320 4stat. + 11 syst. GeV @ LNGS (3600 mwe)
n
11C (+)
Isotopes c/d(*) in the full energy range in CTF
11C 0.54 0.067Be (1.3 0.1) x 10-2
11Be < 10-3
10C (7.3 0.8) x 10-2
8Li (2.5 0.6) x 10-3
6He (3.7 0.1) x 10-2
8B (4.0 0.7) x 10-3
9C (2.8 0.9) x 10-3
9Li + 8He (1.3 0.2) x 10-3
(*) T. Hagner et al., Astr. Part. Phys. 14 (2000) 33-47
Muon-induced contaminants in CTF
Scaling to CTF, 11C represents 80% of all the muon-induced contaminants and more than 99% in the NW-2
Experiment @ CERN(*): cross sections measured with -beams of 100 and 190 GeV on 12C target
Strategy in CTF
1. 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 ( ~ 1)
2. 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
3. Collecting data sample including 11C events:
• after each 2.2MeV a temporal gate of 300 min (10 x ) in the [1.10 – 1.65]
MeV energy window (energy = 0.82 )
• Radial cut: r has been evaluated via Monte Carlo
n
11C (+)
rate ~ 1.7 c/d in 3.7 tons
Eve
nts
/320
day
s/2.
7 to
ns/
45 k
eV
Energy(MeV)
Neutron capturen + p d + 2.2 MeV
capture time ~ 200 s
2.2MeV peak
= 211 14 s
CoincidenceTime (102 ns)
Eve
nts
/320
day
s/3.
7 to
ns/
80 s
Capture time
n
11C (+)
Coincidence Time (min)
Detection of in situ produced 11C rate
/( ) tNF t e Bt
t-= +
• Effective data taking: 320 days
• Radial cuts arount the center of the detector (r [0.7 – 0.8] m) for avoiding optical effects at different medium interface
• Assuming a constant background B
Fit function:
From the fit: = 29 ± 13 min
n
11C (+)
(others analyses provide a lower uncertainty on )
• Fixing = 29.4 min
• r = 0.7 m (mr = 1.4 ton)
• T = 320 days
• Energy window [1.1 – 1.65] MeV: en = 0.82
(0.17 0.04)( 0.7 ) /
energy r n r n
NR r m c d
T g ge e e e e e e±
< = =× × × × × ×
Result: 11C rate in CTF
Note: less than 1 event every 5 days
n
11C (+)
FLUKA has 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 2.2MeV starting from the neutron capture position
• CTF reconstruction code:
• reconstruction of the center of mass of the 2.2MeV deposited energy
Efficiencies: Monte Carlo Simulation
Results from the MC (1)
Events in water and in scintillator
Neutron capture in scintillator and water
204 ± 2 s
Good agreement with real data (211 ± 14 s)!
0 4 8 12Coincidence Time (100 s)
Num
ber
of e
vent
s
n
11C (+)
Angular Distribution(cos)
Energy Distribution(GeV)
Results from the MC (2)
Distance from neutron production position to (normalized spectra):
• neutron capture
• 2.2MeV center of mass
Only internal events
Distance (m)
82% (87%) of neutrons are contained in 1 m radius sphere with center in 2.2MeV center of mass (neutron capture position)
Cumulative probability:
Distance (m)
%
n
11C (+)
Efficiencies and final results
(0.17 0.04)( 0.7 ) /
r n
R r m c dge e e
±< =
× ×
Including the systematics due to:
• scintillator mass
• light yield: energy scale conversion
0.060.040.60 0.14( .) ( .) /measuredR stat syst c d+
-= ±
Rexpected = 0.54 ± 0.06 c/d
0.29r n ge e e× × =
From MC:
Implication in Borexino
• Software cut– spherical volume
around the reconstructed 2.2 MeV
• Muon veto cut– cylindrical volume
around the muon track
How to reduce 11C background:
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
Spherical cut aroundneutron capture
Cylindrical cut around-track
Neutron production
ReconstructedMeV
-track
Scintillator
Summarizing
Distance (m)
Assuming:
• -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
Signal-to-backround ratio ~ 1 implies a loss of volume-time detector fraction ~ 5%
Dead Volume-Time Fraction
Signal/Background Ratio
5% 1
20% 1.2
50% 1.5
Preliminary results
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
“Profilo” della purificazione
C0
CN
VPVRet H ()
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
N 10HT 77 [mol K/(kg Pa)]
CN =
½ C
0
ads
t
RTm
VH Re
Results: H and N for different adsorbers
Description N
H T
[mol K/Pa/kg]
Goal 10 77
MS 5Å, Si/Al 1 no purification observed
MS 10Å, Si/Al 1 1 > 1.5 10-2
Zeolite, BEA-type, 5.3Å, Si/Al 200 1 3.1 10-1
Zeolite, MFI-Type, 6.6Å, Si/Al 75 1 2.3 10-1
Activated Charcoal, CarboAct 1 2.3
Activated Charcoal, Merck 1 2.3
Activated Charcoal, type C38/2 3 1.5
Carbon Cloth 10 2.3
Carbon Molecular Sieve SIII 1 10.8
Skeleton nanostructured carbon (7 Å) 2 11.6
Ad
sorp
tion
fro
m li
qu
idat
–19
6 o C
Ad
sorp
tion
fro
m g
as
Carbon Molecular Sieve SIII (-145 oC) 8 7.7
Carbon Molecular Sieve SIII – predict. for -190 oC 8 130
CTF-3
ShroudVessel
Rn in acqua ~ 5 mBq/m3
Andamento temporale dei contributi α di bassa energia nell’ultimo periodo di presa dati
Error bar: componente α risultante dal fit
• nella regione energetica del 210Po• nel volume fiduciale < 0.7 m• dopo la sottrazione della componente α del segmento del Rn
Discriminazione α/β:rapporto “coda su totale”
Tempo d’integrazione totale: 500 ns
ns
Spettri energetici
Gruppo 1 + Gruppo 2
p.e.
Gruppo 1
Gruppo 2
p.e.
p.e.
Taglio di volume fiduciale (< 0.6 m)Statistica ~ 1 d