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Calibrazione con laser UV e monitoraggio della purezza dellArgon liquido nellesperimento ICARUS. Università degli studi Federico II Facoltà di Scienze.

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Presentazione sul tema: "Calibrazione con laser UV e monitoraggio della purezza dellArgon liquido nellesperimento ICARUS. Università degli studi Federico II Facoltà di Scienze."— Transcript della presentazione:

1 Calibrazione con laser UV e monitoraggio della purezza dellArgon liquido nellesperimento ICARUS. Università degli studi Federico II Facoltà di Scienze MM.FF.NN. Corso di laurea in Fisica Candidato: Biagio Rossi matr. 60/562 Relatori: Dott. A. Ereditato Dott. G. Fiorillo

2 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica2 Il progetto ICARUS Il programma di ricerca si sviluppa su due linee principali: Studio delle oscillazioni di neutrino (neutrini solari, atmosferici, da supernova, dal fascio CNGS del CERN); Ricerca del decadimento del protone. ICARUS è un osservatorio sotterraneo per la fisica astroparticellare e del neutrino. Il rivelatore è una camera a proiezione temporale (TPC) ad Argon liquido di grande massa (da 600 a 3000 tonnellate) in fase di installazione presso i laboratori del Gran Sasso. Lesperimento ICARUS ICARUS - Hall B

3 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica3 Il progetto ICARUS Oscillazioni di neutrino K 0 Pontecorvo - Maki Nakagawa - Sakata U PMNS = 3 angoli Mescolamento dei quarks Mescolamento dei neutrini Autostati di saporeAutostati di massa Matrice di mescolamento 1 fase Violazione CP La % di 1, 2 e 3 in un autostato di sapore c ij =cos ij s ij =sin ij

4 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica4 Il progetto ICARUS Probabilità di oscillazione Probabilità di oscillazione nello schema a tre neutrini Matrice di mescolamento m L E Ad esempio Ad esempio per loscillazione di e

5 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica5 Osservazioni sperimentali Deficit nel flusso dei e solari rispetto alle indicazioni del SSM ( e x ) (Homestake, Sage, GNO, SNO, Superkamiokande) Deficit nel flusso dei atmosferici in funzione dellangolo zenithale ( ) (Kamiokande e Super-Kamiokande) Evidenze delloscillazione di Stima m 2 21 m 2 31 ee best fit 2 Parametri – – m 2 21 [10 -5 eV 2 ] m 2 31 [10 -3 eV 2 ] sin 2 12 sin 2 23 Apparizione del e miglioramento della stima di e di m 2 atm mediante losservazione delloscillazione Misura dellangolo 13 mediante loscillazione e Obiettivi esperimento ICARUS

6 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica6 Il progetto ICARUS Esempio: sensibilità di ICARUS a e 13 è il collegamento fra le oscillazioni solari ed atmosferiche ICARUS dovrebbe migliorare questo limite di un fattore 5-10 Osservando leventuale apparizione di e dal fascio CNGS m 2 atm >> m 2 sol L è paragonabile alla lunghezza di oscillazione atmosferica Langolo 13 è piccolo Sperimentalmente si è constatato che:

7 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica7 La tecnica di rivelazione ICARUS Ionizzazione in Argon Liquido; Alta mobilità elettronica; Alta purezza (< 0.1 ppb O 2, idrocarburi ecc.); Ricostruzione tridimensionale: Tre piani di fili; La terza dimensione è ottenuta dal tempo di deriva (t 0 dalla scintillazione in Argon) mediante PMT.

8 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica8 Il rivelatore ICARUS T600 Distanza massima di drift: 1.5 m (3 m); Velocità di drift: ~1.1 mm/ s; Tempo di drift:~1 500V/cm. Bassissimo livello di impurezze (<0.1 ppb)

9 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica9 Lavoro sperimentale di Tesi In relazione al monitoraggio della purezza e alla calibrazione del rivelatore, la Tesi ha riguardato 1) Misura e monitoraggio della purezza dellArgon liquido con dispositivi elettronici: MONITOR DI PUREZZA 2) Metodo alternativo: ionizzazione dellArgon liquido mediante laser UV (analisi dati di un esperimento preliminare) 3) Progetto, sviluppo e messa in opera di una TPC prototipo e dei relativi dispositivi criogenici per misure di ionizzazione laser

10 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica10 1) Monitor di purezza: principi di funzionamento Lampada a Xe Amplificatore di carica Gabbia di Faraday Flitro HV Fibra di Quarzo Anelli di Campo Con 4 dischi di acciaio inossidabile che fungono da elettrodi: (foto) Catodo Griglia Catodica Griglia Anodica Anodo e alcuni anelli di acciaio inossidabile che fungono da Guide di campo Piccole camere a deriva

11 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica11 Risultati: sviluppo e costruzione di PrM Sostegni in Vespel Distanziatori di Vespel Sostegni perforati Minor numero di guide di campo Numero ridotto di saldature Griglia catodica Fotocatodo Anodo Griglia anodica Griglia catodica Fotocatodo Anodo Griglia anodica Principali differenze Costruzione di un PrM standardCostruzione di un PrM innovativo

12 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica12 Assemblaggio apparato sperimentale per la prova del PrM Pulizia strumenti (Ultrasuoni, forno a vuoto) Assemblaggio PrM e connessioni HV Assemblaggio apparato sperimentale Procedura di vuoto (10 -4 mbar) Riempimento con LAr dewar esterno Filtraggio LAr e riempimento del dewar contenente il PrM Misura elettroni estratti in GAr e in LAr Misura vita media elettroni Drift in LAr Procedura di misura

13 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica13 Risultati: misura della vita media degli elettroni di deriva V K (mV) V A (mV) T d ( s) e ( s) E 1 /E 2 /E 3 (V/cm) 339±200±0 n.m.50/100/ ±2015±2132±838±18100/200/ ±2027±297±834±10150/300/ ±2035±282±832± 8200/400/800 Misura della vita media degli elettroni di deriva in LAr con (Numero di impurezze) Errore % sulla misura della vita mediaFormula per il calcolo della vita media Relazione fra purezza e vita media Limiti dei PrM: N° di elettroni estratti, bassa sensibilità per vite medie lunghe (ms)

14 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica14 2) Misure di ionizzazione al CERN Un sistema alternativo ai PrM è stato realizzato al CERN Ionizzazione del LAr mediante fascio laser UV Buona risoluzione spaziale (mm) su derive lunghe (m) Misura della velocità di deriva caratterisitica della TPC Misura di eventuali distorsioni del campo elettrico Vantaggi Produzione allinterno del rivelatore di tracce analoghe a quelle di particelle ionizzanti PARAMETRI NOTI: Posizione Listante di ingresso nella TPC Ionizzazione prodotta Misure dei livelli energetici dellArgon liquido

15 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica15 Analisi dei dati di ionizzazione Traccia indotta da fascio laser UV Ionizzazione non costante Eventi non sempre ripetibili Traccia indotta da -rays Tracce dovute allinterferenza fra DAQ e segnale di trigger Geometria del sistema in quanto il fascio attraversa la TPC lungo la diagonale (pochi hit su fili con ID>125) Diminuzione di intensità del fascio UV dovuta alla divergenza

16 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica16 Misura parametri caratteristici delle tracce Segnale in uscita di un filo del piano di Induzione Mediante un Fit Parametri caratteristici del segnale Event ID Wire ID Pulse Height Pulse Width Area Drift Time 2 B = baseline - A = Ampiezza 1 =tempo di salita - 2 =tempo di discesa

17 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica17 Risultati analisi dati Ionizzazione non uniforme Non ripetibilità degli eventi Fattibilità della tecnica di ionizzazione laser UV Caratterizzazione preliminare eventi indotti da fascio laser UV OBIETTIVI RAGGIUNTI FENOMENI DA INTERPRETARE Necessità di un miglioramento dellapparato di misura per una caratterizzazione del fascio laser UV in ingresso e in uscita dalla TPC e per lo studio dei livelli energetici dellArgon liquido Laser Data =122 RMS=74 =8 RMS=4 =12 RMS=3 Muon Data =389 RMS=127 =22 RMS=6 =15 RMS=2

18 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica18 3) Apparato sperimentale di Napoli TPC con guide di campo più fitte (1 ogni cm) per migliorare uniformità del campo elettrico Misure di ottimizzazione e caratterizzazione del fascio laser (Energia, divergenza, profilo longitudinale) Sistema di ottiche immerso in LAr per lattraversamento del fascio laser su tutti i fili allo stesso istante Analisi delle caratteristiche del fascio laser in uscita con CCD camera Miglioramenti set-up

19 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica19 Foto della TPC con Formula per calcolo campi elettrici TPC r=raggio dei fili (75 m), p=passo fili contigui (3mm) E 1 = 500V/cm E 2 = 750V/cm E 3 = 1125V/cm Schermaggio griglie = 98% Trasparenza = 87%

20 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica20 Prove di alta tensione Misure di HV durante la prima immersione criogenica della TPC Elettrodo V app (V) I mis (mA) Ind Ind Anodo Catodo Prova di HV su piani di fili Si è applicata la tensione di lavoro della TPC, monitorando la corrente. NO SCARICHE NO Saldature imperfette VIVCC VCC VCBVCB VCAVCA VmAVmA VmBVmB VmCVmC (kV)(mA)(kV) 1,030,400,240,140,390,230,13 2,070,810,490,280,770,450,26 3,0111,220,730,421,170,690,40 4,0131,630,980,561,550,940,53 5,0172,041,220,701,951,150,67 6,0202,451,470,842,381,410,81 7,0242,861,710,982,801,660,96 Nessuna resistenza rotta V catdodo (kV) V c = a + b V catode a=-(0.0294±0.0008) kV b=0.4019± V c (kV)

21 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica21 Calibrazione misuratore livello La misura è effettuata in base alla variazione del livello di Argon liquido che lo riempie Il segnale di uscita trasportato allesterno del dewar mediante un passante da vuoto è letto con un multimentro digitale Cavi LEMO Sostegno in Peek Condensatore cilindrico Connettori segnale di uscita 60 cm

22 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica22 Caratterizzazione fascio laser 4 a Armonica Nd-YAG E max = 12 mJ = 8 mJ Misura Energia Prima Configurazione Seconda Configurazione

23 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica23 Prova del sistema di acquisizione elettronico Non ce interferenza fra i piani Risposta TPC Invio impulso di prova su 32 fili =15 kHz mV s s Impulso di prova Rumore di fondo trascurabile 2 5 mV Acquisizione segnali dai fili con la TPC immersa in Argon liquido allinterno del dewar

24 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica24 Obiettivi raggiunti con lapparato in sede Progetto e realizzazione nuovo apparato sperimentale Prove di vuoto del contenitore criogenico (p<10 -5 mbar) Ottimizzazione della procedura di immissione dellArgon liquido nel dewar e filtraggio mediante Oxysorb Prove termo-meccaniche della TPC prototipo Prove di HV della TPC Prove di HV piani di fili Misura rumore di fondo elettronico Misura risposta TPC con impulsi di prova Caratterizzazione fascio laser UV (ottimizzazione e misura energia della quarta armonica, misure di divergenza) Allineamento fascio laser UV

25 13 Ottobre 2004Tesi di laurea in Fisica25 Misure effettuate …dopo la consegna della Tesi…


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