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

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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 Borexino è un esperimento progettato per la misura diretta del 7Be mediante la reazione:
+ e  n + e Rivelazione attraverso spalla Compton a 667 keV Cosa possiamo imparare da una misura diretta del 7Be n-e con una precisione del 10%? Bahcall – Pena-Garay hep-ph/ : Testare modelli solari Vincolo sul flusso totale Diversi regimi di oscillazione sotto 1 MeV? Paradosso 7Be/8B

4 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 )

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

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 Scala energetica: light yield attraverso il 14C
N(We)dWe= peWe(W0-We)2F(Z,We)C(We)dWe pe , We = momento ed energia dell’ e emesso W = endpoint C(We) = fattore di forma F(Z,We) = funzione di Fermi Forma teorica: Risoluzione del rivelatore: N e g dipendono dal numero di p.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 ( 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 % BR Rb (Emax = KeV) EC % BR 85mRb (Emax = 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

18 Data Set Days 85Kr-85mRb (num of events r<2m) 85Kr activity (c/d/mIV) 85Kr-85mRb (num of events r<0.8m) (c/d/miv) 1: 24.1 20 ± 4 409 ± 82 10 ± 3 358 ± 108 2: 21.1 19 ± 4 443 ± 84 7 ± 3 287 ± 123 3: 33.0 38 ± 6 510 ± 81 498 ± 105 4: 26.3 118 ± 50 < 91 (90%) 5: 12.5 3 ± 2 106 ± 71 <191 (90%) 6: 5 ± 2 92 ± 71 <99 (90%) 7: 94.6 31 ±6 145 ± 28 2 ± 1 18 ±9 8: 99.1 22 ± 5 98 ± 22 61 ±26 9: 165.8 36 ± 6 96 ± 16 9 ± 3 47 ±16

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20 Analisi Radiale: formalizzazione
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 Risoluzione Contributo esterno: Trascurato tf = tempo di volo del fotone c = velocità della luce n = indice di rifrazione

21 Problema con la sottrazione del radon

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

23 Fit dello spettro energetico

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

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

26 Studio sulla scala energetica e sul quenching (work in progress)
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

27 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 = (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

28 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 Sample purification Limite del rivelatore (per 1 cm3 di N2): 1 ppb per Ar e 0.1 ppt for Kr

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

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

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

32 Purificazione da 85Kr con diversi assorbitori
Zeoliti non adatti all’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

33 LN2 temperature LAr temperature

34 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 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) 0.008 0.004 0.002 0.0005 170 250 430 5 0.06 Goal 0.31 0.14

35 The 11C problem in the CNO-pep NW
Expected n-rate in Borexino in 100 ton (BP LUNA + LMA) in the energy range [0.8 – 1.4] MeV: pep-n: c/d CNO-n: c/d Internal background in [0.8 – 1.4] MeV: 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!!!

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

37 Muon-induced contaminants in CTF
Isotopes c/d(*) in the full energy range in CTF 11C 0.54  0.06 7Be (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 CERN(*): cross sections measured with -beams of 100 and 190 GeV on 12C target Scaling to CTF, 11C represents 80% of all the muon-induced contaminants and more than 99% in the NW-2 (*) T. Hagner et al., Astr. Part. Phys. 14 (2000) 33-47

38 Strategy in CTF Tagging cosmic muons with the muon veto:
11C (b+) 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 2.2MeV a temporal gate of 300 min (10 x  ) in the [1.10 – 1.65] MeV energy window (energy = ) Radial cut: r has been evaluated via Monte Carlo

39 Neutron capture n + p d + 2.2 MeV g2.2MeV peak Capture time
11C (b+) 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)

40 Detection of in situ produced 11C rate
m n g 11C (b+) 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 Coincidence Time (min) (others analyses provide a lower uncertainty on t)

41 Result: 11C rate in CTF Fixing t = 29.4 min r = 0.7 m (mr = 1.4 ton)
11C (b+) Result: 11C rate in CTF Fixing t = 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

42 Efficiencies: Monte Carlo Simulation
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

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

44 Results from the MC (2) Only internal events % m n g 11C (b+)
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) % Distance from neutron production position to (normalized spectra): neutron capture 2.2MeV center of mass Distance (m)

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

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

47 Summarizing Assuming: n-signal (pep+CNO) rate: 1.5 c/d
trace contaminants rate 0.6 c/d (238U and 232Th ~ 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 Distance (m)

48 Dead Volume-Time Fraction Signal/Background Ratio
Preliminary results Dead Volume-Time Fraction Signal/Background Ratio 5% 1 20% 1.2 50% 1.5 Signal-to-backround ratio ~ 1 implies a loss of volume-time detector fraction ~ 5%

49 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

50 “Profilo” della purificazione
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)]

51 Adsorption from liquid
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 3.1  10-1 Zeolite, MFI-Type, 6.6Å, Si/Al  75 2.3  10-1 Activated Charcoal, CarboAct 2.3 Activated Charcoal, Merck Activated Charcoal, type C38/2 3 1.5 Carbon Cloth 10 Carbon Molecular Sieve SIII 10.8 Skeleton nanostructured carbon (7 Å) 2 11.6 Adsorption from liquid at –196 oC Adsorption from gas Carbon Molecular Sieve SIII (-145 oC) 8 7.7 Carbon Molecular Sieve SIII – predict. for -190 oC  8  130

52 CTF-3 Rn in acqua ~ 5 mBq/m3 Shroud Vessel

53 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

54 Discriminazione α/β: rapporto “coda su totale”
Tempo d’integrazione totale: 500 ns b a a b ns

55 Spettri energetici Taglio di volume fiduciale (< 0.6 m)
Gruppo 1 Gruppo 2 p.e. Taglio di volume fiduciale (< 0.6 m) Statistica ~ 1 d Gruppo 1 + Gruppo 2 p.e.