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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 dellapparato Borexino e del prototipo in piccola scala (CTF) Analisi dati CTF3: Determinazione della scala energetica Radon, 226 Ra ( 238 U), 85 Kr Analisi energetica Analisi radiale Purificazione dellazoto da 39 Ar e 85 Kr Misure di purezza di campioni di azoto Misure sullefficienze di purificazione di carboni attivi Misura di 11 C prodotto da muoni cosmici

3 Borexino è un esperimento progettato per la misura diretta del 7 Be mediante la reazione: + e + e Rivelazione attraverso spalla Compton a 667 keV Paradosso 7 Be/ 8 B Cosa possiamo imparare da una misura diretta del 7 Be 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?

4 LEsperimento 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 dacciaio (h e d base = 18 m )

5 Richieste di radiopurezza

6 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

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

8 Fasi di purificazione e test in CTF-3 Test del 14 C Water ExtractionColumn (Silica Gel)Shroud Adj. PMT Off

9 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:

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 14 C N(W e )dW e = p e W e (W 0 -W e ) 2 F(Z,W e )C(W e )dW e p e, We = momento ed energia dell e emesso W 0 = 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:

12 Scala energetica: light yield attraverso il 14 C 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: 222 Rn Po Pb Bi Po 210 Pb Po Bi 85 Kr 40 K 39 Ar

15 Determinazione del rate di 238 U dal 222 Rn Per determinare il rate dell 238 U coincidenze 214 Bi- 214 Po (~ 200 s): 222 Rn in equilibrio secolare con la catena dell 238 U decade con la vita media del 238 U ( y) si osserva un plateau Complicazione: 222 Rn introdotto nello scintillatore (in seguito a manipolazioni) decade con la vita media del 222 Rn (5.48 d)

16 Radon dalla coincidenza 214 Bi- 214 Po A oggi, 1.1 c/d. Assumendo lequilibrio secolare 238 U = (2.6 ± 0.2)x g/g

17 Identificazione del 85 Kr attraverso le coincidenze ritardate Decadimento del 85 Kr: β % BR 85 Rb (E max = KeV) EC % BR 85m Rb (E max = KeV) Il 85m Rb decade nello stato fondamentale con vita media 1.46 µs emettendo γ a 514 keV DC: sequenza di decadimenti del 85 Kr (via EC) e del 85m Rb nella finestra temporale Svantaggi: il BR del decadimento via EC e molto piccolo (si richiede alta statistica) Analisi energetica: spettro β del decadimento del 85 Kr (via β - ) Svantaggi: lo spettro del 85 Kr si confonde con lo spettro del 39 Ar

18 Data SetDays 85 Kr- 85m Rb (num of events r<2m) 85 Kr activity (c/d/m IV ) 85 Kr- 85m Rb (num of events r<0.8m) 85 Kr activity (c/d/m iv ) 1: ± 4409 ± 8210 ± 3358 ± 108 2: ± 4443 ± 847 ± 3287 ± 123 3: ± 6510 ± 8119 ± 4498 ± 105 4: ± 3118 ± 500< 91 (90%) 5: ± 2106 ± 710<191 (90%) 6: ± 292 ± 710<99 (90%) 7: ±6145 ± 282 ± 118 ±9 8: ± 598 ± 227 ± 361 ±26 9: ± 696 ± 169 ± 347 ±16

19

20 Analisi Radiale: formalizzazione t f = tempo di volo del fotone c = velocità della luce n = indice di rifrazione Contributo interno: Convoluzione di r 2 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

21 Problema con la sottrazione del radon

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

23 Fit dello spettro energetico

24 I Batch 14 C TestI SG I WEBLII WE II SG 8 Months16 Months

25 Equilibrio BiPo-210 raggiunto Sistematica dovuta allincertezza sul raggiodel vessel: 5 cm dincertezza 16% di sitematica

26 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 dellanalisi: –valutazione dei contributi –stabilità del rivelatore I metodi di analisi utilizzati verranno direttamente impiegati in Borexino Riassumendo:

27 Purificazione dellazoto da 39 Ar e 85 Kr 39 Ar: T 1/2 = 269 y; - (end-point 565 keV); 1.4 Bq/m 3 Ar 85 Kr: T 1/2 = 10.8 y;, - (end-point 687 keV); 1 MBq/m 3 Kr Requisiti per Borexino: ~100 nBq/m 3 (1 ev/day nel volume fiduciale) per 39 Ar e 85 Kr Solubilità: Ar: N 2 /PC = 4.4 (SDS) (N 2 /H 2 O = 37) Kr: N 2 /PC = 1.4 (H. Simgen) (N 2 /H 2 O = 21) => requisiti in N 2 : 0.4 Bq 39 Ar/m 3 N ppm Ar in N Bq 85 Kr/m 3 N ppt Kr in N 2 Obiettivi: individuare N 2 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 N Sample purification Limite del rivelatore (per 1 cm 3 di N 2 ): 1 ppb per Ar e 0.1 ppt for Kr

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

30 Purificazione dellazoto da Kr e Ar per adsorbimento con carboni attivi gas liquid 600-L dewar with Kr-enriched ( ppt) liquid nitrogen (Westfalen AG) Mass spectr. N Sample purification LN 2, LAr Cryocool 100/300-cm 3 column filled with adsorber bubbler V Ret H ( ) VPVP C0C0 CNCN

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

32 Purificazione da 85 Kr con diversi assorbitori Zeoliti non adatti alladsorbimento del 85 Kr LN 2 Temperature LAr Temperature 12 kg di Carbosieve III purificano 2000 m 3 di azoto corrispondente al fabbisogno di Borexino per 4 giorni

33 LN 2 temperature LAr temperature

34 Risultati: concentrazione Ar/Kr per diversi campioni di azoto DescriptionAr [ppm]Kr [ppt] HD RPN 2 (4.0) GS RPN 2 (4.0)1040 GS HPN Linde Worms (7.0)0.057 SOL Mantova (6.0) Westfalen AG Hörstel (6.0+ Kr) Westfalen AG Hörstel (6.0) Goal

35 The 11 C 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 : 0.9 c/d CNO- n : 0.6 c/d Internal background in [0.8 – 1.4] MeV: g/g U, Th In situ production muon-induced 11 C: 7.5 c/d in the range [0.8 – 1.4] MeV required reduction factor > 10 Goal: tagging and removing 11 C event by event!!!

36 m -induced 11 C: the net reaction t ~ 30 min!!! E [1.02 – 1.98] MeV t ~ 200 s E g = 2.2 MeV = stat syst. LNGS (3600 mwe) m n g 11 C ( b + )

37 Isotopesc/d ( * ) in the full energy range in CTF 11 C Be( ) x Be< C( ) x Li( ) x He( ) x B8B( ) x C9C( ) x Li + 8 He( ) x (*) T. Hagner et al., Astr. Part. Phys. 14 (2000) Muon-induced contaminants in CTF Scaling to CTF, 11 C represents 80% of all the muon-induced contaminants and more than 99% in the NW-2 CERN (*) : cross sections measured with -beams of 100 and 190 GeV on 12 C target

38 Strategy in CTF 1.Tagging cosmic muons with the muon veto:, crossing the scintillator, fires the detector cut on the number of photoelectrons detected by the muon-veto ( e ~ 1) 2.Tagging 2.2MeV from the neutron capture: for each tagged, 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 11 C 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 m n g 11 C ( b + )

39 rate ~ 1.7 c/d in 3.7 tons Events/320 days/2.7 tons/45 keV Energy(MeV) Neutron capture n + p d MeV capture time ~ 200 s g 2.2MeV peak t = s CoincidenceTime (10 2 ns) Events/320 days/3.7 tons/80 s Capture time m n g 11 C ( b + )

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

41 Fixing t = 29.4 min r = 0.7 m (m r = 1.4 ton) T = 320 days Energy window [1.1 – 1.65] MeV: e en = 0.82 Result: 11 C rate in CTF Note: less than 1 event every 5 days m n g 11 C ( b + )

42 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

43 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)! Coincidence Time (100 m s) Number of events m n g 11 C ( b + ) Angular Distribution (cos q ) Energy Distribution (GeV)

44 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) % m n g 11 C ( b + )

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

46 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 11 C background: 11 C is removed blinding the intersection of the two volumes for C-lifetime Main challenge: keeping low the total dead volume x time Spherical cut around neutron capture Cylindrical cut around m -track Neutron production Reconstructed g 2.2 MeV m -track Scintillator

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

48 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

49 Conclusions and perspectives Good agreement 11 C rate measured/expected in CTF 11 C is tagged event by event Loss of volume-time detector fraction is minimized in Borexino Improvements: cylindrical cut, neutron distribution from 12 C, etc. => Borexino has the potential to probe pep and CNO ns

50 Profilo della purificazione C0C0 CNCN VPVP V Ret H ( ) Using standard purity of LN 2 from Linde/Mantova/Westfalen we need: - Kr reduction factor 50 - Continous purification for 1 week with 20 m 3 /h We assume: - Purification at LN 2 temp. (77 K) - 2 kg of adsorber N 10 H T 77 [mol K/(kg Pa)] C N = ½ C 0

51 Results: H and N for different adsorbers DescriptionN H T [mol K/Pa/kg] Goal MS 5Å, Si/Al 1 no purification observed MS 10Å, Si/Al 1 1 > Zeolite, BEA-type, 5.3Å, Si/Al Zeolite, MFI-Type, 6.6Å, Si/Al Activated Charcoal, CarboAct12.3 Activated Charcoal, Merck12.3 Activated Charcoal, type C38/231.5 Carbon Cloth102.3 Carbon Molecular Sieve SIII110.8 Skeleton nanostructured carbon (7 Å) Adsorption from liquid at –196 o C Adsorption from gas Carbon Molecular Sieve SIII (-145 o C)87.7 Carbon Molecular Sieve SIII – predict. for -190 o C 8 130

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

53 Andamento temporale dei contributi α di bassa energia nellultimo periodo di presa dati Error bar: componente α risultante dal fit nella regione energetica del 210 Po 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 dintegrazione totale: 500 ns ns

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


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