Nuova proposta CTF-RD Commissione II Roma 28 Settembre 2010 Gioacchino Ranucci La proposta si inserisce nell’alveo di Borexino. In prospettiva, duplice scopo: * revisionare e potenziare la infrastruttura denominata CTF (Counting Test Facility); * riutilizzare anche per altri scopi il CTF stesso. Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

IL CTF nel contesto logistico di Borexino Il Rivelatore Borexino CTF Vista dalla sommità L’intero sistema Borexino si sviluppa lungo ca. 55 metri di Sala C Il CTF, in realtà si connota a tutti gli effetti come un rivelatore ultra-sensibile a sé stante Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

IL CTF a inizio degli anni ‘90 Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Attuale schema interno concettuale Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

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Realizzazione Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Rivelatore riempito (acqua più scintillatore) – situazione attuale Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Risultati e attività più importanti del CTF -prima misura in uno scintillatore liquido dei livelli di radiopurezza in 238 U, 232 Th e 14 C; all’epoca un autentico “breakthrough” nel settore del bassissimo fondo radioattivo; -Identificazione delle specifiche problematiche di background rappresentate dal 85 Kr e dal 210 Po; -determinazione tecniche di rimozione: water extraction, nitrogen stripping, discriminazione alfa-beta; -controllo su larghe quantità scala della qualità ottica e di radiopurezza dello scintillatore da usare in Borexino; - “certificazione di qualità” della della funzionalità e della completa rispondenza alle specifiche degli impianti di riempimento (filling station) e purificazione (distillatore e sistema di water extraction). Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Risultati sulla radiopurezza : “Ultra-low background measurements in a large volume underground detector”, Astroparticle Physics 8, 141 (1998); “Measurement of the C-14 aboundance in a low-background liquid scintillator”, Physics Letters B 422, 349 (1998); “A large-scale low background liquid scintillator detector: the counting test facility at Gran Sasso”, Nuclear Instruments and Methods A406, 411 (1998). Non solo risultati tecnici o di radiopurezza ma anche risultati di fisica di valenza intrinseca Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

possibilità e necessità di potenziare il CTF per consolidarne il ruolo di rivelatore ultrasensibile, con una sorta di intervento straordinario che ne rafforzi le caratteristiche tecniche ed al contempo elimini gli elementi di obsolescenza tecnologica, una volta “upgraded”, il CTF sarà uno strumento ideale per attività di test: attività connesse alla ricerca della materia oscura e/o al decadimento doppia beta senza neutrini - (oltre agli eventuali test di purificazione necessari per Borexino) Remarks *Il CTF ha prodotto risultati ed esiti sperimentali (duplici) notevoli: **importantissima infrastruttura operativa di Borexino; **apparato valido anche in maniera “indipendente”: grazie al bassissimo fondo, è uno strumento ideale per indagini collegate allo studio di eventi rari. Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

E’ su questa prospettiva generale che si fonda la presente proposta di apertura di un’attività sperimentale di ricerca e sviluppo per il CTF (sigla CTF-RD), articolata dal punto di vista tecnico principalmente su due cardini: *Potenziamento del veto per i muoni *Realizzazione di una zona centrale dell’apparato sperimentale ultrapura, destinata ad accogliere i dispositivi necessari ai test da effettuare Obiettivi Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Elementi Tecnologici innovativi *Potenziamento sistema in acqua: **Muon veto migliorato (più fototubi); **tyvek; **utilizzo e migliorie hardware esistente. Realizzazione della zona centrale sede dei test futuri: **serbatoio di contenimento dello scintillatore (Borexino-style); **scintillatore “caricato” (dopato) per la neutron capture ( 10 B, 6 Li), per applicazioni ove sia necessario, possibile adozione di pseudocumeme o di solventi alternativi (LAB, DIN) **utilizzo di fototubi ad alta efficienza quantica e bassissimo fondo radioattivo. Verifica compatibilità meccaniche ed impiantistiche tra apparati esistenti e nuove progettazioni/installazioni **realizzazione di un apparato di “deployment” - in condizioni estremamente pulite - dei sistemi di test all’interno del serbatoio centrale. Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Compatibilità con BOREXINO In sinergia con Borexino, si utilizzerà per elettronica e DAQ la soluzione di cui è proposta l’adozione in CTF in vista appunto dell’impiego in Borexino (moderni digitalizzatori ad alta frequenza di campionamento e larga banda in luogo degli obsoleti ADC e TDC CAMAC attualmente in uso) Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Situazione attuale Evoluzione futura Tempistica legata all’uso nella configurazione attuale del CTF per Borexino Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano 10 m 4 m

Tanica preesistente Fototubi per il muon veto – alcuni anche sulle pareti laterali – Tyvek? – hardware attuale riutilizzato Zona centrale ultrapura A-Serbatoio B-Nuovi PMT a bassa radioattività ed alta efficienza quantica C- Scintillatore, solventi tradizionali o innovativi, se necessario caricato con Boro o Litio per i neutroni Per manipolazioni di acqua e scintillatore riutilizzo impiantistica di Borexino Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Montaggio dei fototubi alla Borexino senza concentratore Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Nel seguito alcune indicazioni sulle caratteristiche salienti della proposta a partire da R&D già maturati nell’ambito di Borexino Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Photomultipliers The laboratory setup is composed of a dark box with mu-metal shield, a pico-second laser (405 nm), a stabilized high voltage power supply, a National Instrument digitalizer PCI board (1Ghz with 8 bit), NIM electronics and a Labview based acquisition program Milano

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Photomultipliers: already tested Hamamatsu R7081 selLinear focusing dynods 10 stages 10” super bialkaly Dark noise ~ 5 kHz 34% quantum efficiency Gain ~ 10 7

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Hamamatsu R7081sel : laser s.e.r. P/V = 4.1

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Hamamatsu R7081sel : laser multi p.e

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Hamamatsu R7081sel : transient jitter FWHM = 2.67 Gaussian fit

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Hamamatsu R7081sel : after pulses AFTERPULSES = 16%

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Photomultipliers: 5” option Hamamatsu R6594 ASSY Linear focusing dynods 10 stages 5” super bialkaly Transit time jitter < 1 ns ~ 34% quantum efficiencyGain ~ 5*10 6

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Photomultipliers: 8” options Hamamatsu R5912 HQE Box + Linear focusing dynods 10 stages 8” super bialkaly Transit time jitter < 2 ns ~ 34% quantum efficiencyGain ~ 10 7

QUPID (Quartz Photon Intensifying Detector) Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano APD (0 V) Quartz Photo Cathode (-6kV) LNGS

Comparison UnitR8520R8778QUPIDQUPID/R8778 Size 1 inch2 inch3 inch Shape SquareRound Dimension Outer Size mm25.7 mm square57 mm diameter70 mm diameter Photo Cathode mm21.8 mm square45 mm diameter65 mm diameter Total Area cm Photocathode Area cm Filling factor %72.0%62.3%86.2%1.38 Price $$1,100$2,700$2, Price per potocathode area $/cm 2 $231$170$ Performance QE at 175 nm (Typical) %21%25%30%1.20 QE at 175 nm (Best) %25%35%38%1.09 Peak to Vally Ratio ENF DQE = QE/ENF (Typical) %16%23%30%1.32 Radioactivity Total (Typical) mBq Total (Best) mBq Per area (Typical) mBq/cm Per area (Best) mBq/cm Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Expected Performance of QUPID Large diameter:3 inch Existing largest PMT with low radioactivity is 2 inch (R8778) Extremely low radioactivity:1mBq (now)  0.1mBq (future) To be compared with R8778 (2 inch)50 mBq R8520 (1 inch) 10 mBq True photon counting 1,2… 5 photo-electron peaks are clearly visible. Collection efficiency is ~100% Excess Noise Factor (ENF) = 1.0 Fast Timing:< 500 psec 500 psec Transit Time spread expected Simple HV supply HV supply can be common for all photo cathodes No Tube to tube variation of gains Resister chain not necessary Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

LNGS Characterization of QUPIDs Signal: SER, timing, photo-electron counting capability Electronic Noise: dark-noise, RF coupling, cavity oscillation Linearity: up to >100pe Study of a possible embedded PCB To split HV Bias close to QUPID To have a low-pass filter on bias close to the device (and quenching too) To have a low impedance line for signal Requires a very low radioactivity design (Teflon PCB + metal foil resistors) Study of QUPID readout: QUPID gain ~2 10⁵ with rise time < 1ns Pre-amplification needed High bandwidth > 500MHz High gain 50 or 100 Large dynamics: 20dB Activity in collaboration with UCLA Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Current setup Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Current APD chamber 241 Am source run 55 Fe spectrum: mean 200 pV/s rms 20 pV/s 40 pV/s Single shot: 5ns:20mV per div Duration ~ 3ns

Esempio di uso dei Flash ADC: campionamento della forma d’onda di un PMT ad 1 ns di sampling rate e con 500 MHz di Banda analogica Sezione coinvolta nell’ambito di Borexino: Genova In prospettiva potenzialmente utilizzabile per l’intera elettronica di Borexino Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

R&D per elettronica di Borexino L’elettronica di Borexino è stata sviluppata negli anni e costruita nel 1998 (Laben Nucleare, non più esistente) – Schede custom con funzioni ADC + TDC – Trigger hardware custom realizzato a Genova – Front end custom realizzato a Genova Lo stato generale è ancora ok, ma: – Il rate di guasti è in leggero aumento. Nel 2010 abbiamo perso dati per circa 2 settimane in due periodi diversi a causa di guasti – L’elettronica Laben la ripariamo in casa (G. Korga). Molti componenti sono obsoleti e li abbiamo recuperati con fatica. Abbiamo un scorta, ma non di tutti. Per alleviare il problema, abbiamo sfruttato il fatto di avere dei PMTs morti. Ricablando abbiamo eliminato un rack intero e recuperato le schede spares. – Elettronica di front end OK. Ripariamo in casa con i nostri tecnici e i componenti si trovano – Scalers Fabbricati dai Russi. Siamo senza spares ma stiamo affrontando il problema. – Elettronica Muoni OK ma molto obsoleta. TDC Caen non più disponibile da anni. Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Possibili upgrade Da un paio d’anni stiamo facendo tests di FADC veloci per sostituire l’elettronica Laben Vari vantaggi dal punto di vista scientifico – Zero dead time – Range dinamico esteso significativamente – Migioramento importante della rivelazione di neutroni cosmogenici, fondamentale per il tagging del C11 (neutrini CNO e pep) – Migliore tracciamento di muoni Contatti informali con 3 possibili fornitori e 2 di essi testati sul campo Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Proposta Opzioni – Schede FADC commerciali, 1-2 GHz, 8-10 bit CAEN (e.g. V1731) National Instruments (e.g. NI-PXI 5154) Agilent Technologies Tutte interessanti (Agilent in particolare, anche se non ancora disponibile sul mercato) Proposta: realizzare un upgrade completo dell’elettronica di CTF ( canali, ancora in discussione) sia per la rivelazione del Cerenkov in acqua sia per la rivelazione della luce di scintillazione – Test completo e significativo del concetto – Sviluppo del DAQ e del Trigger pensando a Borexino – Decisione in merito all’upgrade anche di Borexino dopo i test in CTF Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Sintesi e caratterizzazione scintillatori Attività articolata tra: LNGS Milano Perugia Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

- 10 B - Others ( 6 Li) ? Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

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Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Scintillators time response Single photoelectron technique with beta excitation (Cs-137) two PMTs (L.L. and H.L facing a scintillator quartz vial) nitrogen stripping to avoid oxygen quenching 1.5 μs window 4 exponential fit and convolution with the system intrinsic response ROOFit package Scintillators measured: PC-PPO 1.5 g/l (Pseudocumene) from Borexino Inner Vessel LAB-PPO 1.5 / 2.0 / 3.0 / 6.0 g/l (Linear Alkyl Benzene) DIN-PPO 1.5 / 2.0 / 3.0 / 6.0 g/l (Diisopropyl naphthalene) Milano and Perugia

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Scintillators time response L.L. Tube: side window Low dark noise (< 0.1 Hz) H.L. Tube N 2 purging Quartz vial

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Scintillators time response ns PC DIN LAB PPO 1.5 g/l

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Scintillators emission spectra Perugia

Esempi di Test possibili nel CTF potenziato Oltre alle prove di radiopurezza specifiche per Borexino (prioritarie) -Prove con materiali per possibili applicazioni doppio beta -Xenon (la Collaborazione Borexino è molto interessata, vedi “yellow book” del 1991) -Nel passato proposte con cristalli di Cd o con Nd disciolto che potrebbero essere riprese -Caratterizzazione dell’Argon depleto (in 39 Ar) che il gruppo di Princeton ha proposto nell’ambito delle ricerche di materia oscura. Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

New Technologies to be tested in DarkSide Depleted Argon from underground sources – 60 kg already collected – cryogenic distillation for final purification column under commissioning 2. QUPID photosensors – no background detected in best Ge detector – new photocathode with high QE at liquid argon temperature 3. Would benefit of the possibility to use in the upgraded CTF the borated liquid scintillator acting as high efficiency neutron veto – technology for borated scintillator studied during Borexino R&D ( ) – >99.8% rejection efficiency for radiogenic neutrons Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Cameretta criogenica inserita nella zona di test In questo caso scintillatore caricato con 10 B per efficiente cattura dei neutroni Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Struttura internoesteroconsumotrasporti manute nzione inventar io licenze- SW apparatiTOTALI LNGS MI PG Totali PREVENTIVO GLOBALE DI SPESA PER L'ANNO 2011 In K€ Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

- Consumi ed inventario: minime spese per attività R&D svolte in sinergia nei set-up pre-esistenti realizzati per Borexino - Apparati Milano 2011: costo di circa 1/3 dei fototubi e connettori per il serbatoio centrale, il restante auspicabilmente con contributi esterni dei gruppi interessati a sfruttare la facility per test dedicati -Apparati Gran Sasso 2011: TMB per il caricamento dello scintillatore e impianto di mescolamento (Pseudocumene esistente riutilizzabile) -Nel 2012 : Serbatoio, supporto e riaggiustamento generale tanica 140 keuro (in aggiunta a contributi esterni dei gruppi interessati a sfruttare la facility per test dedicati) -Nel 2012: muon veto 15 Keuro (larghissimo riutilizzo di hardware esistente) -Nel 2012 : sigillatura fototubi e relativo materiale 25 keuro Costi più significativi Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Proponenti LNGS: Aldo Ianni, Alessandro Razeto, Roberto Tartaglia Milano: Gianpaolo Bellini, Paolo Lombardi, Emanuela Meroni, Gioacchino Ranucci Perugia: Fausto Ortica, Aldo Romani Interesse scientifico del gruppo di Napoli coinvolto in attività di materia oscura Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano

Comm. II, 28 Settembre 2010Gioacchino Ranucci - I.N.F.N. Sez. di Milano Descrizione Data completamento Test e scelta PMT per veto per neutroni Svuotamento CTF Acquisto PMT Caratterizzazione TMB per scintillatore Acquisto TMB e impianto di mescolamento Misure di laboratorio per APD Milestones