Calibrazione con laser UV e monitoraggio della purezza dellArgon liquido nellesperimento ICARUS....

Calibrazione con laser UV e monitoraggio

della purezza dell’Argon liquido nell’esperimento ICARUS.

Università degli studi “Federico II”Facoltà di Scienze MM.FF.NN.

Corso di laurea in Fisica

Candidato:Candidato:

Biagio RossiBiagio Rossi

matr. 60/562matr. 60/562

Relatori:Relatori:

Dott. A. EreditatoDott. A. Ereditato

Dott. G. FiorilloDott. G. Fiorillo

13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica 2

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.

L’esperimento ICARUS

ICARUS - Hall B


Il progetto ICARUSOscillazioni di neutrino

K0 K0 Pontecorvo -

Maki Nakagawa - Sakata

UPMNS=

3angoli

Mescolamento dei quarks

Mescolamento dei neutrini

Autostati di sapore Autostati di massaMatrice di mescolamento

1 fase Violazione CP

La % di 1, 2 e 3 in un autostato di sapore

cij=cosij

sij=sinij


Il progetto ICARUSProbabilità di oscillazione

Probabilità di oscillazione nello schema a tre neutrini

Matrice di mescolamento

m

L

E

Ad esempio

Ad esempio per l’oscillazione di e


Osservazioni sperimentali

Deficit nel flusso dei e solari

rispetto alle indicazioni del SSM

(ex) (Homestake, Sage, GNO, SNO, Superkamiokande)

Deficit nel flusso dei

atmosferici in funzione dell’angolo zenithale

() (Kamiokande e Super-

Kamiokande)

Evidenze dell’oscillazione di

Stima Stima

m221 m2

31 e e

best fit 2 Parametri

6.9

2.3

0.30

0.52

6.1 – 8.4

1.4 – 3.0

0.25 - 0.35

0.36 - 0.66

m221 [10-5 eV2]

m231 [10-3 eV2]

sin212

sin223

Apparizione del e miglioramento

della stima di e dim2atm mediante

l’osservazione dell’oscillazione

Misura dell’angolo 13

mediante l’oscillazione e

Obiettivi esperimento ICARUS


Il progetto ICARUSEsempio: 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 l’eventualeapparizione di e

dal fascio CNGS

• m2atm

>> m2sol

• L è paragonabile alla lunghezza di oscillazione ‘atmosferica’

• L’angolo 13 è piccolo

Sperimentalmente si è constatato che:


La tecnica di rivelazione ICARUS

Ionizzazione in Argon Liquido;

Alta mobilità elettronica;

Alta purezza (< 0.1 ppb O2, idrocarburi ecc.);

Ricostruzione tridimensionale:

Tre piani di fili; La terza dimensione è

ottenuta dal tempo di deriva (t0 dalla scintillazione in Argon) mediante PMT.


Il rivelatore ICARUS T600

Distanza massima di drift: 1.5 m (3 m);

Velocità di drift: ~1.1 mm/s;

Tempo di drift:~1 ms @ 500V/cm.Bassissimo livello di impurezze (<0.1 ppb)


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

dell’Argon liquidocon dispositivi

elettronici:MONITOR DI PUREZZA

2) Metodo alternativo:ionizzazione dell’Argon

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 diionizzazione laser


1) Monitor di purezza: principi di funzionamento

Lampada a Xe

Amplificatoredi

carica

Gabbiadi

Faraday

Flitro HV

Flitro HV

Flitro HVFibra di Quarzo

Anellidi

CampoCon 4 dischi di acciaioinossidabile che

fungono da elettrodi:

(foto) CatodoGriglia CatodicaGriglia Anodica

Anodoe alcuni anelli di

acciaio inossidabileche fungono da

Guide di campo

Piccole camere a deriva


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 standard Costruzione di un PrM innovativo


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 (10-4mbar)

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


Risultati: misura della vita media degli elettroni di deriva

VK (mV) VA (mV) Td (s) e (s) E1/E2/E3 (V/cm)

339±20 0±0 0±0 n.m. 50/100/200

474±20 15±2 132±8 38±18 100/200/400

450±20 27±2 97±8 34±10 150/300/600

450±20 35±2 82±8 32± 8 200/400/800

Misura della vita media degli elettroni di deriva in LAr

)ln(R

Tde

K

A

Q

QR co

n

Se N

1 (Numero di

impurezze)

2

2

22

2

ln

1

RRTR

d

Td

Errore % sulla misura della vita media Formula 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)


2) Misure di ionizzazione al CERN

Un sistema alternativo ai PrM è stato realizzato al CERNIonizzazione 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 all’interno del rivelatore di tracce analoghe

a quelle di particelle ionizzanti

PARAMETRI NOTI:

• Posizione

• L’istante di ingresso nella TPC

• Ionizzazione prodotta

Misure dei livelli energetici dell’Argon liquido


Analisi dei dati di ionizzazione

Traccia indotta da fascio laser UV

• Ionizzazione non costante• Eventi non sempre ripetibili

Traccia indotta da

-rays

Tracce dovuteall’interferenza 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


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

2

0

1

0

)(

)(

1

)(

tt

tt

e

eABtf

B = baseline - A = Ampiezza1=tempo di salita - 2=tempo di

discesa


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 dell’apparato di misura per una

caratterizzazione del fascio laser UV in ingresso e in uscita dalla TPC e per lo studio dei livelli energetici

dell’Argon liquido

Laser Data<Area>=122

RMS=74<Height>=8

RMS=4<Width>=12

RMS=3

Muon Data<Area>=389

RMS=127<Height>=22

RMS=6<Width>=15

RMS=2


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 l’attraversamento del

fascio laser su tutti i fili

allo stesso istante

Analisi delle caratteristiche

del fascio laser in uscita

con CCD camera

Miglioramenti set-up


Foto della TPC

12 1

1EE

p

r 2con

Formula per calcolo campi elettrici TPC

r=raggio dei fili (75m), p=passo fili contigui (3mm)

E1 = 500V/cm E2 = 750V/cm

E3 = 1125V/cm

• Schermaggio griglie = 98%

• Trasparenza = 87%


Prove di alta tensioneMisure di HV durante la prima immersione criogenica della TPC

Elettrodo

Vapp(V) Imis(mA)

Ind1 +500 5.0

Ind2 +725 6.6

Anodo +838 0.1

Catodo -14500 51.0

Prova di HV su piani di fili

Si è applicata la tensionedi lavoro della TPC,

monitorando la corrente.

NO SCARICHE

NO Saldatureimperfette

V I VCC

VC

B VCA Vm

A VmB Vm

C

(kV) (mA) (kV) (kV) (kV) (kV) (kV) (kV)

1,0 3 0,40 0,24 0,14 0,39 0,23 0,13

2,0 7 0,81 0,49 0,28 0,77 0,45 0,26

3,0 11 1,22 0,73 0,42 1,17 0,69 0,40

4,0 13 1,63 0,98 0,56 1,55 0,94 0,53

5,0 17 2,04 1,22 0,70 1,95 1,15 0,67

6,0 20 2,45 1,47 0,84 2,38 1,41 0,81

7,0 24 2,86 1,71 0,98 2,80 1,66 0,96

Nessuna resistenza rotta

Vcatdodo (kV)

Vc = a + b Vcatode

a=-(0.0294±0.0008) kV b=0.4019±0.0002

Vc (kV)


Calibrazione misuratore livello

La misura è effettuata in base alla variazione del livello di Argon liquido che lo riempie

Il segnale di uscita trasportato all’esterno del dewar mediante un passante da vuoto è letto con un

multimentro digitale

Cavi LEMO

Sostegno in Peek

Condensatore

cilindrico

Connettori segnaledi uscita

60 cm


Caratterizzazione fascio laser

4a Armonica Nd-YAG

Emax = 12 mJ

<E> = 8 mJ

Misura EnergiaPrima Configurazione Seconda Configurazione


Prova del sistema di acquisizione elettronico

Non c’e interferenza fra i piani

Risposta TPCInvio impulso di prova su 32 fili

=15 kHz

mV

s

s

Impulso di prova

Rumore di fondo trascurabile

25 mV

Acquisizione segnali dai fili con la TPC

immersa in Argon liquido all’interno del dewar


Obiettivi raggiunti con l’apparato in sede

Progetto e realizzazione nuovo apparato sperimentale Prove di vuoto del contenitore criogenico (p<10-5 mbar) Ottimizzazione della procedura di immissione dell’Argon

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


Misure effettuate …dopo la consegna della Tesi…

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