Rivelazione di luce di scintillazione dell’argon liquido

19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 1

Rivelazione di luce di scintillazione dell’argon

liquido

Francesca D’Alfonso

Tesi di laurea in Fisica Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica

Università degli Studi di Pavia

19 Dicembre 2003


L’esperimento ICARUS

Obbiettivi:rivelazione di eventuali canali di decadimento del protonestudio delle oscillazioni di neutrinoRivelatore:Camera a proiezione temporale (TPC) ad argon liquido (LAr)Dimensioni:3.6 x 3.9 x 19.9 m³


La luce di scintillazione del LAr

All’interno dell’esperimento ICARUS la luce di scintillazione del LAr viene utilizzata:

per stabilire con precisione l’istante in cui un evento è avvenuto nel rivelatore (t0);come “trigger” per eventi contenuti nelle TPC.

Caratteristiche:

Temperatura di evaporazione dell’argon: 87 K;Lunghezza d’onda di picco della luce di scintillazione: 128 nm;Quantità di luce emessa: 1 fotone per 25 eV di energia rilasciata nel mezzo.


Rivelazione della luce di scintillazione del LAr in ICARUS

Bassa produzione di luce di scintillazione

Fotorivelatori con elevato guadagno

Grandi dimensioni del rivelatore

Fotorivelatori con ampia superficie sensibile(per ridurre il numero di canali di rivelazione necessari)

FOTOMOLTIPLICATORI(PMT)


Caratteristiche dei PMTIl funzionamento dei fotomoltiplicatori è garantito:

Nell’ intervallo di lunghezze d’onda stabilito dalle curve di sensibilità spettrale (parametro che dipende dal materiale che costituisce la finestra d’entrata) Nell’ intervallo di temperature compreso tra -40°C e +60 °C

Necessità di misurare le prestazioni: alla lunghezza d’onda di 128nm alla temperatura di 87K


I “Wavelength shifter” (WLS)

Particolari sostanze con spettro di assorbimento nel lontano ultravioletto e di emissione nel visibile. Quelli adatti agli scopi di ICARUS sono:

il Sodium Salicylate il P-Terphenil il Tretraphenil-Butadiene (TPB)

Lunghezza d’onda (nm)248 124 82 62

200

1510 205

100

Energia (eV)

Efficienzadi

conversione(u.a.)

Sodium Salicylate

TPh

TPB

No perché deperibile nel tempo

No perché emissione a 350nmSi per picco di riemissione ed efficienza di conversione


Progetto del sistema calibrato che lavora nel VUV


Efficienza quantica globale a 128nm con la deposizione di TPB

0

2

4

6

8

10

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Q.E. (%)

Deposizione (ml)

PMT ETLBialcalinoVetro liscio

PMT ETLBialcalinoVetro sabbiato

Deposizione tramite aerografo con una soluzione di 5g di TPB per litro di toluene


Efficienza quantica globale in funzione dell’angolo di incidenza

della luce

86

88

90

92

94

96

98

100

- 60 - 40 - 20 0 20 40 60

Q.E. (u.a.)

Angolo (gradi)

PMT ETLBialcalinoVetro liscio

PMT ETLBialcalinoVetro sabbiato


Misure di uniformità per PMT da 200 mm di diametro

5

6

7

8

9

10

11

- 80 - 60 - 40 - 20 0 20 40 60 80

Q.E. (%) +45°

Angolo (gradi)

3

4

5

6

7

8

9

10

11

- 40 - 30 - 20 - 10 0 10 20 30 40

Q.E. (%) 90°

Angolo (gradi)

4

5

6

7

8

9

10

11

- 60 - 40 - 20 0 20 40 60

Q.E. (%) - 45°

Angolo (gradi)

4

5

6

7

8

9

10

11

- 80 - 60 - 40 - 20 0 20 40 60 80

QE (%) 0°

Angolo (gradi)

Risultati:1. Il picco di Q.E. è in corrispondenza del vertice della finestra2. Il valore di picco è di circa 11%3. Non uniformità

PMT ELT9357 FLAcon finestraEmisfericasabbiata


Effetti della temperatura sulle caratteristiche dei PMT

Effetti della temperatura criogenica sul fotocatodo:

Aumento della resistività catodica con conseguente impossibilità di ripristino delle cariche e quindi tempo morto (effetto non trascurabile per i fotocatodi bialcalini) Modifica dell’efficienza quantica al variare della lunghezza d’onda

Effetti della temperatura criogenica sulla catena dinodica:

Variazione del guadagno e dei conteggi di buio


PMT utilizzati per le misure

Gli effetti della temperatura sui fotocatodi sono stato misurati su tre diversi PMT:

un bialcalino fornito dalla ditta Hamamatsu con una griglia di alluminio e un deposito di materiale conduttore dietro la finestra di raccolta un bialcalino fornito dalla ditta ETL con un deposito di platino dietro la finestra di raccolta un multialcalino fornito dalla ditta ETL


PMT bialcalino Hamamatsu

Griglia di alluminio a raggiera


Progetto del sistema di misura che lavora a temperatura

dell’azoto liquido


Misure di resistività

0.01

0.1

1

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 104

105

Q.E. (%)

Frequenza (Hz)

0.01

0.1

1

1 10 100 1000 104

105

Q.E. (%)

Frequenza (Hz)

PMT ETLBialcalino

PMT BialcalinoHamamatsu

PMT ETLMultialcalino


Multialcalini e bialcalini

0

50

100

150

200

400 450 500 550 600 650 700 750 800

Q.E. (u.a.)

Lunghezza d'onda (nm)

PMT ETLBialcalino

PMT ETLMultialcalino


Efficienza quantica in funzione della lunghezza d’onda

0,001

0,01

0,1

1

10

100

400 450 500 550 600 650 700

Q.E. (u.a.)


1

10

100

400 450 500 550 600 650 700 750 800

Q.E. (u.a.)


PMT ETLBialcalino

a 77 K

PMT ETLMultialcalinoa 300 K

PMT ETLBialcalinoa 300 K

PMT ETLMultialcalinoa 77 K


Spettro di riemissione del TPB

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

200 400 600 800 1000 1200

I ntensita' (u.a.)


Spettro di riemissione Del TPB

Spettro di emissionedel LED piccato

a 430nm


Conclusioni

Per la rivelazione di luce alla lunghezza d’onda di 128 nm sono state utilizzate finestre in vetro borosilicato con una deposizione di TPB. Le misure effettuate hanno permesso di:

Le misure effettuate a temperature criogeniche hanno permesso di:

Quantificare la corretta deposizione di TPB Misurare l’efficienza quantica globale (TPB+ fotomoltiplicatore) dei rivelatori

Stabilire la resistenza dei PMT agli shock termiciScegliere il fotocatodo più adatto alle finalità di ICARUSMisurare gli effetti della temperatura criogenica sulle variazioni dell’efficienza quantica in funzione della lunghezza d’onda

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