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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 - PowerPoint PPT Presentation
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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
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 2
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
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 3
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.
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 4
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)
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 5
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
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 6
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
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Progetto del sistema calibrato che lavora nel VUV
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 8
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
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 9
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
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 10
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
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 11
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
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 12
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
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 13
PMT bialcalino Hamamatsu
Griglia di alluminio a raggiera
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 14
Progetto del sistema di misura che lavora a temperatura
dell’azoto liquido
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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
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 16
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
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 17
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.)
Lunghezza d'onda (nm)
1
10
100
400 450 500 550 600 650 700 750 800
Q.E. (u.a.)
Lunghezza d'onda (nm)
PMT ETLBialcalino
a 77 K
PMT ETLMultialcalinoa 300 K
PMT ETLBialcalinoa 300 K
PMT ETLMultialcalinoa 77 K
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 18
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.)
Lunghezza d'onda (nm)
Spettro di riemissione Del TPB
Spettro di emissionedel LED piccato
a 430nm
19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso 19
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