TEST DEI SISTEMI DI PURIFICAZIONE DI BOREXINO

MEDIANTE IL COUNTING TEST FACILITY

Davide Franco

13/10/2003

Outline• Introduzione:

• Descrizione dell’apparato Borexino e del prototipo in piccola scala (CTF)

• Analisi dati CTF3:

• Determinazione della scala energetica

• Radon, 226Ra (238U), 85Kr

• Analisi energetica

• Analisi radiale

• Purificazione dell’azoto da 39Ar e 85Kr

• Misure di purezza di campioni di azoto

• Misure sull’efficienze di purificazione di carboni attivi

• Misura di 11C prodotto da muoni cosmici

Borexino è un esperimento progettato per la misura diretta del 7Be mediante la reazione:

+ e + eRivelazione attraverso spalla Compton a 667 keV

Paradosso 7Be/8B

Cosa possiamo imparare da una misura diretta del 7Be econ una precisionedel 10%

Bahcall – Pena-Garay hep-ph/0305159:

• Testare modelli solari

• Vincolo sul flusso totale

• Diversi regimi di oscillazione sotto 1 MeV?

L’Esperimento 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 d’acciaio (h e dbase = 18 m )

Richieste di radiopurezza

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”

Counting Test Facilities

Prototipo su piccola scala:

• 5 ton di scintillatore

• 100 PMT

• buffer di acqua

• 238U = (3.5 ±1.3) 10-16 g/g

• 232Th = 4.4 10-16 g/g

• 14C/12C = (1.94 ± 0.09) 10-18

1.51.2

Fasi di purificazione e test in CTF-3

Test del 14C

Water ExtractionColumn (Silica Gel) Shroud Adj.

PMT Off

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:

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

Scala energetica: light yield attraverso il 14C

(( )) ()e eNC E g E W W dW

N(We)dWe= peWe(W0-We)2F(Z,We)C(We)dWe

• pe , We = momento ed energia dell’ e emesso• W0 = 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:

2

2

(x)

2

ge

x2

( )

Scala energetica: light yield attraverso il 14C

f (E) = funzione approssimata di quenching da studi MC

C’(E) = C( f (E) )

Light Yield

parametro libero del fit

Scala energetica: andamento temporale del light yield

Tutte le analisi qui presentate sono normalizzate per il light yield e per 100 PMT

Possibili contributi

Contributi studiati in CTF-3:

• 222Rn - 218Po - 214Pb - 214Bi - 214Po

• 210Pb - 210Po - 210Bi

• 85Kr

• 40K

• 39Ar

Determinazione del rate di 238U dal 222Rn

Per determinare il rate dell’238U

coincidenze 214Bi-214Po (~ 200 s):

222Rn in equilibrio secolare con la catena dell’238U decade con la vita media del 238U (6.49 109 y)

si osserva un plateau

Complicazione:

222Rn introdotto nello scintillatore (in seguito a manipolazioni) decade con la vita media del 222Rn (5.48 d)

Radon dalla coincidenza 214Bi-214Po

A oggi, 1.1 c/d.Assumendo l’equilibrio secolare238U = (2.6 ± 0.2)x10-16 g/g

Identificazione del 85Kr attraverso le coincidenze ritardate

Decadimento del 85Kr:

• β- 99.563 % BR 85Rb (Emax = 687.4 KeV)

• EC 0.434 % BR 85mRb (Emax = 173.4

KeV)

Il 85mRb decade nello stato fondamentale con vita media 1.46 µs emettendo γ a 514 keV

DC:• sequenza di decadimenti del 85Kr (via EC) e del 85mRb nella finestra temporale

• Svantaggi: il BR del decadimento via EC e’ molto piccolo(si richiede alta statistica)

Analisi energetica:• spettro β del decadimento del 85Kr (via β- )

• Svantaggi: lo spettro del 85Kr si confonde con lo spettro del 39Ar

Data Set Days 85Kr-85mRb (num of events r<2m)

85Kr activity

(c/d/mIV)

85Kr-85mRb

(num of events r<0.8m)

85Kr activity

(c/d/miv)

1: 2056-2073 24.1 20 ± 4 409 ± 82 10 ± 3 358 ± 108

2: 2074-2093 21.1 19 ± 4 443 ± 84 7 ± 3 287 ± 123

3: 2094-2122 33.0 38 ± 6 510 ± 81 19 ± 4 498 ± 105

4: 2125-2149 26.3 7 ± 3 118 ± 50 0 < 91 (90%)

5: 2154-2161 12.5 3 ± 2 106 ± 71 0 <191 (90%)

6: 2162-2183 24.1 5 ± 2 92 ± 71 0 <99 (90%)

7: 2188-2281 94.6 31 ±6 145 ± 28 2 ± 1 18 ±9

8: 2282-2345 99.1 22 ± 5 98 ± 22 7 ± 3 61 ±26

9: 2346-2434 165.8 36 ± 6 96 ± 16 9 ± 3 47 ±16

Analisi Radiale: formalizzazione

ft cr

n

tf = tempo di volo del fotone

c = velocità della luce

n = indice di rifrazione

• Contributo interno:

Convoluzione di r2 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

Problema con la sottrazione del radon

Parametrizzazione dello spettro energetico

Ogni contributo e’ trattato indipendentemente come convoluzione della forma spettrale con la risoluzione del rivelatore

α + γ

Eα-quenched + Eγ

β + γ

Eβ + EγEγ210Po

Radon

210Bi

85Kr

Total

Fit dello spettro energetico

I Batch 14C Test I SG

I WE BL II WE

II SG 8 Months 16 Months

Equilibrio BiPo-210 raggiunto

Sistematica dovuta all’incertezza sul raggiodel vessel:5 cm d’incertezza 16% di sitematica

• 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 dell’analisi:

– valutazione dei contributi – stabilità del rivelatore

• I metodi di analisi utilizzati verranno direttamente impiegati in Borexino

Riassumendo:

Purificazione dell’azoto da 39Ar e 85Kr

• 39Ar: T1/2 = 269 y; - (end-point 565 keV); 1.4 Bq/m3 Ar

• 85Kr: T1/2 = 10.8 y; , - (end-point 687 keV); 1 MBq/m3 Kr

• Requisiti per Borexino:

~100 nBq/m3 (1 ev/day nel volume fiduciale) per 39Ar e 85Kr

• Solubilità:

Ar: N2/PC = 4.4 (SDS) (N2/H2O = 37)

Kr: N2/PC = 1.4 (H. Simgen) (N2/H2O = 21)

• => requisiti in N2:

0.4 Bq 39Ar/m3 N2 0.31 ppm Ar in N2

0.14 Bq 85Kr/m3 N2 0.14 ppt Kr in N2

Obiettivi:

• individuare N2 prodotto direttamente a bassa contaminazione

• studiare il sistema di purificazione più efficiente

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

N2

6.0

Samplepurification

Limite del rivelatore (per 1 cm3 di N2): 1 ppb per Ar e 0.1 ppt for Kr

Adsorbimento con zeoliti e carboni attivi (modello di Langmuir)

legge di Henry: nads = H p

Purificazione dell’azoto da Kr e Ar per adsorbimento con carboni attivi

gas

liquid

600-L dewar with Kr-enriched (100 - 400 ppt)

liquid nitrogen (Westfalen AG)

Mass spectr.

N2

6.0

Samplepurification

LN2, LArCryocool

100/300-cm3 column filled with adsorber

bubbler

VRet H ()VP

C0

CN

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

Purificazione da 85Kr con diversi assorbitori

Zeoliti non adattiall’adsorbimento del 85Kr

LN2 Temperature

LAr Temperature

12 kg di Carbosieve III purificano 2000 m3 di azoto

corrispondente al fabbisogno di Borexino per 4 giorni

LN2 temperature

LAr temperature

Risultati: concentrazione Ar/Kr per diversi campioni di azoto

Description Ar [ppm] Kr [ppt]

HD RPN2 (4.0) 200 1 680

GS RPN2 (4.0) 10 40

GS HPN2 10 30

Linde Worms (7.0) 0.05 7

SOL Mantova (6.0)

0.2

0.005

8

0.04

Westfalen AG Hörstel (6.0+ Kr)

Westfalen AG Hörstel (6.0+ Kr)

Westfalen AG Hörstel (6.0+ Kr)

Westfalen AG Hörstel (6.0)

Westfalen AG Hörstel (6.0)

0.008

0.004

0.002

0.005

0.0005

170

250

430

5

0.06

Goal 0.31 0.14

The 11C problem in the CNO-pep NW

Expected -rate in Borexino in 100 ton (BP2004 + LUNA + LMA) in the energy range [0.8 – 1.4] MeV:

• pep-: 0.9 c/d

• CNO-: 0.6 c/d

Internal background in [0.8 – 1.4] MeV: 0.6 ev/day @ 10-17 g/g U, ThIn situ production muon-induced 11C:

• 7.5 c/d in the range [0.8 – 1.4] MeV

required reduction factor > 10

Goal: tagging and removing 11C event by event!!!

-induced 11C: the net reaction

1112C C nm+ ® +

01 11eCC e n+® + +

~ 30 min!!!

E [1.02 – 1.98] MeV{

n p d g+ ® + ~ 200 s

E = 2.2 MeV{<E> = 320 4stat. + 11 syst. GeV @ LNGS (3600 mwe)

n

11C (+)

Isotopes c/d(*) in the full energy range in CTF

11C 0.54 0.067Be (1.3 0.1) x 10-2

11Be < 10-3

10C (7.3 0.8) x 10-2

8Li (2.5 0.6) x 10-3

6He (3.7 0.1) x 10-2

8B (4.0 0.7) x 10-3

9C (2.8 0.9) x 10-3

9Li + 8He (1.3 0.2) x 10-3

(*) T. Hagner et al., Astr. Part. Phys. 14 (2000) 33-47

Muon-induced contaminants in CTF

Scaling to CTF, 11C represents 80% of all the muon-induced contaminants and more than 99% in the NW-2

Experiment @ CERN(*): cross sections measured with -beams of 100 and 190 GeV on 12C target

Strategy in CTF

1. Tagging cosmic muons with the muon veto:

<320 GeV>, crossing the scintillator, fires the detector

• cut on the number of photoelectrons detected by the muon-veto ( ~ 1)

2. Tagging 2.2MeV from the neutron capture:

• for each tagged <320 GeV>, 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 11C 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

n

11C (+)

rate ~ 1.7 c/d in 3.7 tons

Eve

nts

/320

day

s/2.

7 to

ns/

45 k

eV

Energy(MeV)

Neutron capturen + p d + 2.2 MeV

capture time ~ 200 s

2.2MeV peak

= 211 14 s

CoincidenceTime (102 ns)

Eve

nts

/320

day

s/3.

7 to

ns/

80 s

Capture time

n

11C (+)

Coincidence Time (min)

Detection of in situ produced 11C rate

/( ) tNF t e Bt

t-= +

• 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

n

11C (+)

(others analyses provide a lower uncertainty on )

• Fixing = 29.4 min

• r = 0.7 m (mr = 1.4 ton)

• T = 320 days

• Energy window [1.1 – 1.65] MeV: en = 0.82

(0.17 0.04)( 0.7 ) /

energy r n r n

NR r m c d

T g ge e e e e e e±

< = =× × × × × ×

Result: 11C rate in CTF

Note: less than 1 event every 5 days

n

11C (+)

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

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)!

0 4 8 12Coincidence Time (100 s)

Num

ber

of e

vent

s

n

11C (+)

Angular Distribution(cos)

Energy Distribution(GeV)

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)

%

n

11C (+)

Efficiencies and final results

(0.17 0.04)( 0.7 ) /

r n

R r m c dge e e

±< =

× ×

Including the systematics due to:

• scintillator mass

• light yield: energy scale conversion

0.060.040.60 0.14( .) ( .) /measuredR stat syst c d+

-= ±

Rexpected = 0.54 ± 0.06 c/d

0.29r n ge e e× × =

From MC:

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 11C background:

11C is removed blinding the intersection of the two volumes for 5-10 11C-lifetime

Main challenge: keeping low the total dead volume x time

Spherical cut aroundneutron capture

Cylindrical cut around-track

Neutron production

ReconstructedMeV

-track

Scintillator

Summarizing

Distance (m)

Assuming:

• -signal (pep+CNO) rate: 1.5 c/d

• trace contaminants rate 0.6 c/d (238U and 232Th ~ 10-17 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

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

Conclusions and perspectives

• Good agreement 11C rate measured/expected in CTF• 11C is tagged event by event• Loss of volume-time detector fraction is minimized

in Borexino • Improvements: cylindrical cut, neutron distribution

from 12C, etc.

=> Borexino has the potential to probe pep and CNO ns

“Profilo” della purificazione

C0

CN

VPVRet H ()

Using „standard“ purity of LN2 from Linde/Mantova/Westfalen we need:

- Kr reduction factor 50- Continous purification for 1 week with 20 m3/h

We assume:

- Purification at LN2 temp. (77 K)- 2 kg of adsorber

N 10HT 77 [mol K/(kg Pa)]

CN =

½ C

0

ads

t

RTm

VH Re

Results: H and N for different adsorbers

Description N

H T

[mol K/Pa/kg]

Goal 10 77

MS 5Å, Si/Al 1 no purification observed

MS 10Å, Si/Al 1 1 > 1.5 10-2

Zeolite, BEA-type, 5.3Å, Si/Al 200 1 3.1 10-1

Zeolite, MFI-Type, 6.6Å, Si/Al 75 1 2.3 10-1

Activated Charcoal, CarboAct 1 2.3

Activated Charcoal, Merck 1 2.3

Activated Charcoal, type C38/2 3 1.5

Carbon Cloth 10 2.3

Carbon Molecular Sieve SIII 1 10.8

Skeleton nanostructured carbon (7 Å) 2 11.6

Ad

sorp

tion

fro

m li

qu

idat

–19

6 o C

Ad

sorp

tion

fro

m g

as

Carbon Molecular Sieve SIII (-145 oC) 8 7.7

Carbon Molecular Sieve SIII – predict. for -190 oC 8 130

CTF-3

ShroudVessel

Rn in acqua ~ 5 mBq/m3

Andamento temporale dei contributi α di bassa energia nell’ultimo periodo di presa dati

Error bar: componente α risultante dal fit

• nella regione energetica del 210Po• nel volume fiduciale < 0.7 m• dopo la sottrazione della componente α del segmento del Rn

Discriminazione α/β:rapporto “coda su totale”

Tempo d’integrazione totale: 500 ns

ns

Spettri energetici

Gruppo 1 + Gruppo 2

p.e.

Gruppo 1

Gruppo 2

p.e.

p.e.

Taglio di volume fiduciale (< 0.6 m)Statistica ~ 1 d