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
1
L’esperimento ICARUS
Obbiettivi:
rivelazione di eventuali canali
di decadimento del protone
studio delle oscillazioni di
neutrino
Rivelatore:
Camera a proiezione temporale
(TPC) ad argon liquido (LAr)
Dimensioni:
3.6 x 3.9 x 19.9 m³
19 Dicembre 2003
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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.
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Rivelazione della luce di scintillazione
del LAr in ICARUS
Bassa produzione di luce di scintillazione
Fotorivelatori con elevato guadagno
Grandi dimensioni del rivelatore
FOTOMOLTIPLICATORI
(PMT)
Fotorivelatori con ampia superficie sensibile
(per ridurre il numero di canali di rivelazione
necessari)
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Caratteristiche dei PMT
Il 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
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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)
Efficienza
200
di
conversione
(u.a.)
248
Lunghezza d’onda (nm)
124
82
No perché deperibile nel tempo
No perché emissione a 350nm
Si per picco di riemissione ed
efficienza di conversione
62
TPB
TPh
100
Sodium Salicylate
5
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10
15
20
Energia (eV)
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6
Progetto del sistema calibrato
che lavora nel VUV
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Efficienza quantica globale a 128nm
con la deposizione di TPB
10
Q.E. (%)
PMT ETL
Bialcalino
Vetro liscio
8
PMT ETL
Bialcalino
Vetro sabbiato
6
4
Deposizione
tramite aerografo
con una soluzione di
5g di TPB per litro
di toluene
2
0
0
200
400
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600
800
1000 1200 1400 1600
Deposizione (ml)
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8
Efficienza quantica globale in funzione
dell’angolo di incidenza della luce
Q.E. (u.a.)
PMT ETL
Bialcalino
Vetro liscio
100
98
PMT ETL
Bialcalino
Vetro sabbiato
96
94
92
90
88
86
-60
-40
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-20
0
20
Angolo (gradi)
40
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60
9
Misure di uniformità per PMT da
200 mm di diametro
11
Q.E. (%)
+45°
11
PMT ELT
9357 FLA
con finestra
Emisferica
sabbiata
9
9
8
7
8
6
7
5
6
4
5
-80 -60 -40 -20
0
20
Angolo (gradi)
Q.E. (%)
40
60
80
-45°
3
-40 -30 -20 -10
11
10
9
9
8
8
7
7
6
6
5
5
-60
-40
-20
0
20
Angolo (gradi)
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40
60
0
10
20
30
40
0
20
40
60
80
Angolo (gradi)
10
4
90°
10
10
11
Q.E. (%)
QE (%)
0°
4
-80 -60 -40 -20
Angolo (gradi)
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Risultati:
1. Il picco di Q.E. è
in corrispondenza
del vertice della
finestra
2. Il valore di picco
è di circa 11%
3. Non uniformità
10
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
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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
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PMT bialcalino Hamamatsu
Griglia di
alluminio
a raggiera
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Progetto del sistema di misura che
lavora a temperatura dell’azoto liquido
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Misure di resistività
Q.E. (%)
1
Q.E. (%)
1
0.1
0.1
0.01
0.001 0.01
0.1
1
10
100
1000
Frequenza (Hz)
PMT Bialcalino
Hamamatsu
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4
10
5
10
0.01
1
10
PMT ETL
Bialcalino
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100
1000
4
10
5
10
Frequenza (Hz)
PMT ETL
Multialcalino
15
Multialcalini e bialcalini
200
Q.E. (u.a.)
PMT ETL
Bialcalino
150
PMT ETL
Multialcalino
100
50
0
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Lunghezza d'onda (nm)
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Efficienza quantica in funzione della
lunghezza d’onda
100
Q.E. (u.a.)
100
Q.E. (u.a.)
10
1
10
0,1
0,01
0,001
400
450
500
550
600
650
Lunghezza d'onda (nm)
PMT ETL
Bialcalino
a 77 K
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PMT ETL
Bialcalino
a 300 K
700
1
400
450
500
550
600
650
700
Lunghezza d'onda (nm)
PMT ETL
Multialcalino
a 77 K
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750
800
PMT ETL
Multialcalino
a 300 K
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Spettro di riemissione del TPB
1.2
Intensita' (u.a.)
Spettro di emissione
del LED piccato
a 430nm
1
0.8
0.6
Spettro di riemissione
Del TPB
0.4
0.2
0
200
400
600
800
1000
Lunghezza d'onda (nm)
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1200
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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:
 Quantificare la corretta deposizione di TPB
 Misurare l’efficienza quantica globale
(TPB+ fotomoltiplicatore) dei rivelatori
Le misure effettuate a temperature criogeniche hanno
permesso di:
Stabilire la resistenza dei PMT agli shock termici
Scegliere il fotocatodo più adatto alle finalità di ICARUS
Misurare gli effetti della temperatura criogenica sulle variazioni
dell’efficienza quantica in funzione della lunghezza d’onda
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