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  +e
Rivelazione attraverso spalla Compton a
667 keV
Cosa possiamo imparare da una misura diretta
del 7Be -e con una precisione del 10%?
Bahcall – Pena-Garay hep-ph/0305159:
• Testare modelli solari
• Vincolo sul flusso totale
• Diversi regimi di oscillazione sotto 1 MeV?
Paradosso 7Be/8B
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
Sistemi di purificazione “on-line”
• 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
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
•
14C/12C
-16 g/g
= 4.4 -1.5
10
1.2
= (1.94 ± 0.09) 10-18
Fasi di purificazione e test in CTF-3
Column (Silica Gel)
Test del 14C
Water Extraction
Shroud Adj.
PMT Off
Informazioni dal rivelatore
Il segnale dei PMT, processato dalla catena elettronica, fornisce:
• 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)
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
C ( E )   g ( E - We )N (We )dW
Forma teorica:
Risoluzione del rivelatore:
N(We)dWe= peWe(W0-We)2F(Z,We)C(We)dWe
• pe , We =
• W0
=
• C(We) =
• F(Z,We) =
momento ed energia dell’ e emesso
endpoint
fattore di forma
funzione di Fermi
N
e
-
g( x ) 
(x ) 2
e 2
2   
g dipendono dal numero di p.e./MeV !
2
Scala energetica:
light yield attraverso il
f (E) = funzione approssimata
di quenching da studi MC
C’(E) = C( f (E) )
Light Yield
parametro libero del fit
14C
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
•
85Kr
•
40K
•
39Ar
- 210Po - 210Bi
Determinazione del rate di 238U dal 222Rn
Per determinare il rate dell’238U
coincidenze 214Bi-214Po (~ 200 s):
in equilibrio secolare con la catena dell’238U
decade con la vita media del 238U (6.49 109 y)
222Rn
 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
secolare
238U = (2.6 ± 0.2)x10-16 g/g
Identificazione del 85Kr attraverso le
coincidenze ritardate
Decadimento del 85Kr:
• β• EC
99.563 % BR
0.434 % BR
85Rb
(Emax = 687.4 KeV)
85mRb (E
max = 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 85Kr-85mRb
(c/d/mIV)
(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
tf c
• Contributo interno:
r
Convoluzione di r2 con la risoluzione del
rivelatore (distribuzione di Rayleigh)
tf = tempo di volo del fotone
parametri liberi:
• Posizione del vessel (*)
• Risoluzione efficace
• Rate
• Contributo superficiale:
Distribuzione di Rayleigh
parametri liberi:
• Posizione del vessel (*)
• Risoluzione
• Rate
• Contributo esterno:
Trascurato
n
c = velocità della luce
n = indice di rifrazione
Problema con la
sottrazione del radon
Parametrizzazione dello spettro energetico
β+γ
Total
Eγ
Ogni contributo e’ trattato
indipendentemente come
convoluzione della forma
spettrale con la
risoluzione del rivelatore
Eβ + Eγ
210Po
α+γ
Radon
85Kr
Eα-quenched + Eγ
210Bi
Fit dello spettro energetico
I Batch
I WE
II SG
14C
Test
BL
8 Months
I SG
II WE
16 Months
Equilibrio BiPo-210 raggiunto
Sistematica dovuta all’incertezza sul raggiodel vessel:
5 cm d’incertezza 16% di sitematica
Riassumendo:
• 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
Purificazione dell’azoto da 39Ar e 85Kr
- (end-point 565 keV); 1.4 Bq/m3 Ar
•
39Ar:
T1/2 = 269 y;
•
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
Kr: N2/PC = 1.4
(SDS)
(H. Simgen)
(N2/H2O = 37)
(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
Pipes backed out and flushed
with nitrogen for some days
Pipettes
gas
Sample
purification
Spettrometro di massa
liquid
N2
6.0
Dewar (180 L)
con azoto liquido
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
C0
CN
VP
VRet  H ()
gas
Sample
purification
liquid
N2
6.0
LN , LAr
2
600-L dewar with
Cryocool
Kr-enriched (100 - 400 ppt)
100/300-cm3 column
filled with adsorber
liquid nitrogen (Westfalen AG)
bubbler
Mass spectr.
Cromatografia:
L=N x H.E.T.P.
Purificazione da 85Kr con diversi assorbitori
Zeoliti non adatti
all’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
0.31
0.14
Goal
The 11C problem in the CNO-pep NW
Expected n-rate in Borexino in 100 ton (BP2004 + LUNA + LMA) in the
energy range [0.8 – 1.4] MeV:
• pep-n:
0.9 c/d
• CNO-n: 0.6 c/d
Internal background in [0.8 – 1.4] MeV: 0.6 ev/day @ 10-17 g/g U, Th
In 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!!!
m
m-induced
11C:
the net reaction
m+ C ® C + n
12
11
11C
n
g
<Em> = 320  4stat. + 11 syst. GeV @ LNGS (3600 mwe)
n+ p ® d + g
C®
11
C + e + ne
10
+
(b+)
 ~ 200 ms
{
Eg = 2.2 MeV
 ~ 30 min!!!
{
E [1.02 – 1.98] MeV
Muon-induced contaminants in CTF
Experiment @ CERN(*):
cross sections measured with
m-beams of 100 and 190
GeV on 12C target
Scaling to CTF, 11C represents
80% of all the muon-induced
contaminants and more than
99% in the NW-2
Isotopes
c/d(*) in the full
energy range in CTF
11C
0.54  0.06
7Be
(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
Strategy in CTF
m
11C
(b+)
n
1. Tagging cosmic muons with the muon veto:
•
•
m<320 GeV>, crossing the scintillator, fires the detector
g
cut on the number of photoelectrons detected by the muon-veto (em ~ 1)
2. Tagging g2.2MeV from the neutron capture:
•
for each tagged m<320 GeV>, a temporal gate of [1 ms - 2ms] is opened
•
cut: Eg > 1.8 MeV
•
eg and eneutron (spill-in/spill-out effect) have been evaluated via
Monte Carlo
3. Collecting data sample including 11C events:
•
after each g2.2MeV a temporal gate of 300 min (10 x  ) in the [1.10 –
1.65] MeV energy window (eenergy = 0.82 )
•
Radial cut: er has been evaluated via Monte Carlo
m
Neutron capture
n+p
11C
d + g2.2 MeV
(b+)
n
capture time ~ 200 ms
g2.2MeV
peak
Events/320 days/3.7 tons/80 ms
Events/320 days/2.7 tons/45 keV
g
rate ~ 1.7 c/d
in 3.7 tons
Energy(MeV)
Capture time
 = 211  14 ms
CoincidenceTime (102 ns)
m
Detection of in situ produced 11C rate
11C
(b+)
n
• 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
g
• Assuming a constant background B
Fit function:
N - t /t
F (t ) =
e
+B
t
From the fit:  = 29 ± 13 min
(others analyses provide a lower uncertainty on )
Coincidence Time (min)
m
Result:
11C
rate in CTF
• Fixing  = 29.4 min
11C
(b+)
n
g
• r = 0.7 m (mr = 1.4 ton)
• T = 320 days
• Energy window [1.1 – 1.65] MeV: een = 0.82
N
(0.17 ± 0.04)
R(r < 0.7m) =
=
c/d
T ×eenergy ×er ×en ×eg
er ×en ×eg
Note: less than 1 event every 5 days
Efficiencies: Monte Carlo Simulation
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 g2.2MeV starting from the neutron capture position
• CTF reconstruction code:
• reconstruction of the center of mass of the g2.2MeV deposited energy
Results from the MC (1)
Events in water and in scintillator
m
11C
(b+)
n
g
Number of events
Neutron capture in scintillator and water
Angular Distribution
(cosq)
204 ± 2 ms
Good agreement with real
data (211 ± 14 ms)!
0
4
8
12
Coincidence Time (100 ms)
Energy Distribution
(GeV)
m
Results from the MC (2)
11C
(b+)
n
Only internal events
g
Distance from neutron production
position to (normalized spectra):
Cumulative probability:
%
• neutron capture
• g2.2MeV center of
mass
Distance (m)
82% (87%) of neutrons
are contained in 1 m
radius sphere with center
in g2.2MeV center of
mass (neutron capture
position)
Distance (m)
Efficiencies and final results
(0.17 ± 0.04)
R(r < 0.7m) =
c/d
er ×en ×eg
From MC:
er ×en ×eg = 0.29
Including the systematics due to:
• scintillator mass
• light yield: energy scale conversion
0.06
Rmeasured = 0.60 ± 0.14( stat.)-+ 0.04
( syst.) c / d
Rexpected = 0.54 ± 0.06 c/d
Implication in Borexino
How to reduce 11C background:
• Software cut
– spherical volume
around the
reconstructed g2.2 MeV
• Muon veto cut
– cylindrical volume
around the muon track
Spherical cut
around neutron
capture
m-track
Scintillator
Cylindrical cut
around m-track
Neutron
production
Reconstructed
g2.2MeV
11C
is removed blinding the intersection of the two volumes for 510 11C-lifetime
Main challenge: keeping low the total dead volume x time
Summarizing
Assuming:
• n-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
Distance (m)
Preliminary results
Dead Volume-Time
Fraction
Signal/Background
Ratio
5%
1
20%
1.2
50%
1.5
Signal-to-backround ratio ~ 1 implies a loss of volume-time
detector fraction ~ 5%
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
Using „standard“ purity of LN2 from
Linde/Mantova/Westfalen we need:
CN = ½ C0
- 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
CN
VRet  H ()
H
VRe t
RTm ads
N  10
HT  77 [mol K/(kg Pa)]
VP
N
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
Carbon Molecular Sieve SIII (-145 oC)
8
7.7
Carbon Molecular Sieve SIII – predict. for -190 oC
8
 130
Adsorption from gas
Description
HT
[mol K/Pa/kg]
Adsorption from liquid
at –196 oC
Results: H and N for different adsorbers
CTF-3
Rn in acqua ~ 5 mBq/m3
Vessel
Shroud
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
Taglio di volume fiduciale (< 0.6 m)
Statistica ~ 1 d
Gruppo 1
Gruppo 1 + Gruppo 2
p.e.
Gruppo 2
p.e.
p.e.