Relazione scientifica dottorato anno accademico 2004 05
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Relazione Scientifica Dottorato anno accademico 2004/05. Samuele Sangiorgio. Tutore: prof. Andrea Giuliani. University of Insubria Como - Italy. INFN Milano - Italy. Sommario. ». ». IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO. IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO. ».

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Relazione Scientifica Dottorato anno accademico 2004/05

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Presentation Transcript


Relazione scientifica dottorato anno accademico 2004 05

Relazione Scientifica Dottoratoanno accademico 2004/05

Samuele Sangiorgio

Tutore: prof. Andrea Giuliani

University of Insubria

Como - Italy

INFN

Milano - Italy


Sommario

Sommario

»

»

IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO

IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO

»

RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI

»

PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE

»

CRIOGENIA


Il doppio decadimento beta ddb

Il Doppio Decadimento Beta (DDB)

bb2n permesso dal

modello standard

bb0n possibile solo

con n di Majorana

  • La natura del neutrino:

  • Neutrino di Dirac: caratterizzato dal numero leptonico L

  • Neutrino di Majorana: caratterizzato dall’elicità H

  • La massa del neutrino:

  • valore assoluto della massa ?

  • gerarchia delle masse ?

» Doppio Decadimento Beta 0


La tecnica bolometrica

La tecnica bolometrica

La tecnica bolometrica:

termometro

bagno termico

cristallo assorbitore

termalizzazione completa in tempi trascurabili

temperature ~ mK

dielettrici e diamagnetici

conduttanza termica

energia

  • Richieste sperimentali:

  • basso fondo e grandi masse

  • elevata risoluzione energetica

  • Principali vantaggi:

  • alta risoluzione energetica

  • ampia discrezionalita’ nella

  • nella scelta dei materiali


I bolometri di cuoricino

I bolometri di Cuoricino

5 cm

3 mm

Cristallo Assorbitore

Sensore di temperatura

L’assorbitore è un cristallo 5x5x5 cm3 di TeO2il quale contiene il nucleo candidato 130Te

Il segnale termico è misurato tramite un Termistore di Ge NTD

3 mm


Cuoricino @ lngs

Cuoricino @ LNGS

Cuoricino ha una struttura a torre e contiene:

44 cristalli TeO2

5x5x5 cm3

18 cristalli TeO2

3x3x6 cm3

L’esperimento Cuoricino è operante presso i

Underground National Laboratory - Gran Sasso

(L'Aquila)

la montagna fornisce una schermatura contro i raggi cosmici pari a 3500 m.w.e.

Massa attiva (ultimo run):

~ 13 kg 130Te

~ 6 x 1025 nuclei


Le prestazioni di cuoricino

Le Prestazioni di Cuoricino

Spettro di calibrazione (232Th)

2615 keV 208Tl

Risoluzione

energetica

(media)

@ 2615 keV

cristalli

5x5x5 cm3

~ 7.8±2.4 keV

cristalli

3x3x6 cm3

~ 11.0±4.7 keV


I risultati di cuoricino

I Risultati di Cuoricino

Cuoricino sta acquisendo dati con successo da Aprile 2003 (MT = 5 kg y 130Te)

Fondo nella regione del bb (spettro anticoincidenza, solo cristalli 5x5x5 cm3)

0.18  0.01 c/keV/kg/y

218Tl

Risultati totali per vita media e massa di Majorana (90% c.l.):

T1/20n(130Te) > 1.8 x 1024 y

mbb < 0.2 - 1.1 eV

60Co

Aggiornato 3 Aprile 2005


Il futuro prossimo cuore

Il Futuro (prossimo): CUORE

C.U.O.R.E.

Cryogenic Underground Observatory for Rare Event

Array di~1000bolometri

Massa: ~750 kgdi TeO2

Esperimento di seconda generazione in quanto a sensibilità sulla massa del neutrino

CUORE è stato approvato e finanziato

CUORE dovrebbe iniziare a prendere dati nel 2009

19 torri tipo CUORICINO


Sommario1

Sommario

»

IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO

»

»

RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI

RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI

»

PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE

»

CRIOGENIA


Il problema della riduzione del fondo

Il problema della riduzione del fondo

Sensibilità:

M: massa attivab: fondo

T: live time: risoluz energ

Previsione (conservativa) per CUORE:

T = 10 anni -  = 10 keV

b = 0.01 c/(keV∙kg∙y)

Le simulazioni MonteCarlo mostrano che la componente più pericolosa del fondo è dovuta a alpha e beta degradate in energia emesse dalle superfici affacciate al rivelatore>> riduzione di questo fondo di un fattore 10-100

Possibili soluzioni

» Migliorare la qualità del trattamento delle superfici

» Rivedere la struttura del rivelatore minimizzando le superfici affacciate

» Sviluppare calorimetri “intelligenti” (risoluz spaziale)


Bolometri sensibili alla superficie bss

Bolometri Sensibili alla Superficie (BSS)

1.5 cm

1.5 cm

Schermatura attiva del bolometro principale mediante un bolometro ausiliario

Idea innovativa: gli schermi sono incollati direttamente sull’assorbitore in modo da formare un singolo bolometro composito

Bolometro di Ge

Bolometro di TeO2

Bolometro composito

2cm

2cm

2cm

=

+

In questo modo la usuale tecnica delle anticoincidenze non è particolarmente utile in quanto un rilascio di energia in una parte di questo bolometro composito comporta un rialzo di temperatura di tutte le sue componenti.


Bss comportamento atteso

BSS: Comportamento Atteso

classic pulse

classic pulse

Bolometro con cristallo assorbitore di TeO2 e il suo termistore

+

Bolometro con wafer di Ge come assorbitore e il suo termistore

classic pulse

fast and high pulse

La presenza degli schermi modifica la dinamica termica del rivelatore dando origine a impulsi con forme e ampiezze differenti

Punti di impatto differenti implicano impulsi diversi sui due termistori


Bss discriminazione mediante scatter plot

BSS: Discriminazione mediante scatter plot

Possibile discriminazione mediante scatter plot

Comportamento supportato da simulazioni


Bss setup sperimentale

BSS: Setup Sperimentale

run1

run2

termistori NTD

assorbitore principale TeO2

schermi attivi di Ge

Le facce schermate sono state esposte a particelle . La sorgente e’ stata ottenuta impiantando nuclidi 224Ra su dello scotch di rame affacciato al cristallo


Bss run con silicio pl

BSS: Run con Silicio (PL)

eventi misti che rilasciano energia sia nell’assorbitore principale sia nello schermo

eventi di superficie nello schermo di Si

eventi di bulk nell’assorbitore di TeO2


Bss la scelta del materiale

BSS: la scelta del materiale

Germanio ultrapuro

PROs:

- ottimo livello di purezza

CONTRAs:

- elevato costo

Silicio ultrapuro (PL – IRST)

  • PROs:

  • costo contenuto

CONTRAs:

- minor purezza

TeO2

  • PROs:

  • Materiale gia’ noto

  • Contrazioni differenziali

  • CONTRAs:

  • Fragilita’ (h=500 μm)

  • Incollaggio NTD


Bss discriminazione sulla forma dell impulso

BSS: Discriminazione sulla forma dell’impulso

Distribuzione dei tempi di salita degli impulsi acquisiti dal termistore sullo schermo di Ge

Due classi di eventi:

“FAST” surface events

“SLOW” bulk events

In principio è possibile identificare il tipo di evento utilizzando solo il sensore sullo schermo di Ge e la PSA


Bss discriminazione sui decay time

BSS: Discriminazione sui Decay Time

E’ possibile selezionare gli impulsi anche osservando il DECAY TIME degli impulsi sull’ASSORBITORE PRINCIPALE

>> Evita la proliferazione dei canali di lettura e semplifica il montaggio


Bss lettura in parallelo degli schermi

BSS: Lettura in Parallelo degli Schermi

RUN 9 TBT – TeO2 main + 2xSLAB TeO2

Ogni riga corrisponde ad uno schermo


Bss comportamenti bizzarri

BSS: comportamenti “bizzarri”

RUN 11 TBT – TeO2 main + 2xSLAB Si-IRST


Bss test @ lngs

BSS: Test @ LNGS

SCOPO:

  • bolometri in scala Cuoricino (5x5x5 cm3)

  • misure non affette da pile-up

    NB: Nessun trattamento specifico per la pulizia superficiale


Bss test @ lngs1

BSS: Test @ LNGS

eventi superficiali sugli schermi (letti in parallelo)

si identificano classi di eventi attribuibili a particelle 

Ampiezza nelle slab [mV]

eventi nell’assorbitore principale

Energia nel main (keV)


Bss test @ lngs2

BSS: Test @ LNGS

Selezione impulsi con il DECAY TIME sull’assorbitore principale

Ampiezza nelle slab [mV]

Energia nel main (keV)

Decay Time [ms]

Energia nel main (keV)


Bss test @ lngs3

BSS: Test @ LNGS

MISURE DI FONDO

BSS utili per la comprensione del fondo

fondo ancora oggetto di studio

RISULTATO ECCELLENTE !!

  • ottimi risultati nella discriminazione del segnale mediante scatter plot

  • importante possiblita’ di discriminare efficacemente mediante DT sul main

  • eccellente riduzione del fondo senza alcun accorgimento di pulizia

  • conoscenza dettagliata ancora da approfondire » [email protected] in preparazione


Sommario2

Sommario

»

IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO

»

RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI

»

»

PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE

PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE

»

CRIOGENIA


Ntd per cuore il parametro t 0

NTD per CUORE: il parametro T0

heat sink

electrons

e-ph

Au wires

3 mm

lattice

106

R [W]

glue

104

absorber

teflon

102

energy

20

120

200

E’ la temperatura degli elettroni in quanto vale il modello Hot Electron: sperimentalmente si osserva una conduttanza termica finita tra gli elettroni e fononi (reticolo)del termistore

T [mK]

Rete termica »»

Sensore di temperatura

Il segnale termico è misurato con un termistore di Ge NTD

in regime di VRH:

Cuoricino usa NTD #31 ma non e’ mai stata fatta alcuna ottimizzazione su valore di T0

  • Domande :

  • Esiste un valore ottimo per T0?

  • Che correlazione esiste tra T0 e Ge-ph? Quanto incide questa correlazione sulle prestazioni del bolometro?

  • Il T0 e’ legato ad altri parametri del rivelatore?

  • Criticità di T0 sulle prestazioni del bolometro?

  • Le risposte incidono su:

  • » prestazioni complessive del bolometro

  • » tempi e modalita’ di produzione dei termistori


Run t0 possibili scenari

RUN T0: possibili scenari

Rispetto al T0 dei termistori NTD#31 si puo’ pensare di usare

T0inferiore:

valore di resistenza più basso alla stessa temperatura (quindi un minore rumore spurio)

disaccoppiamento elettrone-fonone meno marcato

T0superiore:

possibilità di lavorare a temperature più elevate (segnali più veloci, stabilizzazione più facile, performance del criostato meno critiche – ma anche maggiore capacità termica del cristallo)

high T0

R [Ω]

NTD 31

low T0

T [K]


Run t0 setup sperimentale

RUN T0: setup sperimentale

Run T0

Montaggio tipo Cuoricino con cristalli 5x5x5 cm3

Run info

  • Assemblaggio a Como

  • Misura effettuata nel criostato di SalaC LNGS

  • Problema con la temperatura di base » conduttanza tra holder e MC non ottimale » T~15 mK


Run t0 misure statiche

RUN T0: misure statiche

low T0

high T0

NTD 31

I chip con alto T0 non sopportano un bias elevato

(NB: amp ~ Vbol)


Run t0 misure statiche1

RUN T0: misure statiche

NTD 31

high T0

low T0

Si nota l’effetto del maggior disaccoppiamento elettrone-fonone all’aumentare del T0

high T0

low T0

NTD 31


Run t0 misure dinamiche

RUN T0: misure dinamiche

L’ampiezza degli impulsi degli NTD31 è sempre maggiore

NTD 31

high T0

low T0

NTD 31

low T0

high T0


R d accoppiamenti termici

R&D Accoppiamenti Termici

TeO2

Accoppiamento termistore - assorbitore

In CUORICINO

Table-legs NTDs

Incollaggio mediante gocce di colla epossidica a due componenti (Araldite)

spessore gocce ~ 50 μm

Utilizzare termistori NTD dotati di 4 piccoli piedistalli su cui applicare leggero strato di colla

Verifica proprietà termomeccaniche di questo accoppiamento, in particolare mantenere la stessa conduttanza termica delle gocce di colla

Verifica delle prestazioni bolometriche (forma degli impulsi, risoluzione,…)

3mm


R d accoppiamenti termici1

R&D Accoppiamenti Termici

Accoppiamento termistore - assorbitore

Semplicità di incollaggio e buona riproducibilità statica

Risultati dinamici paragonabili a quelli con l’incollaggio standard

Ma: rottura del cristallo in corrispondenza dei piedistalli


R d accoppiamenti termici2

R&D Accoppiamenti Termici

Accoppiamento termistore - assorbitore

Grasso da vuoto

Scarsa tenuta meccanica

Conduttanza termica non ben definita

Ampiezza e parametri di forma (DT, RT) molto simili


R d accoppiamenti termici3

R&D Accoppiamenti Termici

100 mm

1 mm

Accoppiamento assorbitore – bagno termico

Rottura del cristallo!

Attualmente

Utilizzo di martelletti di Teflon

Test 1

Probabile causa: contrazioni differenziali Ge e TeO2 durante il raffreddamento » » test in LN2

Utilizzo di stand-off di Germanio

Test 2

Incollaggio diretto al supporto di rame

Test 3

Compensazione delle contrazioni


Sommario3

Sommario

»

IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO

»

RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI

»

PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE

»

»

CRIOGENIA

CRIOGENIA


Problematiche criogeniche in cuore

Problematiche criogeniche in CUORE

OBIETTIVI:

  • Massa totale da raffreddare ~ 4ton

  • Temperatura di base ~ 10 mK

  • Materiali radiopuri

  • Elevata affidabilità del sistema criogenico per lungo tempo

  • Livelli di vibrazioni contenuti

  • Massimizzare il tempo vivo di misura

  • Elevato potere refrigerante

Attualmente [Cuoricino]

Criostato a diluizione 3He-4He con bagno di 4He a 4K » refill periodici, rumore 1KPOT, costi elevati, sicurezza

Futuro [CUORE]

Precooling a 4K mediante Pulse Tube » LHe free MA vibrazioni e tempi raffreddamento da valutare


Un criostato lhe free a como

Un criostato LHe-free a Como

Criostato AL

  • Refrigeratore a diluizione con Pulse Tube precooling » no liquidi criogenici (LHe)

  • Tbase = ~ 10 mK

  • Ampio spazio sperimentale

  • Risolti problemi con superfuga

  • Blocco impedenza risolto con trappola LHe (test) e poi Gas Purifier

Gas Handling System

Compressore PT

PT

CRIOSTATO di PROSSIMA GENERAZIONE

Criostato


Test criogenici del criostato al

Test criogenici del Criostato AL

Run timing

Termometro RuO2

Termometro NTD#31

  • PT cooling (300to4K): ~ 24-30 ore

  • Rate e tempo di condensazione miscela:~ 32h @ ~ 20 mbar/h

  • Temperature di base sulla MC poche ore dopo la fine della condensazione

Misure di potere refrigerante

Punti Fissi [1.2K – 15mK]

CMN

bolometro TeO2

Pstill = 3 mW – *: Pstill = 5 mW


Misure di rumore preliminari

Misure di rumore preliminari

Vrms/√Hz

rumore indotto dal PT


Misure di rumore preliminari1

Misure di rumore preliminari

Vrms/√Hz

RUMORE MEDIO INTEGRATO:

~ 0.5 μVrms [1 – 40 Hz]

~ 0.3μVrms [1 – 12 Hz]

LNGS: ~ 0.1-0.2 μVrms [1 – 12 Hz]

Ampi margini di miglioramento del setup sperimentale riducendo il rumore sia meccanico sia elettrico


Conclusioni

Conclusioni

Lavoro svolto:

  • Partecipazione alle fasi di presa dati per l’esperimento Cuoricino ai LNGS in qualita’ di turnista esperto

  • Partecipazione alle fasi di programmazione, montaggio, avviamento, presa dati e analisi del RUN T0 in qualita’ di responsabile run

  • Partecipazione attiva alle serie di misure effettuate a Como riguardo nei progetti di R&D per CUORE (accoppiamenti termici, test BSS)

  • Partecipazione a tutte le fasi della misura di BSS ai LNGS

  • Realizzazione della campagna di test sul criostato AL a Como

  • Inserimento con successo all’interno del Working Group ANALISI DATI di Cuore » realizzazione del database delle misure per Cuoricino


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