Rivelazione di luce di scintillazione dell’argon liquido

1. Rivelazione di luce di scintillazione dell’argon liquido Francesca D’Alfonso Tesi di laurea in Fisica Dipartimento di Fisica Nucleare e TeoricaUniversità degli Studi di Pavia19 Dicembre 2003 Francesca D'Alfonso

2. 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 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. Francesca D'Alfonso

4. Rivelazione della luce di scintillazione del LAr in ICARUS Bassa produzione di luce di scintillazione Fotorivelatori con elevato guadagno FOTOMOLTIPLICATORI (PMT) Grandi dimensioni del rivelatore Fotorivelatori con ampia superficie sensibile (per ridurre il numero di canali di rivelazione necessari) Francesca D'Alfonso

5. Caratteristiche dei PMT • 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 Il funzionamento dei fotomoltiplicatori è garantito: • Necessità di misurare le prestazioni: • alla lunghezza d’onda di 128nm • alla temperatura di 87K 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) No perché deperibile nel tempo No perché emissione a 350nm Si per picco di riemissione ed efficienza di conversione Lunghezza d’onda (nm) 248 124 82 62 Efficienza di conversione (u.a.) TPB 200 TPh 100 Sodium Salicylate 5 10 15 20 Francesca D'Alfonso Energia (eV)

7. Progetto del sistema calibrato che lavora nel VUV Francesca D'Alfonso

8. Efficienza quantica globale a 128nm con la deposizione di TPB PMT ETL Bialcalino Vetro liscio PMT ETL Bialcalino Vetro sabbiato Deposizione tramite aerografo con una soluzione di 5g di TPB per litro di toluene Francesca D'Alfonso

9. Efficienza quantica globale in funzione dell’angolo di incidenza della luce PMT ETL Bialcalino Vetro liscio PMT ETL Bialcalino Vetro sabbiato Francesca D'Alfonso

10. Misure di uniformità per PMT da 200 mm di diametro PMT ELT 9357 FLA con finestra Emisferica sabbiata 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 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 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 Francesca D'Alfonso

13. PMT bialcalino Hamamatsu Griglia di alluminio a raggiera Francesca D'Alfonso

14. Progetto del sistema di misura che lavora a temperatura dell’azoto liquido Francesca D'Alfonso

15. Misure di resistività PMT Bialcalino Hamamatsu PMT ETL Bialcalino PMT ETL Multialcalino Francesca D'Alfonso

16. Multialcalini e bialcalini PMT ETL Bialcalino PMT ETL Multialcalino Francesca D'Alfonso

17. Efficienza quantica in funzione della lunghezza d’onda PMT ETL Bialcalino a 77 K PMT ETL Bialcalino a 300 K PMT ETL Multialcalino a 77 K PMT ETL Multialcalino a 300 K Francesca D'Alfonso

18. Spettro di riemissione del TPB Spettro di emissione del LED piccato a 430nm Spettro di riemissione Del TPB 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: • 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 Francesca D'Alfonso