Disegno del sistema generale di trigger dell

Università degli studi “Federico II”
Facoltà di Scienze MM.FF.NN.
Corso di laurea in Fisica
Calibrazione con laser UV e monitoraggio
della purezza dell’Argon liquido
nell’esperimento ICARUS.
Candidato:
Relatori:
Biagio Rossi
Dott. A. Ereditato
matr. 60/562
Dott. G. Fiorillo
IlL’esperimento
progetto ICARUS
ICARUS
ICARUS è un osservatorio sotterraneo per la fisica
astroparticellare e del neutrino.
Il rivelatore è una camera a proiezione temporale (TPC) ad Argon
liquido di grande massa (da 600 a 3000 tonnellate) in fase di
installazione presso i laboratori del Gran Sasso.
Il programma di ricerca si
sviluppa su due linee principali:
 Studio delle oscillazioni di
neutrino (neutrini solari,
atmosferici, da supernova,
dal fascio CNGS del CERN);
 Ricerca del decadimento del
protone.
13 Ottobre 2004
ICARUS - Hall B
Tesi di laurea in Fisica
2
IlOscillazioni
progetto ICARUS
di neutrino
K0  K0
Mescolamento
dei quarks
Pontecorvo - Maki
Nakagawa - Sakata
na  nb
Mescolamento
dei neutrini
Matrice di mescolamento
Autostati di sapore
Autostati di massa
UPMNS=
3 angoli q
1 fase d
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La % di n1, n2 e n3 in un autostato di sapore
Violazione CP
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cij=cosqij
sij=sinqij
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IlProbabilità
progetto ICARUS
di oscillazione
Probabilità di oscillazione na  nb nello schema a tre neutrini
Dm2
L
Matrice di mescolamento
E
Ad esempio per l’oscillazione di nm  ne
Ad esempio
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Osservazioni sperimentali
Evidenze dell’oscillazione di n
Deficit nel flusso dei nm
atmosferici in funzione
Deficit nel flusso dei ne solari rispetto
alle indicazioni del SSM (ne nx)
(Homestake, Sage, GNO, SNO, Superkamiokande)
q12
e
Stima
Dm221
Dm231
2s
Dm221 [10-5 eV2]
6.9
6.1 – 8.4
Dm231 [10-3 eV2]
2.3
1.4 – 3.0
sin2q12
0.30
0.25 - 0.35
sin2q23
0.52
0.36 - 0.66
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(Kamiokande e Super-Kamiokande)
Stima
best fit
Parametri
dell’angolo zenithale (nm nt)
e
q23
Obiettivi esperimento ICARUS
 Apparizione del nt e miglioramento
della stima di q23 e di Dm2atm mediante
l’osservazione dell’oscillazione nmnt
Tesi di laurea in Fisica
 Misura dell’angolo q13
mediante l’oscillazione nmne
5
IlEsempio:
progetto
ICARUS
sensibilità
di ICARUS a nm ne
• Dm2atm >> Dm2sol
Osservando l’eventuale
apparizione di ne
dal fascio CNGS
Sperimentalmente si è constatato che:
• L è paragonabile alla lunghezza di oscillazione ‘atmosferica’
• L’angolo q13 è piccolo
q13 è il collegamento fra le
oscillazioni solari ed atmosferiche
ICARUS dovrebbe migliorare
questo limite di un fattore 5-10
13 Ottobre 2004
Tesi di laurea in Fisica
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La tecnica di rivelazione ICARUS




Ionizzazione in Argon
Liquido;
Alta mobilità elettronica;
Alta purezza (< 0.1 ppb
O2, idrocarburi ecc.);
Ricostruzione
tridimensionale:


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Tre piani di fili;
La terza dimensione è
ottenuta dal tempo di deriva
(t0 dalla scintillazione in
Argon) mediante PMT.
Tesi di laurea in Fisica
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Il rivelatore ICARUS T600
 Distanza massima di drift: 1.5 m (3 m);
 Velocità di drift: ~1.1 mm/ms;
 Tempo di drift:~1 ms @ 500V/cm.
Bassissimo livello di impurezze (<0.1 ppb)
13 Ottobre 2004
Tesi di laurea in Fisica
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Lavoro sperimentale di Tesi
In relazione al monitoraggio della
purezza e alla calibrazione del
rivelatore, la Tesi ha riguardato
1) Misura e monitoraggio
della purezza
dell’Argon liquido
con dispositivi
elettronici:
MONITOR DI PUREZZA
13 Ottobre 2004
2) Metodo alternativo:
ionizzazione dell’Argon
liquido mediante laser UV
(analisi dati di un
esperimento preliminare)
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3) Progetto, sviluppo e
messa in opera di una
TPC prototipo e dei
relativi dispositivi
criogenici per misure di
ionizzazione laser
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1) Monitor di purezza: principi di funzionamento
Piccole camere
a deriva
Con 4 dischi di acciaio
inossidabile che
fungono da elettrodi:
(foto) Catodo
Griglia Catodica
Griglia Anodica
Anodo
e alcuni anelli di
acciaio inossidabile
che fungono da
 Guide di campo
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Lampada a Xe
Fibra di Quarzo
Anelli
di
Campo
Flitro HV
Flitro HV
Amplificatore
di
carica
Gabbia
di
Faraday
Flitro HV
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10
Risultati: sviluppo e costruzione di PrM
Costruzione di un PrM standard
Costruzione di un PrM innovativo
Anodo
Fotocatodo
Griglia
catodica
Principali differenze
 Sostegni in Vespel
Griglia
anodica
 Distanziatori di Vespel
 Sostegni perforati
 Minor numero di
guide di campo
 Numero ridotto di
saldature
Griglia anodica
Anodo
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Griglia
catodica
Fotocatodo
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Assemblaggio apparato sperimentale per la prova del PrM
Procedura di misura
 Pulizia strumenti
(Ultrasuoni, forno a vuoto)
 Assemblaggio PrM e
connessioni HV
Assemblaggio apparato
sperimentale
 Procedura di vuoto (10-4mbar)
 Riempimento con LAr
dewar esterno
 Filtraggio LAr e riempimento
del dewar contenente il PrM
 Misura elettroni estratti
in GAr e in LAr
 Misura vita media elettroni
Drift in LAr
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Risultati: misura della vita media degli elettroni di deriva
Misura della vita media degli elettroni di deriva in LAr
Relazione fra purezza e vita media
te
1

NS
VK
(Numero di
impurezze)
Formula per il calcolo della vita media
Td
te  
ln( R)
con
(mV)
VA (mV)
te (ms)
Td (ms)
E1/E2/E3
(V/cm)
339±20
0±0
0±0
n.m.
50/100/200
474±20
15±2
132±8
38±18
100/200/400
450±20
27±2
97±8
34±10
150/300/600
450±20
35±2
82±8
32± 8
200/400/800
Errore % sulla misura della vita media
QA
R
QK
st

t
sT
2
d
Td
2

1
ln
2
R

s R2
R2
Limiti dei PrM: N° di elettroni estratti, bassa sensibilità per vite medie lunghe (ms)
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2) Misure di ionizzazione al CERN
Ionizzazione del LAr
mediante fascio laser UV
Un sistema alternativo ai PrM è stato realizzato al CERN
Produzione all’interno del
rivelatore di tracce analoghe
a quelle di particelle ionizzanti
PARAMETRI NOTI:
• Posizione
• L’istante di ingresso nella TPC
• Ionizzazione prodotta
Misure dei livelli energetici
dell’Argon liquido
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Vantaggi
• Buona risoluzione spaziale (mm) su derive lunghe (m)
• Misura della velocità di deriva caratterisitica della TPC
• Misura di eventuali distorsioni del campo elettrico
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Analisi dei dati di ionizzazione
Traccia indotta da fascio laser UV
Traccia indotta da m
d-rays
Tracce dovute
all’interferenza fra
DAQ e segnale
di trigger
• Ionizzazione non costante
• Eventi non sempre ripetibili
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• Geometria del sistema in quanto il fascio attraversa la TPC
lungo la diagonale (pochi hit su fili con ID>125)
• Diminuzione di intensità del fascio UV dovuta alla divergenza
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Misura parametri caratteristici delle tracce
Parametri caratteristici del segnale
Segnale in uscita di un filo del piano di Induzione
Mediante un Fit
•
•
•
•
Event ID
Wire ID
Pulse Height
Pulse Width
• Area
• Drift Time
• c2

f (t )  B  A
( t t0 )
e
1 e
t1

( t t0 )
t2
B = baseline - A = Ampiezza
t1=tempo di salita - t2=tempo di discesa
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Risultati analisi dati
Muon Data
Laser Data
<Area>=389
<Area>=122
RMS=127
RMS=74
<Height>=22
<Height>=8
RMS=6
RMS=4
<Width>=15
<Width>=12
RMS=2
RMS=3
OBIETTIVI RAGGIUNTI
• Fattibilità della tecnica di ionizzazione laser UV
• Caratterizzazione preliminare eventi
indotti da fascio laser UV
FENOMENI DA INTERPRETARE
• Ionizzazione non uniforme
• Non ripetibilità degli eventi
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Necessità di un miglioramento
dell’apparato di misura per una
caratterizzazione del fascio laser UV
in ingresso e in uscita dalla TPC e
per lo studio dei livelli energetici
dell’Argon liquido
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3) Apparato sperimentale di Napoli
Miglioramenti set-up
TPC con guide di campo
più fitte (1 ogni cm) per migliorare
uniformità del campo elettrico
Misure di ottimizzazione e
caratterizzazione del fascio laser
(Energia, divergenza,
profilo longitudinale)
Sistema di ottiche immerso in LAr
per l’attraversamento del
fascio laser su tutti i fili
allo stesso istante
Analisi delle caratteristiche
del fascio laser in uscita
con CCD camera
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Foto della TPC
Formula per calcolo campi elettrici TPC
E2 
1 
E1
1 
con

2r
p
r=raggio dei fili (75mm), p=passo fili contigui (3mm)
E1 = 500V/cm
E2 = 750V/cm
E3 = 1125V/cm
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• Schermaggio
griglie = 98%
• Trasparenza = 87%
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Prove di alta tensione
Misure di HV durante la prima immersione criogenica della TPC
V
I
VCC
VCB
VCA
VmA
VmB
VmC
(kV)
(mA)
(kV)
(kV)
(kV)
(kV)
(kV)
(kV)
1,0
3
0,40
0,24
0,14
0,39
0,23
0,13
2,0
7
0,81
0,49
0,28
0,77
0,45
0,26
3,0
11
1,22
0,73
0,42
1,17
0,69
0,40
4,0
13
1,63
0,98
0,56
1,55
0,94
0,53
5,0
17
2,04
1,22
0,70
1,95
1,15
0,67
6,0
20
2,45
1,47
0,84
2,38
1,41
0,81
7,0
24
2,86
1,71
0,98
2,80
1,66
0,96
Nessuna resistenza rotta
Vc (kV) Vc = a + b Vcatode
a=-(0.0294±0.0008) kV
b=0.4019±0.0002
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Prova di HV su piani di fili
Elettrodo
Vapp(V)
Imis(mA)
Ind1
+500
5.0
Ind2
+725
6.6
Anodo
+838
0.1
Catodo
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-14500
51.0
Vcatdodo (kV)
Si è applicata la tensione
di lavoro della TPC,
monitorando la corrente.
NO SCARICHE
NO Saldature
imperfette
20
Calibrazione misuratore livello
Connettori
segnale
di uscita
Sostegno
in Peek
Cavi LEMO
60 cm
Condensatore
cilindrico
La misura è effettuata in base
alla variazione del livello di
Argon liquido che lo riempie
Il segnale di uscita trasportato
all’esterno del dewar mediante un
passante da vuoto è letto con un
multimentro digitale
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Caratterizzazione fascio laser
Prima Configurazione
Misura Energia
4a Armonica Nd-YAG
Seconda Configurazione
Emax = 12 mJ
<E> = 8 mJ
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Prova del sistema di acquisizione elettronico
Rumore di fondo
trascurabile
25 mV
Acquisizione segnali dai
fili con la TPC
immersa in Argon liquido
all’interno del dewar
Impulso di prova
n =15 kHz
Risposta TPC
Invio impulso di prova su 32 fili
1 ms
100 mV
10 ms
13 Ottobre 2004
Non c’e interferenza fra i piani
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Obiettivi raggiunti con l’apparato in sede









Progetto e realizzazione nuovo apparato sperimentale
Prove di vuoto del contenitore criogenico (p<10-5 mbar)
Ottimizzazione della procedura di immissione dell’Argon liquido nel
dewar e filtraggio mediante Oxysorb
Prove termo-meccaniche della TPC prototipo
Prove di HV della TPC
Prove di HV piani di fili
Misura rumore di fondo elettronico
Misura risposta TPC con impulsi di prova
Caratterizzazione fascio laser UV (ottimizzazione e misura energia della
quarta armonica, misure di divergenza)

Allineamento fascio laser UV
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Misure effettuate …dopo la consegna della Tesi…
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