Scin/lla/on of liquid neon Photon Detec/on at 27 K Hugh - - PowerPoint PPT Presentation

Hugh ¡Lippinco,

Fermilab Jin ¡Ping ¡Solar ¡Neutrino ¡Workshop June ¡9, ¡2014

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Scin/lla/on ¡of ¡liquid ¡neon Photon ¡Detec/on ¡at ¡27 ¡K ¡ ¡

Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014

Why ¡neon?

2

• Scin?llates ¡efficiently ¡(of ¡order ¡20 ¡photons/keV ¡or ¡more)
• No ¡long ¡lived ¡isotopes
• Easily ¡purified ¡of ¡radioac?ve ¡contaminants ¡

– Charcoal ¡extremely ¡effec?ve ¡at ¡liquid ¡neon ¡temperatures ¡ (Harrison ¡et ¡al., ¡NIM ¡A ¡570 ¡(2007) ¡556-­‑560)

• 1.2 ¡g/liter
• Not ¡cheap, ¡although ¡not ¡as ¡expensive ¡as ¡xenon ¡(~few ¡hundred ¡

USD/kg)

• Can ¡detect ¡neutrino-­‑electron ¡and ¡neutrino-­‑nucleus ¡sca\ering

Property He Ne Ar Kr Xe Atomic number (Z) 2 10 18 36 54 Atomic mass (A) 4.0 20.18 39.95 83.80 131.29 Boiling point Tb at 1 atm [K] 4.22 27.1 87.3 119.74 165.0 Melting point Tm at 1 atm [K]

• 24.6

83.8 115.8 161.4 Gas density at 1 atm, 298 K [g/l] 0.16 0.82 1.63 3.43 5.40 Gas density at 1 atm, Tb [g/l] 16.6 9.56 5.77 8.89 9.99 Liquid density at 1 atm, Tb [g/cm3] 0.12 1.21 1.40 2.41 2.94 Critical temperatre Tc [K] 5.25 44.4 150.9 209.4 289.7 Critical pressure pc [atm] 2.23 26.51 48.33 53.56 56.88 Critical density ρc [g/cm3] 0.069 0.483 0.531 0.909 1.155 Liquid dielectric constant 1.05 1.18 1.51 1.66 1.95

Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014

Why ¡neon?

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Property He Ne Ar Kr Xe Atomic number (Z) 2 10 18 36 54 Atomic mass (A) 4.0 20.18 39.95 83.80 131.29 Boiling point Tb at 1 atm [K] 4.22 27.1 87.3 119.74 165.0 Melting point Tm at 1 atm [K]

• 24.6

83.8 115.8 161.4 Gas density at 1 atm, 298 K [g/l] 0.16 0.82 1.63 3.43 5.40 Gas density at 1 atm, Tb [g/l] 16.6 9.56 5.77 8.89 9.99 Liquid density at 1 atm, Tb [g/cm3] 0.12 1.21 1.40 2.41 2.94 Critical temperatre Tc [K] 5.25 44.4 150.9 209.4 289.7 Critical pressure pc [atm] 2.23 26.51 48.33 53.56 56.88 Critical density ρc [g/cm3] 0.069 0.483 0.531 0.909 1.155 Liquid dielectric constant 1.05 1.18 1.51 1.66 1.95

electron recoil nuclear recoil

atomic motion

excitation + ionization Xe* Xe+ + e- +Xe Xe2+ + e- Xe**+Xe Xe2* +Xe 2Xe + hν

scintillation light (175 nm) ionization electrons escaping electrons recombination

S2 S1

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• Radia?on ¡(gamma, ¡electron, ¡neutron, ¡neutrino) ¡collides ¡with ¡electron ¡or ¡nucleus, ¡

deposi?ng ¡energy

• Recoiling ¡electrons ¡or ¡nuclei ¡excite ¡other ¡atoms
• Leads ¡to ¡scin?lla?on ¡via ¡metastable ¡molecules ¡(in ¡two ¡states, ¡singlet ¡and ¡triplet) ¡and ¡

ioniza?on

Liquid ¡noble ¡gas ¡detectors ¡reminder

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History

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• 1970 ¡-­‑ ¡Packard, ¡Surko ¡and ¡Reif ¡measure ¡scin?lla?on ¡spectrum ¡in ¡

solid ¡and ¡liquid ¡neon

• 1979 ¡-­‑ ¡Suemoto ¡and ¡Kanzaki ¡measure ¡absorp?on ¡spectra ¡in ¡

liquid ¡and ¡solid ¡neon, ¡and ¡observe ¡both ¡molecular ¡and ¡atomic ¡ transi?ons – Atomic ¡states ¡have ¡very ¡long ¡radia?ve ¡life?mes ¡(~600 ¡us), ¡but ¡ also ¡have ¡non-­‑radia?ve ¡decays

• 2002 ¡-­‑ ¡Michniak ¡et ¡al. ¡observe ¡7.4 ¡photons/keV ¡for ¡electrons ¡and ¡

a ¡life?me ¡of ¡4 ¡us

• 2008 ¡-­‑ ¡Yale ¡group ¡(James ¡Nikkel) ¡observes ¡15 ¡us ¡life?me, ¡

disagreement ¡a\ributed ¡to ¡purity, ¡first ¡observa?on ¡of ¡pulse ¡ shape ¡discrimina?on ¡(PSD)

• 2009-­‑2010 ¡-­‑ ¡MicroCLEAN ¡measurements ¡at ¡Yale

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• Small ¡hump ¡in ¡molecular ¡

poten?als ¡could ¡lead ¡to ¡ longer ¡lived ¡atomic ¡species

• Free ¡electrons ¡form ¡bubble ¡

states ¡(as ¡in ¡helium) – If ¡molecules ¡do ¡as ¡well ¡(as ¡ in ¡helium), ¡that ¡can ¡ change ¡interac?ons

Neon ¡scin/lla/on ¡probably ¡more ¡complicated ¡ than ¡standard ¡picture

From ¡Cohen ¡and ¡Schneider, ¡J. ¡Chem ¡Phys., ¡ 61, ¡3230 ¡(1970) ¡

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MicroCLEAN

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• 3.14 ¡liter ¡detector
• Op?mize ¡light ¡collec?on
• Two ¡20 ¡cm ¡Hamamatsu ¡

R5912-­‑02MOD ¡PMTs ¡

• Inner ¡surfaces ¡of ¡ac?ve ¡

region ¡are ¡coated ¡with ¡ TPB

• Neon ¡data ¡comes ¡

primarily ¡from ¡2009-­‑2010 ¡ run

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MicroCLEAN

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MicroCLEAN

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• Sample ¡scin?lla?on ¡trace ¡in ¡neon ¡(significant ¡slow ¡component)

s) µ Time ( 10 20 30 40 50 60 Voltage (V) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

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MicroCLEAN

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• 83Krm ¡source ¡calibra?on ¡-­‑ ¡some ¡krypton ¡does ¡diffuse ¡into ¡the ¡bulk

Energy (keV) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Counts/2 keV 0.5 1 1.5 2 2.5 3

3

10 ×

Days since April 16 5 10 15 20 25 30 Light yield (photoelectrons/keV) 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8

• Maximum ¡light ¡yield ¡of ¡(3.5 ¡+/-­‑ ¡0.4) ¡pe/keV ¡(ajer ¡circula?on ¡

through ¡internal ¡charcoal ¡trap ¡that ¡could ¡not ¡be ¡purged) ¡ – Iden?cal ¡detector ¡saw ¡6 ¡pe/keV ¡in ¡argon – Light ¡scavenging ¡impuri?es ¡may ¡be ¡more ¡of ¡an ¡issue ¡than ¡in ¡ argon

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MicroCLEAN

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MicroCLEAN

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• Time ¡dependence ¡is ¡more ¡involved ¡than ¡just ¡2 ¡or ¡3 ¡exponen?ally ¡

decaying ¡species ¡(singlet, ¡triplet, ¡atomic, ¡?)

s) µ Time (

• 1

10 1 10 Normalized mean voltage

• 6

10

• 5

10

• 4

10

• 3

10

• 2

10

• 1

10 27.4 K average trace 2-component model 3-component model

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MicroCLEAN

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• Time ¡dependence ¡also ¡changes ¡with ¡pressure ¡and ¡temperature

s) µ Time ( 10 20 30 40 50 Voltage (arb. units)

4

10

5

10 s µ 1.5 ± = 21.5

l

τ 26.7 K, s µ 0.4 ± = 18.2

l

τ 27.8 K, s µ 0.05 ± = 12.12

l

τ 28.8 K,

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• Both ¡?me ¡constant ¡and ¡rela?ve ¡intensity ¡are ¡affected

Neon temperature (K) 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 Time constant 10 12 14 16 18 20 22 s] µ [

1

• [ns]

2

• Neon temperature (K)

26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 Mixture model parameters 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

1

I

2

I

3

I

4

I

• Results ¡of ¡fimng ¡to ¡a ¡4 ¡component ¡exponen?al ¡model ¡(t1,t2

correspond ¡to ¡the ¡nominal ¡triplet ¡and ¡singlet ¡states)

• Increase ¡in ¡intensity ¡of ¡long ¡lived ¡component ¡matched ¡by ¡a ¡

decrease ¡in ¡the ¡?me ¡constant ¡with ¡increasing ¡temperature ¡ ¡

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• Slight ¡increase ¡in ¡signal ¡with ¡temperature

Neon temperature (K) 27 27.5 28 28.5 29 29.5 Photoelectron yield (pe/keV) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

1

• 2
• 3
• 4
• tot
• Will ¡need ¡to ¡be ¡well ¡understood ¡for ¡a ¡large ¡solar ¡neutrino ¡

detector ¡with ¡non-­‑uniform ¡thermodynamics ¡

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• Temperature/Pressure ¡dependence ¡remains ¡largely ¡unexplored

– Measurements ¡on ¡satura?on ¡line ¡(T ¡and ¡p ¡went ¡together) – No ¡electric ¡field – Might ¡have ¡something ¡to ¡do ¡with ¡bubble ¡states

Neon temperature (K) 26.5 27 27.5 28 28.5 29 s) µ Time constant ( 12 14 16 18 20 22

l

τ = 2 β Bubble-mixture model,

Energy (keVr) 50 100 150 200 250 300 ERC

• 7

10

• 6

10

• 5

10

• 4

10

• 3

10

• 2

10

• 1

10 1 10 26.7 K data Statistical model (fitted parameters) Statistical model (additional noise set to 0)

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MicroCLEAN

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• Response ¡to ¡nuclear ¡recoils ¡and ¡poten?al ¡for ¡pulse ¡shape ¡

discrimina?on ¡(not ¡nearly ¡as ¡good ¡as ¡in ¡liquid ¡argon)

Energy (keVr) 50 100 150 200 250 300 350 400 450

eff

L 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 MicroCLEAN result PicoCLEAN result Lindhard+Birks model (SRIM) Lindhard+Birks model (DM)

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PMT ¡considera/ons

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• All ¡studies ¡done ¡with ¡Hamamatsu ¡R5912-­‑02MOD ¡with ¡the ¡

pla?num ¡underlay ¡to ¡allow ¡use ¡at ¡cryogenic ¡temperatures ¡and ¡ two ¡extra ¡dynode ¡stages

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PMT ¡considera/ons

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• Gain ¡drops ¡by ¡factor ¡of ¡100 ¡at ¡liquid ¡neon ¡temperatures ¡

50 100 150 200 250 300

Temperature (K)

10

7

10

8

10

9

Gain

5.8 V LED pulses 6.2 V LED pulses

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PMT ¡considera/ons

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• Dark ¡current ¡increases ¡at ¡lowest ¡temperatures

– Also ¡observed ¡by ¡Hans-­‑O\o ¡Meyer ¡at ¡Indiana ¡for ¡Hamamatsu ¡ R7725 ¡down ¡to ¡4 ¡K ¡

50 100 150 200 250 300

Temperature (K)

500 1000 1500 2000

Counts per second

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PMT ¡considera/ons

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• While ¡single ¡PE ¡pulses ¡can ¡s?ll ¡be ¡iden?fied ¡in ¡the ¡traces, ¡the ¡SPE ¡

distribu?on ¡loses ¡coherence – At ¡neon ¡temperatures, ¡we ¡could ¡not ¡resolve ¡the ¡SPE ¡response ¡ for ¡one ¡of ¡our ¡2 ¡PMTs – Tried ¡tuning ¡first ¡dynode ¡voltage ¡with ¡limited ¡improvement

Pulse area (pC)

• 5

5 10 15 20 10

2

10

3

10

4

10

5

10 Pulse area (pC)

• 5

5 10 15 20 10

2

10

3

10

4

10

5

10

Terrible ¡SPE dispersion