Searching for Dark Ma0er with MiniCLEAN Chris Benson - - PowerPoint PPT Presentation

Searching ¡for ¡Dark ¡Ma0er ¡with ¡ MiniCLEAN ¡ ¡

Chris ¡Benson ¡ PHYS ¡290E ¡ Wednesday, ¡18 ¡November ¡2015 ¡ UC ¡Berkeley ¡ ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 1 ¡

Outline ¡

• Dark ¡Ma0er ¡MoOvaOon ¡
• MiniCLEAN ¡Concept ¡

– Design ¡ – Pulse ¡Shape ¡DiscriminaOon ¡ – Background ¡quanOficaOon ¡ ¡

• MiniCLEAN ¡Status ¡

– Commissioning ¡Status ¡ – Science ¡Plan ¡

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Dark ¡Ma0er ¡MoOvaOon ¡

Bullet ¡Cluster ¡

NASA/CXC/CfA/M.Markevitch ¡et ¡al. ¡

• Strong ¡moOvaOon ¡for ¡a ¡

parOcle ¡form ¡of ¡dark ¡ma0er ¡ ¡

– GalacOc ¡rotaOon ¡curves ¡ – Bullet ¡cluster ¡ – GravitaOonal ¡lensing ¡

• WIMP ¡

– Weakly ¡InteracOng ¡Massive ¡ ParOcle ¡ ¡ – A ¡potenOal ¡parOcle ¡of ¡dark ¡ ma0er ¡well ¡moOvated ¡by ¡ SUSY ¡is ¡the ¡lightest ¡ supersymmetric ¡parOcle ¡ (LSP) ¡

• A ¡subset ¡of ¡searches, ¡direct ¡

detecOon, ¡look ¡for ¡nuclear ¡ recoils ¡in ¡a ¡target ¡medium ¡

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h0ps://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy ¡

The ¡CLEAN ¡Philosophy ¡

• Cryogenic ¡Low-­‑Energy ¡Astrophysics ¡with ¡Noble ¡Liquids ¡

¡

• Simple ¡and ¡Scalable ¡Design ¡ ¡

– Single ¡phase, ¡zero ¡E&B ¡field ¡ – 4π ¡coverage ¡in ¡a ¡spherical ¡geometry ¡with ¡PMTs ¡to ¡maximize ¡light ¡collecOon. ¡ ¡

• Low ¡Background ¡

– Pulse ¡Shape ¡DiscriminaOon ¡(PSD) ¡ – Self ¡shielding ¡via ¡fiducializaOon ¡ ¡

• Target ¡Exchange ¡

– Liquid ¡Argon ¡and ¡Liquid ¡Neon ¡ – Intrinsic ¡background ¡removal, ¡dark ¡ma0er ¡nuclei ¡sca0ering ¡dependence, ¡p-­‑p ¡ solar ¡neutrinos ¡with ¡neon ¡ ¡

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MiniCLEAN ¡Design ¡

• Fiducial ¡Volume ¡
• 150 ¡kg ¡of ¡liquid ¡Argon ¡ ¡

¡

• Target ¡Volume ¡ ¡
• 500 ¡kg ¡of ¡liquid ¡Argon ¡

¡

• TPB ¡Wavelength ¡Shider ¡Boundary ¡
• Shids ¡UV ¡scinOllaOon ¡light ¡to ¡visible ¡

¡

• OpOcal ¡modules ¡containing: ¡
• An ¡acrylic ¡plug ¡a0ached ¡to ¡a ¡light ¡

guide ¡and ¡coupled ¡to ¡PMTs. ¡

• 92 ¡total ¡PMTs ¡

¡

• Outer ¡Vessel ¡(OV) ¡cryostat ¡at ¡vacuum ¡for ¡

thermal ¡insulaOon. ¡ ¡

• Water ¡shielding ¡to ¡a0enuate ¡external ¡

neutron ¡background. ¡ ¡

• Located ¡at ¡SNOLAB, ¡Sudbury ¡Canada ¡to ¡

a0enuate ¡muon ¡induced ¡events. ¡ Cartoon ¡representaOon ¡of ¡the ¡MiniCLEAN ¡experiment ¡

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MiniCLEAN ¡Design ¡ConOnued ¡

6 ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡

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Pulse ¡Shape ¡DiscriminaOon ¡

• Energy ¡deposited ¡by ¡electron ¡or ¡nuclear ¡recoil ¡excited ¡and ¡ionizes ¡
• molecules. ¡
• These ¡molecules ¡combine ¡with ¡unexcited ¡and ¡unionized ¡molecules, ¡

forming ¡dimer ¡pairs. ¡

• Dimer ¡pairs ¡decay ¡by ¡emigng ¡photons ¡with ¡characterisOc ¡lifeOmes ¡
• Nuclear ¡recoils ¡– ¡mostly ¡prompt ¡light ¡(Argon ¡– ¡6ns, ¡Neon ¡2.2 ¡ns) ¡
• Electron ¡recoils ¡– ¡mostly ¡late ¡light ¡(Argon ¡– ¡1.59 ¡μs, ¡Neon ¡– ¡15 ¡μs) ¡ ¡

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PSD ¡references: ¡ McKinsey ¡& ¡Coakley, ¡Astropart. ¡Phys. ¡22, ¡355 ¡(2005) ¡ Boulay ¡and ¡Hime, ¡Astropart. ¡Phys. ¡25, ¡179 ¡(2006) ¡ LippincoH ¡et ¡al., ¡Phys.Rev.C ¡78: ¡035801 ¡(2008) ¡

Pulse ¡Shape ¡DiscriminaOon ¡

DEAP-­‑1 ¡arXiv:0904.2930 ¡ MicroCLEAN ¡Phys. ¡Rev. ¡C78, ¡035801 ¡(2008) ¡

• Use ¡fracOon ¡of ¡prompt ¡light ¡in ¡signal ¡to ¡discriminate ¡nuclear ¡and ¡electron ¡
• recoils. ¡(Astropart ¡Phys. ¡25, ¡179 ¡(2006)) ¡
• Using ¡results ¡from ¡DEAP-­‑1 ¡in ¡Argon, ¡expect ¡3x10-­‑8 ¡rejecOon ¡of ¡electronic ¡

recoil ¡events. ¡

• Predict ¡an ¡enhancement ¡to ¡~10-­‑10 ¡rejecOon ¡in ¡MiniCLEAN ¡through ¡use ¡of ¡

Bayesian ¡separaOon ¡techniques. ¡(Astropart. ¡Phys. ¡65, ¡40 ¡(2015)) ¡

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RAT ¡-­‑ ¡A ¡Monte ¡Carlo ¡SimulaOon ¡ Package ¡

• RAT ¡is ¡a ¡Geant4 ¡based ¡Monte ¡Carlo ¡

simulaOon ¡package ¡ ¡

• Detailed ¡microphysical ¡model ¡

– Detector ¡geometry ¡and ¡materials. ¡ – Argon ¡scinOllaOon ¡and ¡TPB ¡reemission. ¡ – Internal ¡and ¡external ¡backgrounds ¡ – Data ¡acquisiOon ¡chain ¡ ¡

• Read ¡in ¡Data ¡for ¡reconstrucOon ¡

– Processors ¡built ¡and ¡tested ¡with ¡Monte ¡ Carlo ¡are ¡directly ¡applied ¡to ¡data. ¡ ¡ – Analysis ¡chain ¡almost ¡ready ¡for ¡data ¡

• processing. ¡
• Parameters ¡are ¡database ¡controlled. ¡

¡

• Allows ¡for ¡modular ¡simulaOon ¡and ¡
• analysis. ¡

A ¡rendering ¡of ¡the ¡MiniCLEAN ¡detector ¡geometry ¡in ¡RAT ¡

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Backgrounds ¡in ¡MiniCLEAN ¡

MiniCLEAN ¡located ¡at ¡SNOLAB, ¡ the ¡world’s ¡2nd ¡deepest ¡lab. ¡We ¡ expect ¡very ¡low ¡muon ¡induced ¡

• backgrounds. ¡ ¡

www.snolab.ca ¡

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39Ar ¡– ¡Background ¡and ¡Spike ¡

• Natural ¡Argon ¡contains ¡a ¡

sizeable ¡component ¡of ¡39Ar. ¡ ¡

• 39Ar ¡becomes ¡a ¡substanOal ¡

background ¡if ¡unable ¡to ¡reject. ¡

• A ¡major ¡objecOve ¡of ¡MiniCLEAN ¡

is ¡to ¡demonstrate ¡the ¡efficacy ¡of ¡ PSD ¡to ¡reject ¡large ¡quanOOes ¡of ¡

39Ar ¡at ¡levels ¡consistent ¡witha ¡

mulO-­‑ton ¡equivalent ¡detector. ¡

• To ¡demonstrate ¡scalability ¡of ¡

PSD, ¡we ¡will ¡spike ¡MiniCLEAN ¡ with ¡39Ar. ¡ ¡

h0p://web.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/images/argon.gif ¡

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Neutron ¡Backgrounds ¡

• Ader ¡cuts ¡and ¡PSD, ¡neutrons ¡from ¡

decays ¡in ¡the ¡PMTs ¡are ¡dominant ¡

• background. ¡
• InvesOgaOng ¡methods ¡to ¡reject ¡mulOple ¡

sca0er ¡neutrons. ¡

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MiniCLEAN ¡Concept: ¡Signal ¡VerificaOon ¡

14 ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡

MiniCLEAN ¡ConstrucOon ¡

• Inner ¡vessel ¡completed ¡

summer ¡2014 ¡ ¡

• Warm ¡gas ¡PMT ¡tests ¡were ¡

successful ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 15 ¡

Moving ¡Inner ¡Vessel ¡For ¡Final ¡InstallaOon ¡– ¡Nov ¡2014 ¡

With ¡IV ¡completed ¡and ¡infrastructure ¡ in ¡the ¡Cube ¡Hall ¡in ¡place, ¡moved ¡the ¡ IV ¡down ¡the ¡hall. ¡ ¡ Figng ¡through ¡the ¡doors ¡was ¡a ¡li0le ¡ tricky… ¡

16 ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡

Detector ¡ConstrucOon: ¡Inner ¡Vessel ¡into ¡Outer ¡Vessel ¡

CriOcal ¡lid ¡of ¡IV ¡into ¡OV. ¡ ¡ SNOLAB ¡installaOon ¡group ¡did ¡a ¡great ¡job, ¡and ¡ everything ¡went ¡smoothly. ¡ ¡ Ader ¡the ¡lid, ¡took ¡vacuum ¡data ¡to ¡verify ¡PMTs ¡ were ¡all ¡sOll ¡working. ¡Everything ¡looked ¡great! ¡

17 ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡

Deck ¡Layout ¡and ¡InstallaOon ¡

18 ¡

MiniCLEAN ¡OV ¡in ¡ Water ¡Tank ¡ DEAP-­‑3600 ¡ I ¡had ¡fun ¡designing ¡the ¡MiniCLEAN ¡deck ¡ layout ¡summer ¡2014. ¡

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11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 19 ¡

Gas ¡PurificaOon ¡and ¡Data ¡AcquisiOon ¡System ¡

• Argon ¡scinOllaOon ¡light ¡is ¡very ¡

sensiOve ¡to ¡quenching ¡by ¡

• impuriOes. ¡ ¡
• Boil-­‑off ¡Argon ¡gas ¡is ¡feed ¡into ¡

purificaOon ¡system ¡where ¡it ¡is ¡ purified ¡using ¡a ¡SAES ¡Ge0er ¡and ¡ Charcoal ¡trap. ¡ ¡

• Gas ¡purity ¡check ¡with ¡RGA. ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 20 ¡

Detector ¡CalibraOon ¡

39Ar ¡decay ¡energy ¡spectrum ¡

Angular ¡DistribuOon ¡of ¡UV ¡LEDs ¡ Neutron ¡CalibraOon ¡– ¡Simulated ¡AmBe ¡source ¡ energy ¡spectrum ¡

• 39Ar ¡Energy ¡Spectrum ¡– ¡Distributed ¡

uniformly ¡throughout ¡detector ¡

• Calibrate ¡electronic ¡recoils ¡

¡

• Neutron ¡source ¡to ¡calibrate ¡response ¡

to ¡nuclear ¡recoils. ¡ ¡

• UV ¡LED ¡for ¡PMT ¡response ¡calibraOon ¡
• 6x ¡at ¡265 ¡nm, ¡6x ¡at ¡465 ¡nm ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 21 ¡

Projected ¡Schedule ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 22 ¡

Science ¡Plan ¡

• Dark ¡Ma=er ¡Search ¡

– Should ¡be ¡world’s ¡leading ¡Argon ¡experiment. ¡ ¡

• 39Ar ¡Spike ¡

– Test ¡pulse ¡shape ¡discriminaOon ¡at ¡level ¡required ¡for ¡ GeneraOon ¡3 ¡detector. ¡ – Inform ¡DEAP-­‑3600 ¡in ¡case ¡of ¡signal ¡observaOon. ¡ ¡

• Liquid ¡Neon ¡Run ¡

– Demonstrate ¡efficacy ¡of ¡target ¡exchange ¡capability ¡for ¡ GeneraOon ¡3 ¡dark ¡ma0er ¡detector. ¡ – Prototype ¡for ¡precision ¡pp-­‑Solar ¡neutrino ¡measurement. ¡

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QuesOons? ¡ ¡ ¡ ¡

Thank ¡you ¡for ¡your ¡a0enOon! ¡

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Backup ¡Slides ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 25 ¡

ReducOon ¡of ¡Light ¡Yield ¡with ¡ Increasing ¡Field ¡

High ¡electric ¡fields ¡used ¡in ¡TPC ¡can ¡degrade ¡light ¡yield. ¡0 ¡V/cm ¡maximizes ¡ Argon ¡scinOllaOon ¡light ¡

• H. ¡Cao, ¡et ¡al., ¡Phys. ¡Rev. ¡D ¡91, ¡(2015) ¡092007 ¡

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Tetraphenyl ¡Butadine ¡(TPB) ¡

• A ¡commonly ¡used ¡wavelength ¡

shider ¡in ¡neutrino ¡and ¡dark ¡ ma0er ¡physics ¡experiments. ¡

• Absorbs ¡UV ¡light ¡and ¡reemits ¡in ¡

the ¡visible ¡spectrum. ¡ ¡

• Useful ¡for ¡converOng ¡UV ¡

scinOllaOon ¡light ¡to ¡visible ¡light ¡ for ¡detecOon ¡with ¡ photomulOplier ¡tubes ¡(PMT). ¡ ¡ ¡

• A ¡few ¡collaboraOons ¡using ¡TPB: ¡

– MiniCLEAN ¡ – DEAP ¡3600 ¡ – DarkSide ¡ – DUNE ¡

A ¡fluorescing ¡MiniCLEAN ¡light ¡guide ¡ Gehman ¡et ¡al., ¡arXiv:1104.3259 ¡ MiniCLEAN ¡Dark ¡Ma0er ¡Detector ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 27 ¡

Previous ¡Efficiency ¡Measurements ¡ ¡

• Several ¡measurements ¡of ¡re-­‑

emission ¡ ¡and ¡relaOve ¡ efficiency ¡at ¡a ¡select ¡number ¡ wavelengths ¡[2],[3],[4]. ¡ ¡

– Somewhat ¡inconsistent. ¡

• 2011 ¡re-­‑emission ¡and ¡

absolute ¡efficiency ¡ measurements ¡performed ¡by ¡ ¡

• V. ¡Gehman ¡et ¡al. ¡[1]. ¡ ¡
• Interested ¡in ¡extending ¡

Gehman’s ¡measurement ¡ down ¡to ¡50 ¡nm. ¡

– Understand ¡re-­‑emission ¡ spectrum ¡and ¡efficiency ¡for ¡ Helium ¡and ¡Neon ¡

Does ¡this ¡upward ¡trend ¡conOnue? ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 28 ¡

Gehman ¡et ¡al., ¡arXiv:1104.3259 ¡ Gehman ¡et ¡al., ¡arXiv:1104.3259 ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡TPB ¡Sample ¡FabricaOon ¡

• Granted ¡access ¡to ¡an ¡organics ¡evaporator ¡at ¡LBL’s ¡

molecular ¡foundry. ¡ ¡

• Fabricated ¡several ¡1 ¡um ¡thick ¡TPB ¡films ¡via ¡

evaporaOve ¡deposiOon. ¡ ¡

• Measured ¡film ¡thickness ¡using ¡profilometer. ¡
• 100 ¡nm ¡thickness ¡resoluOon. ¡ ¡
• Evaporator ¡unit ¡enclosed ¡in ¡glove ¡box ¡to ¡maintain ¡
• cleanliness. ¡ ¡

Tungsten ¡evaporator ¡ boat ¡with ¡TPB ¡ ¡ Sample ¡plate ¡spins ¡slowly ¡during ¡deposiOon ¡to ¡allow ¡ for ¡uniform ¡TPB ¡deposiOon. ¡

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Experimental ¡Apparatus ¡

Key ¡Points: ¡

• Wide ¡spectrum ¡UV ¡and ¡visible ¡light ¡emi0ed ¡by ¡lamp ¡

and ¡focused ¡onto ¡diffracOon ¡graOng. ¡

• Select ¡UV ¡wavelength ¡with ¡diffracOng ¡graOng ¡and ¡

expose ¡samples. ¡

• Collect ¡remi0ed ¡photons ¡from ¡WLS. ¡ ¡

Entrance ¡Slit ¡ Exit ¡Slit ¡ DiffracOon ¡GraOng ¡ Sample ¡Wheel ¡ NIST ¡Calibrated ¡photodiode ¡or ¡ spectrometer ¡ Vacuum ¡

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TPB ¡sample ¡ ¡

Photodiode ¡and ¡Spectrometer ¡

TPB ¡Re-­‑emission ¡window ¡ VUV ¡Window ¡ UV ¡Photodiode ¡ Opto ¡Diode ¡-­‑ ¡AXUV ¡100G ¡ ¡ 1 ¡cm ¡x ¡1 ¡cm ¡acOve ¡area ¡

• UV ¡photodiode ¡to ¡measure ¡amount ¡of ¡

light ¡incident ¡on ¡sample ¡and ¡amount ¡of ¡ re-­‑emission ¡light. ¡ ¡

• Spectrometer ¡to ¡measure ¡re-­‑emission ¡

spectrum ¡of ¡light. ¡

Spectrometer ¡ Ocean ¡OpOcs ¡-­‑ ¡QE65000 ¡ Range ¡= ¡200 ¡to ¡1000 ¡nm ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 31 ¡

Driding ¡Photodiode ¡CalibraOon ¡

We ¡have ¡purchased ¡new ¡photodiode ¡and ¡are ¡having ¡it ¡calibrated ¡at ¡NIST. ¡ Efficiency ¡measurements ¡possible ¡once ¡calibraJon ¡photodiode ¡is ¡received. ¡ ¡ ¡

TPB ¡Re-­‑emission ¡ ¡ EUV ¡Region ¡of ¡Interest ¡ Previous ¡Measurement ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 32 ¡

CalculaOng ¡Total ¡Wavelength ¡Shiding ¡Efficiency ¡

Dark ¡subtracted ¡intensity ¡of ¡ incident ¡EUV ¡light. ¡ Dark ¡subtracted ¡intensity ¡of ¡TPB ¡ re-­‑emission ¡light. ¡ Photodiode ¡responsivity ¡conversion ¡from ¡current ¡ to ¡photon ¡number ¡for ¡incident ¡EUV ¡light. ¡ Photodiode ¡responsivity ¡conversion ¡from ¡current ¡to ¡ photon ¡number ¡for ¡incident ¡re-­‑emi0ed ¡TPB ¡light. ¡ Geometric ¡efficiency ¡factor ¡(next ¡slide) ¡

¡= ¡ ¡ ¡Gaussian ¡wavelength ¡distribuOon ¡from ¡monochromator ¡ = ¡ ¡ ¡Photodiode ¡responsivity ¡(calibraOon) ¡ = ¡ ¡ ¡Re-­‑emission ¡spectrum ¡of ¡the ¡TPB ¡ ¡

Total ¡wavelength ¡ shiding ¡efficiency ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 33 ¡

Determining ¡Geometric ¡Factor ¡

Experimental ¡setup ¡downstream ¡of ¡diffracOon ¡graOng ¡modeled ¡ ¡in ¡MiniCLEAN ¡RAT. ¡ Acrylic ¡substrate ¡ TPB ¡thin ¡film ¡ Photodiode ¡ Subset ¡of ¡re-­‑emi0ed ¡photons ¡in ¡RAT ¡simulaOon ¡ that ¡are ¡detected ¡by ¡photodiode ¡

Geometric ¡factor ¡is ¡defined ¡as ¡raJo ¡of ¡reemi=ed ¡photos ¡ reaching ¡photodiode ¡to ¡UV ¡photons ¡reaching ¡photodiode ¡ without ¡a ¡sample ¡in ¡the ¡beam. ¡ ¡ ¡

• Dependent: ¡ ¡
• Experimental ¡apparatus ¡ ¡
• Re-­‑emission ¡spectrum ¡of ¡TPB ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 34 ¡

Current ¡Results: ¡EUV ¡Remission ¡Spectrum ¡ ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 35 ¡

Future ¡Work ¡and ¡Summary ¡

Future ¡Studies ¡

– InvesOgate ¡WLS ¡efficiency ¡dependence ¡on ¡TPB ¡thickness. ¡ ¡ – Measure ¡wavelength ¡shiding ¡efficiency ¡of ¡other ¡WLS ¡(PPO). ¡ – Measure ¡angular ¡dependence ¡of ¡re-­‑emission ¡light. ¡ ¡ ¡

Summary ¡

• We ¡are ¡extending ¡TPB ¡re-­‑emission ¡spectrum ¡and ¡efficiency ¡

measurements ¡to ¡the ¡Extreme ¡Ultraviolet ¡(EUV) ¡regime. ¡

• Measured ¡re-­‑emission ¡spectrum ¡of ¡a ¡TPB ¡thin ¡films ¡for ¡45 ¡nm ¡

incident ¡light. ¡Consistent ¡with ¡previous ¡measurements ¡at ¡higher ¡

• wavelengths. ¡ ¡
• We ¡can ¡immediately ¡measure ¡total ¡efficiency ¡once ¡we ¡receive ¡our ¡

calibrated ¡photodiode ¡from ¡NIST. ¡Can ¡rapidly ¡fabricate ¡and ¡test ¡

• samples. ¡ ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 36 ¡

All ¡Curves ¡use ¡2008 ¡ calibraOon ¡data ¡

11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 37 ¡