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

Scin/lla/on ¡of ¡liquid ¡neon Photon ¡Detec/on ¡at ¡27 ¡K ¡ ¡ Hugh ¡Lippinco, Fermilab Jin ¡Ping ¡Solar ¡Neutrino ¡Workshop June ¡9, ¡2014 1

Why ¡neon? • 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 T b at 1 atm [K] 4.22 27.1 87.3 119.74 165.0 Melting point T m 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, T b [g / l] 16.6 9.56 5.77 8.89 9.99 Liquid density at 1 atm, T b [g / cm 3 ] 0.12 1.21 1.40 2.41 2.94 Critical temperatre T c [K] 5.25 44.4 150.9 209.4 289.7 Critical pressure p c [atm] 2.23 26.51 48.33 53.56 56.88 Critical density ρ c [g / cm 3 ] 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 2

Why ¡neon? 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 T b at 1 atm [K] 4.22 27.1 87.3 119.74 165.0 Melting point T m 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, T b [g / l] 16.6 9.56 5.77 8.89 9.99 Liquid density at 1 atm, T b [g / cm 3 ] 0.12 1.21 1.40 2.41 2.94 Critical temperatre T c [K] 5.25 44.4 150.9 209.4 289.7 Critical pressure p c [atm] 2.23 26.51 48.33 53.56 56.88 Critical density ρ c [g / cm 3 ] 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 3

Liquid ¡noble ¡gas ¡detectors ¡reminder • 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 electron recoil excitation + ionization nuclear recoil escaping electrons ionization Xe + + e - atomic motion electrons Xe 2* +Xe +Xe Xe * Xe 2+ + e - recombination 2Xe + h ν Xe ** +Xe scintillation light (175 nm) S1 S2 4

History • 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 Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 5

Neon ¡scin/lla/on ¡probably ¡more ¡complicated ¡ than ¡standard ¡picture • 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 From ¡Cohen ¡and ¡Schneider, ¡J. ¡Chem ¡Phys., ¡ 61 , ¡3230 ¡(1970) ¡ 6

MicroCLEAN • 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 Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 7

MicroCLEAN Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 8

MicroCLEAN • Sample ¡scin?lla?on ¡trace ¡in ¡neon ¡(significant ¡slow ¡component) Voltage (V) 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0 10 20 30 40 50 60 Time ( s) µ Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 9

MicroCLEAN 83 Kr m ¡source ¡calibra?on ¡-­‑ ¡some ¡krypton ¡does ¡diffuse ¡into ¡the ¡bulk • 3 10 × Counts/2 keV 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Energy (keV) Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 10

MicroCLEAN • 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 3.8 Light yield (photoelectrons/keV) 3.6 3.4 3.2 3 2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 0 5 10 15 20 25 30 Days since April 16 Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 11

MicroCLEAN • Time ¡dependence ¡is ¡more ¡involved ¡than ¡just ¡2 ¡or ¡3 ¡exponen?ally ¡ decaying ¡species ¡(singlet, ¡triplet, ¡atomic, ¡?) -1 10 Normalized mean voltage 27.4 K average trace 2-component model -2 10 3-component model -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -1 10 1 10 Time ( s) µ Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 12

MicroCLEAN • Time ¡dependence ¡also ¡changes ¡with ¡pressure ¡and ¡temperature Voltage (arb. units) 26.7 K, = 21.5 1.5 s τ ± µ l 27.8 K, = 18.2 0.4 s τ ± µ l 28.8 K, = 12.12 0.05 s τ ± µ l 5 10 4 10 0 10 20 30 40 50 Time ( s) µ Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 13

MicroCLEAN • Both ¡?me ¡constant ¡and ¡rela?ve ¡intensity ¡are ¡affected 22 1 Time constant Mixture model parameters 0.9 [ s] � µ 1 20 0.8 [ns] � 2 0.7 18 I 0.6 1 I 16 0.5 2 I 3 0.4 I 14 4 0.3 0.2 12 0.1 10 0 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 Neon temperature (K) Neon temperature (K) • 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 ¡ ¡ Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 14

MicroCLEAN • Slight ¡increase ¡in ¡signal ¡with ¡temperature 3.5 Photoelectron yield (pe/keV) 3 2.5 2 � 1 � 2 1.5 � 3 � 1 4 � tot 0.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 Neon temperature (K) • Will ¡need ¡to ¡be ¡well ¡understood ¡for ¡a ¡large ¡solar ¡neutrino ¡ detector ¡with ¡non-­‑uniform ¡thermodynamics ¡ Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 15

MicroCLEAN • 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 s) 22 µ Time constant ( 20 18 16 τ 14 l Bubble-mixture model, β = 2 12 26.5 27 27.5 28 28.5 29 Neon temperature (K) Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 16

MicroCLEAN • Response ¡to ¡nuclear ¡recoils ¡and ¡poten?al ¡for ¡pulse ¡shape ¡ discrimina?on ¡(not ¡nearly ¡as ¡good ¡as ¡in ¡liquid ¡argon) ERC 10 26.7 K data Statistical model (fitted parameters) 1 Statistical model (additional noise set to 0) -1 10 -2 10 -3 10 0.5 eff MicroCLEAN result L -4 0.45 10 PicoCLEAN result 0.4 -5 Lindhard+Birks model (SRIM) 10 0.35 Lindhard+Birks model (DM) -6 10 0.3 -7 10 0.25 50 100 150 200 250 300 Energy (keVr) 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Energy (keVr) Jin ¡Ping ¡Workshop, ¡June ¡9-­‑10, ¡2014 17