Le détecteur BiPo pour la mesure de la radio-pureté des sources ββ de SuperNEMO Jérémy ARGYRIADES, LAL Orsay

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 2 Sommaire 1.Qu’est-ce que l’impureté radioactive BiPo? Quel rôle dans l’expérience SuperNEMO? 2.Technique de détection 3.Description du programme de R&D 4.Prototype BiPo I : cubes de scintillateur 5.Prototype BiPo II : plaques de scintillateur 1.Qu’est-ce que l’impureté radioactive BiPo? Quel rôle dans l’expérience SuperNEMO? 2.Technique de détection 3.Description du programme de R&D 4.Prototype BiPo I : cubes de scintillateur 5.Prototype BiPo II : plaques de scintillateur /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 3 Design planaire et modulaire: ~ 100 kg d’isotopes enrichis (20 modules  5 kg) 4 m Design envisagé de SuperNEMO 1 module: Source (40 mg/cm 2 ) 4 x 3 m 2 Tracking : chambre à dérive : ~3000 cellules en mode Geiger Calorimètre: scintillateurs + PMTs ~1 000 PMTs si blocs scintillants ~ 100 PMTs si barres scintillantes 1 module: Source (40 mg/cm 2 ) 4 x 3 m 2 Tracking : chambre à dérive : ~3000 cellules en mode Geiger Calorimètre: scintillateurs + PMTs ~1 000 PMTs si blocs scintillants ~ 100 PMTs si barres scintillantes /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 4 Q  = 5 MeV +  2,6 MeV Radioactivité naturelle : l’ennemi de la recherche de 2 β0ν Q  = 3,2 MeV RadonThoron /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 5 10 Energie (MeV) 0 ~ Q  neutrons Neutrons (~10 -6 n/cm 2 /s) -> (n,  ) Rayons cosmiques Rayons cosmiques(LSM : 4  /m 2 /jour )  bremstrahlung, n, cosmogéniques 208 Tl et 214 Bi Radioactivité naturelle 208 Tl (Q  =5 MeV) et 214 Bi (Q  =3,2 MeV) Radioactivité naturelle  source e- e+ e-   Origines du bruit de fond /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 6 Pourquoi S uperNEMO a besoin d’un détecteur de radio-pureté ultra sensible? But de BiPo : mesure précise du 208 Tl (via 212 Bi) sur les feuilles sources avant leur installation dans les modules de Super NEMO Sensibilité requise : 2 µBq/kg par mois  0.2 µBq/m 2 Technique : scintillateur plastique pour rechercher la désintégration Bi --> Po But de BiPo : mesure précise du 208 Tl (via 212 Bi) sur les feuilles sources avant leur installation dans les modules de Super NEMO Sensibilité requise : 2 µBq/kg par mois  0.2 µBq/m 2 Technique : scintillateur plastique pour rechercher la désintégration Bi --> Po /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 7 La désintégration BiPo 212 Bi du Thorium se désintègre 1/3 en 208 Tl, 2/3 en 212 Po Le détecteur BiPo mesure l’e - du 212 Bi --> 212 Po, et après ~300ns l’α du 212 Po --> 208 Pb La R&D de production des sources ββ en a besoin pour tester les performances de la purification. /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 8 Technique de détection e α E seuil (e - ) = 100 keV + E seuil (α) = 1 MeV + réjection rétro-diffusé > 40 keV  Efficacité de détection of 7,5% (G4 MC) Sources de bruit de fond :  Coïncidence fortuite  Contamination de surface (jusqu’à 100µm) /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 9 Sélection supplémentaire contre la contamination de surface e  rapide, T 0  retardé, T 1/2 ~ 300 ns e - du 212 Bi: ~ 50 keV dans 100 µm de scintillateur Bruit de fond important : contamination de surface Sélection : aucun e - dont l’énergie > 50 keV dans le scintillateur de l’α efficacité  à 6% MAIS bruit de fond  15 ! Facteur de mérite : Signal/√(BDF)  by 300 % !  Sélection : aucun e - dont l’énergie > 50 keV dans le scintillateur de l’α efficacité  à 6% MAIS bruit de fond  15 ! Facteur de mérite : Signal/√(BDF)  by 300 % !  /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 10 Programme de R&D 2 prototypes différents sont étudiés : –25 blocs de scintillateur/m 2, 1 PMT 5”/bloc –1 plaque de scintillateur/m 2, ~30 PMTs 2”/plaque 2 prototypes différents sont étudiés : –25 blocs de scintillateur/m 2, 1 PMT 5”/bloc –1 plaque de scintillateur/m 2, ~30 PMTs 2”/plaque R&D supplémentaire : fibre scintillante ultra-fine pour la séparation e - /α Electronique commune : acquisition par carte MATACQ (12 bits, 0-1V, 2,5µs, 2GHz/s) Test bas bruit de fond au LSC, Canfranc, Espagne (2500 m.w.e.) /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL x x 1450 Le blindage de Canfranc Blindage de test : externe: 2,3 m x 2,3 m x 2 m interne: 1,45 m x 1.45 m x 1,05 m 25 capsules BiPo I peuvent être installées durant la Phase I BiPo II multi-couche rentre dans le blindage /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 12 PM 5” Description du prototype BiPo I Blocs de scintillateur : 20 x 20 x 1 cm Equipements NEMO-3 (PMTs 5” radiopure, scintillateur radiopure, etc…) Première capsule installée à Canfranc à la fin de l’année 2006 avec de l’Al ultrapure Actuellement, DAQ avec un oscilloscope Lecroy guide optique PMMA  CAPSULE BiPo I /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 13 Mesure du facteur de quenching Source α d’ 241 Am, pic à 5,6 MeV Lumière dans le scintillateur détecté par un PMT Feuilles successives de mylar pour diminuer l’énergie de l’α /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 14 Mesure du facteur de 1 MeV QF = ~25 Seuil de 40 keV pour e - = seuil de ~1MeV pour α /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 15 Surface d’une capsule : S = 400 cm 2 Efficacité : ε = 36% car : 50% : e - et α sont dos à dos  90% : temps de retard jusqu’à 1 µs (= 3.3 T 1/2 ( 212 Po))  80% : évenement rejeté si e - rétro-diffusé  Sensibilité : A( 212 Bi  212 Po) < N exclus / (ε  S  T obs ) Principe de calcul de la sensibilité BiPo PM 5” e α Si l’on observe pendant T obs N évenements, on peut calculer la sensibilité comme suit : /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 16 1 er résultat de sensibilité des capsules BiPo I 1 capsule seule : 10,1 jours de mesure –0 évenement BiPo “en temps” (<1µs) –1 évenement BiPo “aléatoire” (>1µs) compatible avec 0,32 coïncidences attendues  Limite : A( 212 Bi  212 Po) < 65 µBq/m 2 ( A( 208 Tl) < 32,5 µBq/m 2 ) 2 capsules : 11.3 days –0 BiPo “in time” events –0 BiPo “random” events for 1 expected coincidence  A( 212 Bi  212 Po) < 29 µBq/m 2 ( A( 208 Tl) < 14.5 µBq/m 2 ) 1 capsule seule : 10,1 jours de mesure –0 évenement BiPo “en temps” (<1µs) –1 évenement BiPo “aléatoire” (>1µs) compatible avec 0,32 coïncidences attendues  Limite : A( 212 Bi  212 Po) < 65 µBq/m 2 ( A( 208 Tl) < 32,5 µBq/m 2 ) 2 capsules : 11.3 days –0 BiPo “in time” events –0 BiPo “random” events for 1 expected coincidence  A( 212 Bi  212 Po) < 29 µBq/m 2 ( A( 208 Tl) < 14.5 µBq/m 2 ) /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 17 Description du prototype BiPo II Plaque scintillante 75  75 cm 2 ou plus large Lecture par ~20 PMTs sur 2 côtés Guides optiques pour transférer la lumière du scintillateur aux PMTs Problématiques de la R&D : –Combien de PMTs? 2’’ or 3’’ ? –Forme optimale des guides optiques ? –Seuil en énergie pour α au milieu d’une plaque? Plaque scintillante 75  75 cm 2 ou plus large Lecture par ~20 PMTs sur 2 côtés Guides optiques pour transférer la lumière du scintillateur aux PMTs Problématiques de la R&D : –Combien de PMTs? 2’’ or 3’’ ? –Forme optimale des guides optiques ? –Seuil en énergie pour α au milieu d’une plaque? /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 18 Dispositif expérimental à Orsay Un support mécanique bien pensé a été conçu : –Support d’une plaque de scintillateur de 20x20 cm 2 –Fixation des PMTs Un support mécanique bien pensé a été conçu : –Support d’une plaque de scintillateur de 20x20 cm 2 –Fixation des PMTs /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 19 Reconstrution de la position 4 PMTs lisent la plaque 20  20 cm 2 Une source α d’ 241 Am est placée chaque 5cm sur la plaque Nous avons besoin de reconstruire la position de la source à partir des mesures de charges 4 PMTs lisent la plaque 20  20 cm 2 Une source α d’ 241 Am est placée chaque 5cm sur la plaque Nous avons besoin de reconstruire la position de la source à partir des mesures de charges X Y /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 20 Logiciel de Réseau de Neurones Echantillon d’apprentissage de ~100 évenements pour chaque position Réseau de Neurones MLP  MultiLayer Perceptron = le processus de pondération du réseau commence aux sorties attendues (X and Y position) et régresse jusqu’aux entrées (les charges des 4 PMTs) L’echantillon de test (différent de celui d’apprentissage) est reconstruit. Estimation de la résolution en position par ΔX = X reconstructed - X true et ΔY Echantillon d’apprentissage de ~100 évenements pour chaque position Réseau de Neurones MLP  MultiLayer Perceptron = le processus de pondération du réseau commence aux sorties attendues (X and Y position) et régresse jusqu’aux entrées (les charges des 4 PMTs) L’echantillon de test (différent de celui d’apprentissage) est reconstruit. Estimation de la résolution en position par ΔX = X reconstructed - X true et ΔY ΔXΔXΔYΔY Résolution en position meilleure que 2 cm /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 21 Solutions techniques Décembre 2006 : support de source pour son déplacement “magnétique” précision de 5mm Janvier 2007 : grande boîte noire  plaque de 50cm x 50 cm Black box source magnet /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 22 Planning 20 capsules BiPo I testées à Canfranc en 2007 Eté 2007 : plaques de scintillateur 50  50 cm 2 and 75  75 cm 2 de BiPo II testées Fin de l’année 2007 : 1 er prototype BiPo II à 2 couches installé à Canfranc pour des mesures de sensibilité en basse radioactivité /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 23 Conclusion Programme de R&D intense pour le détecteur BiPo. Les 1 ères questions importantes seront résolues cette année (BiPo I ou II ? Taille des PMTs? Sensibilité attendue de 0.2 µBq/m 2 réalisable ?) Collaboration avec l’Université d’Osaka pour BiPo II en février 2007 : plaque de scintillateur 53x53cm 2 testée avec 32 PMTs. Nous prévoyons de construire un prototype opérationnel en Test de feuilles source ββ. Programme de R&D intense pour le détecteur BiPo. Les 1 ères questions importantes seront résolues cette année (BiPo I ou II ? Taille des PMTs? Sensibilité attendue de 0.2 µBq/m 2 réalisable ?) Collaboration avec l’Université d’Osaka pour BiPo II en février 2007 : plaque de scintillateur 53x53cm 2 testée avec 32 PMTs. Nous prévoyons de construire un prototype opérationnel en Test de feuilles source ββ. /23

6 mars 2007Jérémy ARGYRIADES Séminaire interne du LAL 24 Thanks, merci, gracias, Ευχαριστώ, ありがとう, Спасибо, grazie, متشكرم, благодаря, d ě kuji