GERmanium Detectors Array for decay searches CSNII 26092006

GERmanium Detectors Array for decay searches CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Schema della presentazione Ø Motivazioni e Sensibilita’ su <m > Ø Stato di avanzamento – Sito LNGS – Serbatoio Acqua (WT) INFN – Criostato (C)MPIK e Analisi di rischio del sistema integrato WT&C LNGS INFN MPIK. – Riprocessamento Cristalli Fase I MPIK RU – Test cristalli in LAr MPIK MPPMu – Elettronica front-end INFN – Elettronica digitale Fase I INFN – Studio fondo e simulazioni INFN MPPMu – Analisi materiali INFN MPIK RU – Definizione segmentazione cristalli fase II MPPMu Ø Richieste finanziarie 2007 CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

GERDA Goals & Sensitivity CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

The GERDA Mainsite: LNGS- Hall A, North Wing between LVD and TIR tunnel Preparazione della zona sperimentale: completata (da parte di LNGS) Gia’ posati: • Piping drenaggio. • Tirafondi WT e Superstruttura. CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

GERDA: Sito in HALL A Piccole GERDA crescono…. . CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

WT specs in tender üTender published in December 2005 on the basis of a preliminary project. üContract signed end july 2006. üInizio lavori sul sito: marzo-aprile 2007. üFine lavori WT: Ott. Nov. 2007 CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

The GERDA WT : Technical drawings CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Dal Criostato in Cu (CCu) al Criostato in SS (Css) Luglio 2005: Coll. GERDA sottopone progetto tecnico integrato WT+ C. Il Criostato e’ in Cu saldato all’Electron Beam. Settembre 2005: LNGS richiedono alla coll. Implementare intorno al CCu un contenimento secondario completamente indipendente dal C, separato dal C da uno strato di aria/gas per evitare ogni possibile contatto di LN con H 2 O in caso di eventuale fessurazione o rottura catastrofica del CCu (considerato non standard, per dimensioni, materiali, tecnologia di realizzazione, uso) casistica sconosciuta. Applicato criterio minimizzazione rischio ALARP. Settembre ’ 05 - Marzo ’ 06: La coll. (MPI-HD e INFN) lavorano alla ingegnerizzazione del “contenimento secondario” (necessariamente in Cu per essere stand-alone e radiopuro) non ottimale per risposta al sisma dell’intera struttura, eliminata spinta Archimede su criostato, accesso al C eliminato Marzo ’ 06: Nuova Stima dei costi (Pro-Beam unica ditta EU che puo’ per tecnologia e dimensioni realizzare il CCu) raddoppiata + contenimanto secondario collaborazione decide di abbandonare CCu. . CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Technical drawing of the GERDA SS Criostat (F ~ 4. 4 m, Inner Cu shielding needed, LAr better than LN) ed r e d n e T e 6 0 / 9 0 30/ f do n E : CSN_II 26/09/2006 r e d n Te C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

GERDA : Criostato in SS con schermo in Cu interno Spessori di Cu necessari per Ass per mantenere il B index di progetto pari a 5 m. Bq/kg 10 m. Bq/kg inoltre LAr sostituisce LN. Selezione SS in corso. Trovato SS di attivita’ specifica ~ 1 -2 m. Bq/kg CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Background summary Phase II Array 2. 0 · 10 -2 2. 7 · 10 -3 Infrastructure + external 1. 3 · 10 -3 8 · 10 -5 4 · 10 -4 3 · 10 -5 Muon-induced prompt < 1 · 10 -4 Muon induced delayed (77 Ge) 2 · 10 -5 1 -2 · 10 -4 Liquid Nitrogen Liquid Argon CSN_II 26/09/2006 The prompt muon-induced background depends on the efficiency of the muon veto C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Dal Criostato in Cu (CCu) al Criostato in SS (Css) 15 Giugno 2006: Nuovo Technical Proposal sottomesso ai LNGS. CSS no contenimento secondario. 30/06/2006: Commissionata da MPIK analisi di rischio (FMECA & HAZOP analysis) del progetto integrato C & WT & sistema criogenico, a societa’ qualificata (Nier Ing. ). 8/09/2006: Consegnata a collaborazione GERDA analisi di rischio. 19/09/2006: Review LNGS dell’analisi di rischio. A breve risposta definitiva LNGS sul progetto integrato CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Conclusioni FMECA & HAZOP Tutti gli eventi di failure individuati cadono in zona verde. CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Edificio Tecnico e Superstruttura • Finanziamento straordinario da Giunta a LNGS nel luglio 2006 • Progetto esecutivo pronto. Rifiniture documentazione di gara in corso • Sottomissione direttivo Ottobre 2006 CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Riprocessamento e Test cristalli arricchiti per Fase I 5 cristalli Hd. M + 3 cristalli IGEX Massa e Risoluzione en. misurata degli 8 cristalli di enr. Ge a disposizione della collaborazione GERDA per la Fase I. I valori di FWHM misurati si riferiscono ai cristalli montati nei criostati originali Detectors ANG 1 ANG 2 ANG 3 ANG 4 ANG 5 FWHM [ke. V] 2. 54 Mass [kg] 2. 29 0. 968 2. 906 CSN_II 26/09/2006 2. 93 2. 47 2. 446 2. 400 2. 59 RG 1 RG 2 RG 3 2. 21 2. 31 2. 26 2. 781 2. 150 2. 194 2. 121 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Riprocessamento e Test cristalli Fase I Laboratorio Germani e Test Bench Lock Dewar Sistema DAQ Padova (Mars 2) messo in funzione @LNGS in Agosto 2006 • FADC- 100 MHz, 14 bit (2 moduli 8 canali) • Logica trigger (in prestito da Agata) • PC DAQ CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Riprocessamento e Test cristalli Fase I Riprocessati 2 cristalli: • ANG 1: smontato da criostato, rimontato in montaggio “light”, testato in LAr (agosto 2006) alta leakage current Camberra per rifacimento strato passivazione. • RG 3: smontato da criostato, rimontato Camberra per rifacimento contatto segnale. Attualmente c/o lab sotteraneo HADES. 1 o test cristallo nat. Ge con elettronica fredda (preamp monolithic JFET, in attesa di ASIC CMOS) programmato in agosto 2006 non si e’ potuto effettuare, causa il rapido aumento della corrente inversa sul cristallo, correlato all’aumento dell’umidita’ ambiente. cristallo alla Camberra per rifacimento strato passivazione. Dall’inizio settembre 2006 in run in CSN_II 26/09/2006 LAr, Ileak OK. C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Riprocessamento e Test cristalli Fase I: programma lavori • Riprocessamento tutti i cristalli enr. Ge a disposizione della collaborazione (estate 2007) • Test in Lar singolarmente e montati in “stringhe”. CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Front-end electronics: ASIC CMOS preamp working @cryogenic T First rule to reduce significantly background is to minimize mass of each component close to crystals integrated front end. Two ASIC CMOS circuits under development and test (Milano) 0. 8 mm 5 V CMOS single or differential ended preamp with: v external input stage (JFET) or v integrated input FET external feedback components Tested circuit structure: external BF 862 JFET + 0. 8 m 5 V CMOS single-ended preamplifier VCC +3 V -3 V CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Results from ASIC CMOS circuits produced at AMS in 2005(10 mm 2 Si ): preamps of -spectroscopy class operated in LN First measurement results at T=77°K (CF = 0. 15 p. F, RF= 1 G , Cdet = 15 p. F) Comparison between noise measured at room temperature (T=300°K) and in LN (T=77°K) Negative output voltage swing: ~ 2. 4 V Energy sensitivity (CF = 0. 15 p. F) : ~ 185 m. V/Me. V after 50 termination Input dynamic range: ~ 6. 5 Me. V Rise time: ~ 15 ns driving 10 m cable Minimum ENC (Cdet= 15 p. F) : 112 e- at shap=10 s Total power consumption: ~ 25 m. W Acquired output signal driving a 50 coaxial cable of ~ 10 m : rise time of ~ 15 ns CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Front-end electronics: ASIC CMOS preamp working @cryogenic T July 2006: submitted alternative layout for preamps with input JFET integrated, active reset implemented. Same technology. September 2006: chips delivered. Test will start immediately. December 2006: new test run. October-November 2006: Test of available chip coupled with crystal. CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Approvvigionamento enr. Ge fase II e definizione cristalli segmentati • 37. 5 kg enr. Ge (>87% 76 Ge) for Phase II crsytals procured. They are stocked at HADES facility. • Crystal pulling. Where? Procedure (TBD) must guarantee a B < 10 -3 c/(ke. V kg y) • Detector segmentation definition CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Esempi sperimentali di soppressione del fondo CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

The segmentation of the diode read-out is a powerful background rejection tool, to be used in the Phase II of GERDA. s (background) events are multiple-site, while events are single-site. Gamma Background Multiple site events Background rejection due to crystal and segment anti-coincidence for 60 Co in germanium Electronic cables Signal events Single site events Suppression Factor @ Qbbfor a (3 z, 6 ) crystal segmentation. Source Crystals AC Segment AC Muons (LN bath) 27 Ge 68 in Ge 2. 5 80 18 Co 60 in Ge 3. 2 39 Co 60 in holder 6. 7 157 Tl 208 in Ge 2. 6 13 Tl 208 in holder 2. 2 5 CSN_II 26/09/2006 Support Possible design for a 18 -fold (3 z, 6 ) segmented crystal C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Background rejection factor vs. number of segments 1 Ge crystal inside GERDA shielding – 8 cm diameter, 8 cm height Intrinsic background in germanium S= background suppression factor = ratio of the energy depositions above threshold (50 ke. V) detected in the whole crystal, to the energy depositions above threshold detected only in one segment. CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Background rejection factor vs. number of segments GERDA Phase II – array of 21 Ge crystals inside shielding In this case the background rejection does not depend exclusively on the segmentation scheme but also on the geometry of the array and on the cryoliquid since the anticoincidence applies as well to the segments belonging to different crystals. In this Monte Carlo study the electric field and the shape of the pulses in the segments are not CSN_II 26/09/2006 included C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Richieste finanziarie 2007 • LNGS : Impianto ricircolo acqua. • MI: Produzione ASIC CMOS Acquisto HV, Pulser per controllo stabilita’ front end. • PD: Elettronica trigger per sistema DAQ Fase I. CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

The water system: filling, recirculation and emptying Filling: • Use the Demi water produced by the Borexino: resistivity >15 MΩcm; • Max Flow rate: 2 m 3/h, we need 25 days for filling the tank (12 h/day) • Piping from Hall C to Hall A (~500 m) CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Water recirculation system general features Scope: Keep the water clean to collect Cerenkov light uniformely (in time and volume) • • Standard loop rate 4 m 3/h (~ 6 cm/h speed inside the tank) Each 6 days we exchange one tank volume Max loop rate 8 m 3/h (~ 2 tank volume/week) Water internal distributor to keep the water as homogeneous as possible CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS

Items To Be Defined • Constructional details of the WT bottom plate (because of cryostat skirt interface) • Heat exchanger to heat up cryostat exhausts by water specific heat. • WT constructional procedure and schedule. – Tendered: Big aperture (4. 5 m diam x 7 m h) in the WT mantle to insert the cryostat after WT completion. – What we need: Cryostat delivery and installed just after WT bottom plate construction. How long it will take realistically to install Cryostat, test it on-site (test to be defined, insert Cu, test again. Extimate >= 2 months). • Positions of anchorage for PMs. • ………………. Contract has been signed with the company on 4 th September. Meeting with executive project engeneer after final safety review of LNGS and cryostat tender awarded. CSN_II 26/09/2006 C. Cattadori INFN-Mi. B & LNGS