RAP S DAntonio G Delle Monache D Di

RAP S. D’Antonio, G. Delle Monache, D. Di Gioacchino, V. Fafone, G. Giordano, C. Ligi, A. Marini, G. Mazzitelli, G. Modestino, G. Pizzella, L. Quintieri, A. Rocchi, F. Ronga LNF, Roma 2, Leiden Univ. 2006 A. Marini CSN 2 6/10/2005 1

Motivazione • NAUTILUS, operante a T=0. 14 K (Al 5056 sc), ha rivelato un rate di raggi cosmici di alta energia eccedente il rate aspettato. • NAUTILUS, operante a T=1. 5 K (Al 5056 nc), non ha osservato questo eccesso. • RAP ha lo scopo di verificare la validita’ del modello che descrive la conversione in energia meccanica della energia persa dalle particelle nell’interazione con una barra. • La verifica e’ effettuata a differenti temperature ed in particolare in relazione al regime di conduzione del materiale (nc, sc) della barra. 2

Modello Termoacustico (TAM) L’energia persa dalla particella nella barra determina un riscaldamento locale e la conseguente espansione termica influisce sui modi di oscillazione meccanici della barra. L’ampiezza massima del modo fondamentale di oscillazione determinata da una particella che incide ortogonalmente sul punto mediano della generatrice di un cilindro sottile e’: { W: : Cv: L: M: Energia totale persa Coeff. dilatazione termica lineare Calore specifico Lunghezza Massa 3

RAP misura l’ampiezza massima di oscillazione Bmeas causata dall’interazione con un fascio di elettroni. L’ampiezza misurata viene confrontata con: La correzione e’ determinata da una simulazione completa del setup sperimentale, che include: le soluzioni O[(R/L)2] per i modi di oscillazione, le dimensioni trasverse del fascio al punto di impatto (r ~ 1 cm) e gli effetti dovuti all’angolo dei prodotti dello sciame con l’asse del cilindro. E’ da notare che: 1. Bmeas e’ una misura del rapporto /Cv. 2. Per superconduttori e per T<Tc, e Cv assumono valori diversi a seconda dello stato di conduzione (nc, sc). 3. Il rapporto /Cv e’ parte della definizione del parametro di Grüneisen (cristalli cubici) 4

Setup sperimentale - Fascio BTF LNF-BTF e- beam E=510 Me. V Modalita’: Impulso singolo Durata: ~10 ns Nelett: 107 -108 elettroni/impulso ~4 106 elettroni r ~ 1 cm 5

Setup sperimentale Criostato, Sospensioni, Massa Test, Trasduttori Criostato commerciale Kadel h=3. 2 m, Ø=1. 02 m Sospensioni: 7 stadi (Cu) di attenuazione -150 d. B in 1. 7 -6. 0 k. Hz Massa di test: Al 5056, Nb Trasduttori: 2 x. Pz 24 operanti in parallelo -inseriti in Al 5056 -incollati in Nb 6

Calibrazione Circuito elettrico equivalente R 1 -C 1 -L 1: caratteristiche meccaniche della barra (dissipazione, massa, elasticita’) C 2: Capacita’ del trasduttore CL: Capacita’ del carico Si applica una forma d’onda nota Vgcos(2πf 0 t) e si misura all’amplificatore Vo cos(2πf 0 t+ ). Dalla soluzione del circuito si ha: e si determina il fattore di conversione: Check effettuato con accelerometro commerciale calibrato inserito al centro di una base del cilindro a diverse temperature. Deviazione max: 6% [V/m] 7

DAQ Il DAQ si basa su un 16 -bit VME ADC ed una VME Pentium III CPU con LINUX O/S. • Il DAQ immagazzina su disco i dati amplificati dei PZ, i dati di termometria e del sistema di beam monitoring • Il DAQ consente anche di eseguire una analisi veloce dei dati raccolti 8

Attivita’ svolta 2003 Caratterizzazione setup sperimentale 2004 Misure con barra Al 5056 (4 -300 K) ! L’ indisponibilita’ del refrigeratore a diluizione non ha consentito misure in regime sc. 2005 Misure con barra di Nb Prima valutazione degli effetti di sc nell’ambito TAM 9

Misure con barra Al 5056 nell’intervallo 4 -270 K (Astropart. Phys. 24: 65 -74, 2005) Caratteristiche barra: Al 5056 (5 Mg%, %Mn, % C) Ø m, lunghezza 5 m, massa 3 kg) 10

Energia persa da 1 elettrone Sviluppo dello sciame Simulazioni MC e Bth beam ~ 2 r. l. (Al)=8. 9 cm Dati termofisici per Al puro Da MC: = -0. 04 11

Bmeas { Vmax: G: Ampiezza massima della componente del segnale alla frequenza del modo fondamentale di oscillazione longitudinale Guadagno amplificatore Bmeas (10 -16 m) Fit Bth (10 -16 m) 12

Bmeas/W (m/J) Commenti 1. TAM validato fra 4 -270 K per Al 5056 a livello del 10% globale 2. Miglioramento dell’ accordo a temperatura ambiente 3. Prima validazione di TAM per Al 5056 a basse temperature (nc) 4. Il completamento dello studio per l’Al 5056 sc verra’ condotto quando si rendera’ disponibile il refrigeratore a diluizione 13

Misure con barra Nb nell’intervallo 4 -275 K Caratteristiche barra: Nb (purezza >99%) Ø m, lunghezza m, massa kg) 14

Energia persa da 1 elettrone Sviluppo dello sciame Simulazioni MC e Bth beam ~ 9 r. l. (Nb)=1. 1 cm Da MC: = -0. 08 15

Nb - Misure a bassa temperatura Pr eli m ina re • Osservata la transizione. • L’osservazione e’ inaspettata: per T<Tc TAM prevede che il riscaldamento provochi una transizione locale e che quindi l’ampiezza sia proporzionale a n/CVn 16

Pr 4 -275 K Bmeas (10 -12 m) eli m ina re Fit Bth (10 -12 m) Oggetto di studio m T(K) m 275. 5 1. 01 0. 01 81. 09 0. 01 12. 5 1. 01 0. 02 4. 5 0. 60 0. 01 17

Programma futuro Entro fine 2005 Completamento acquisizione del Refrigeratore a diluizione Primo trimestre 2006 Caratterizzazione Refrigeratore Pubblicazione dati Nb Entro fine 2006 Misure su Al 5056 a T< 1 K Il metodo sperimentale sembra consolidato e puo’ essere applicato alla caratterizzazione dei materiali da utilizzarsi nei futuri rivelatori di O. G. 18