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8/9/2019 Nim_paper_99.ps

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n u c l - e

x / 9 9 1 0 0 1 6

2 5 O c t 1 9 9 9

T h e S u d b u r y N e u t r i n o O b s e r v a t o r y

T h e S N O C o l l a b o r a t i o n

J . B o g e r , R . L . H a h n , J . K . R o w l e y

C h e m i s t r y D e p a r t m e n t , B r o o k h a v e n N a t i o n a l L a b o r a t o r y , U p t o n , N Y 1 1 9 7 3 - 5 0 0 0

U S A

1

A . L . C a r t e r , B . H o l l e b o n e , D . K e s s l e r

C a r l e t o n U n i v e r s i t y , O t t a w a , O n t a r i o K 1 S 5 B 6 C A N A D A

2

I . B l e v i s , F . D a l n o k i - V e r e s s , A . D e K o k , J . F a r i n e ,

3

D . R . G r a n t ,

C . K . H a r g r o v e , G . L a b e r g e , I . L e v i n e , K . M c F a r l a n e , H . M e s ,

A . T . N o b l e , V . M . N o v i k o v , M . O ' N e i l l , M . S h a t k a y ,

C . S h e w c h u k , D . S i n c l a i r

C e n t r e f o r R e s e a r c h i n P a r t i c l e P h y s i c s , H e r z b e r g L a b o r a t o r y , C a r l e t o n U n i v e r s i t y ,

O t t a w a , O n t a r i o K 1 S 5 B 6 C A N A D A

2

E . T . H . C l i o r d , R . D e a l , E . D . E a r l e , E . G a u d e t t e , G . M i l t o n ,

B . S u r

C h a l k R i v e r L a b o r a t o r i e s , A E C L R e s e a r c h ,

C h a l k R i v e r , O n t a r i o K 0 J 1 J 0 C A N A D A

2

J . B i g u , J . H . M . C o w a n , D . L . C l u , E . D . H a l l m a n , R . U . H a q ,

J . H e w e t t , J . G . H y k a w y , G . J o n k m a n s ,

4

R . M i c h a u d ,

A . R o b e r g e , J . R o b e r t s , E . S a e t t l e r , M . H . S c h w e n d e n e r ,

H . S e i f e r t , D . S w e e z e y , R . T a r o u t , C . J . V i r t u e

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s a n d A s t r o n o m y , L a u r e n t i a n U n i v e r s i t y , S u d b u r y , O n t a r i o

P 3 E 2 C 6 C A N A D A

2

D . N . B e c k , Y . D . C h a n , X . C h e n , M . R . D r a g o w s k y ,

2 1

F . W . D y c u s , J . G o n z a l e z , M . C . P . I s a a c ,

5

Y . K a j i y a m a ,

G . W . K o e h l e r , K . T . L e s k o , M . C . M o e b u s , E . B . N o r m a n ,

C . E . O k a d a , A . W . P . P o o n , P . P u r g a l i s , A . S c h u e l k e ,

A . R . S m i t h , R . G . S t o k s t a d , S . T u r n e r ,

6

I . Z l i m e n

7

P r e p r i n t s u b m i t t e d t o E l s e v i e r P r e p r i n t 2 5 O c t o b e r 1 9 9 9


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L a w r e n c e B e r k e l e y N a t i o n a l L a b o r a t o r y , B e r k e l e y , C A 9 4 7 2 0 U S A

1

J . M . A n a y a , T . J . B o w l e s , S . J . B r i c e , E r n s t - I n g o E s c h ,

M . M . F o w l e r , A z r i e l G o l d s c h m i d t ,

5

A . H i m e , A . F . M c G i r t ,

G . G . M i l l e r , W . A . T e a s d a l e , J . B . W i l h e l m y , J . M . W o u t e r s

L o s A l a m o s N a t i o n a l L a b o r a t o r y , L o s A l a m o s , N M 8 7 5 4 5 U S A

1

J . D . A n g l i n , M . B e r c o v i t c h , W . F . D a v i d s o n , R . S . S t o r e y

1 8

N a t i o n a l R e s e a r c h C o u n c i l o f C a n a d a , O t t a w a , O n t a r i o K 1 A 0 R 6 C A N A D A

2

S . B i l l e r , R . A . B l a c k , R . J . B o a r d m a n , M . G . B o w l e r ,

J . C a m e r o n , B . C l e v e l a n d , A . P . F e r r a r i s , G . D o u c a s , H . H e r o n ,

C . H o w a r d , N . A . J e l l e y , A . B . K n o x , M . L a y , W . L o c k e , J . L y o n ,

S . M a j e r u s , M . M o o r h e a d , M . O m o r i , N . W . T a n n e r ,

R . K . T a p l i n , M . T h o r m a n , D . L . W a r k , N . W e s t , J . C . B a r t o n ,

P . T . T r e n t

N u c l e a r a n d A s t r o p h y s i c s L a b o r a t o r y , O x f o r d U n i v e r s i t y , K e b l e R o a d , O x f o r d ,

O X 1 3 R H , U K

8

R . K o u z e s ,

1 0

M . M . L o w r y

9

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , P r i n c e t o n U n i v e r s i t y , P r i n c e t o n , N J 0 8 5 4 4 U S A

A . L . B e l l , E . B o n v i n ,

1 1

M . B o u l a y , M . D a y o n , F . D u n c a n ,

L . S . E r h a r d t , H . C . E v a n s , G . T . E w a n , R . F o r d ,

1 2

A . H a l l i n ,

A . H a m e r , P . M . H a r t , P . J . H a r v e y , D . H a s l i p , C . A . W . H e a r n s ,

R . H e a t o n , J . D . H e p b u r n , C . J . J i l l i n g s , E . P . K o r p a c h ,

H . W . L e e , J . R . L e s l i e , M . - Q . L i u , H . B . M a k , A . B . M c D o n a l d ,

J . D . M a c A r t h u r , W . M c L a t c h i e , B . A . M o a t , S . N o e l ,

T . J . R a d c l i e ,

1 3

B . C . R o b e r t s o n , P . S k e n s v e d , R . L . S t e v e n s o n ,

X . Z h u

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , Q u e e n ' s U n i v e r s i t y , K i n g s t o n , O n t a r i o K 7 L 3 N 6

C A N A D A

2

S . G i l ,

1 4

J . H e i s e , R . L . H e l m e r ,

1 5

R . J . K o m a r , C . W . N a l l y ,

H . S . N g , C . E . W a l t h a m

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s a n d A s t r o n o m y , U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a ,

V a n c o u v e r , B C V 6 T 2 A 6 C A N A D A

2

2


3/58

R . C . A l l e n ,

1 6

G . B u h l e r ,

1 7

H . H . C h e n

1 8

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , I r v i n e , C A 9 2 7 1 7 U S A

G . A a r d s m a , T . A n d e r s e n ,

1 9

K . C a m e r o n , M . C . C h o n ,

R . H . H a n s o n , P . J a g a m , J . K a r n , J . L a w , R . W . O l l e r h e a d ,

J . J . S i m p s o n , N . T a g g , J . - X . W a n g

P h y s i c s D e p a r t m e n t , U n i v e r s i t y o f G u e l p h , G u e l p h , O n t a r i o N 1 G 2 W 1 C A N A D A

2

C . A l e x a n d e r , E . W . B e i e r , J . C . C o o k , D . F . C o w e n , E . D . F r a n k ,

W . F r a t i , P . T . K e e n e r , J . R . K l e i n , G . M a y e r s , D . S . M c D o n a l d ,

M . S . N e u b a u e r , F . M . N e w c o m e r , R . J . P e a r c e ,

R . G . V a n d e W a t e r , R . V a n B e r g , P . W i t t i c h

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s a n d A s t r o n o m y , U n i v e r s i t y o f P e n n s y l v a n i a , P h i l a d e l p h i a ,

P A 1 9 1 0 4 - 6 3 9 6 , U S A

1

Q . R . A h m a d , J . M . B e c k ,

2 0

M . C . B r o w n e ,

2 1

T . H . B u r r i t t ,

P . J . D o e , C . A . D u b a , S . R . E l l i o t t , J . E . F r a n k l i n ,

J . V . G e r m a n i ,

2 2

P . G r e e n ,

1 5

A . A . H a m i a n , K . M . H e e g e r ,

M . H o w e , R . M e i j e r D r e e s , A . M y e r s , R . G . H . R o b e r t s o n ,

M . W . E . S m i t h , T . D . S t e i g e r , T . V a n W e c h e l , J . F . W i l k e r s o n

N u c l e a r P h y s i c s L a b o r a t o r y a n d D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , U n i v e r s i t y o f

W a s h i n g t o n , P . O . B o x 3 5 1 5 6 0 , S e a t t l e , W A 9 8 1 9 5 U S A

1

A b s t r a c t

T h e S u d b u r y N e u t r i n o O b s e r v a t o r y i s a s e c o n d g e n e r a t i o n w a t e r

C e r e n k o v d e t e c -

t o r d e s i g n e d t o d e t e r m i n e w h e t h e r t h e c u r r e n t l y o b s e r v e d s o l a r n e u t r i n o d e c i t i s a

r e s u l t o f n e u t r i n o o s c i l l a t i o n s . T h e d e t e c t o r i s u n i q u e i n i t s u s e o f D

2

O a s a d e t e c -

t i o n m e d i u m , p e r m i t t i n g i t t o m a k e a s o l a r m o d e l { i n d e p e n d e n t t e s t o f t h e n e u t r i n o

o s c i l l a t i o n h y p o t h e s i s b y c o m p a r i s o n o f t h e c h a r g e d - a n d n e u t r a l - c u r r e n t i n t e r a c t i o n

r a t e s . I n t h i s p a p e r t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s , c o n s t r u c t i o n , a n d p r e l i m i n a r y o p e r a t i o n

o f t h e S u d b u r y N e u t r i n o O b s e r v a t o r y a r e d e s c r i b e d . D a t a a n d p r e d i c t e d o p e r a t i n g

p a r a m e t e r s a r e p r o v i d e d w h e n e v e r p o s s i b l e .

K e y w o r d s : S o l a r n e u t r i n o s , C h e r e n k o v d e t e c t o r , h e a v y w a t e r , H e 3 - p r o p o r t i o n a l

c o u n t e r s , w a t e r p u r i c a t i o n

P A C S N u m b e r s : 2 9 . 4 0 . K a , 2 9 . 4 0 . C s , 2 6 . 6 5 , 1 4 . 6 0 . P q

3


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1 I n t r o d u c t i o n

T h e S u d b u r y N e u t r i n o O b s e r v a t o r y ( S N O ) h a s b e e n c o n s t r u c t e d t o s t u d y t h e

f u n d a m e n t a l p r o p e r t i e s o f n e u t r i n o s , i n p a r t i c u l a r t h e m a s s a n d m i x i n g p a -

r a m e t e r s . S N O c a n a c c o m p l i s h t h i s b y m e a s u r i n g t h e u x o f e l e c t r o n - t y p e

n e u t r i n o s ,

e

, w h i c h a r e p r o d u c e d i n t h e s u n , a n d c o m p a r i n g i t t o t h e u x o f

a l l a c t i v e a v o r s o f s o l a r n e u t r i n o s d e t e c t e d o n e a r t h i n a n a p p r o p r i a t e e n e r g y

i n t e r v a l . O b s e r v a t i o n o f n e u t r i n o a v o r t r a n s f o r m a t i o n t h r o u g h t h i s c o m p a r i -

s o n w o u l d b e c o m p e l l i n g e v i d e n c e o f n e u t r i n o m a s s . N o n - z e r o n e u t r i n o m a s s

i s e v i d e n c e f o r p h y s i c s b e y o n d t h e S t a n d a r d M o d e l o f f u n d a m e n t a l p a r t i c l e

i n t e r a c t i o n s 1 ] .

T h e l o n g d i s t a n c e t o t h e s u n m a k e s t h e s e a r c h f o r n e u t r i n o m a s s s e n s i t i v e

t o m u c h s m a l l e r m a s s s p l i t t i n g s t h a n c a n b e s t u d i e d w i t h t e r r e s t r i a l s o u r c e s .

F u r t h e r m o r e , t h e m a t t e r d e n s i t y i n t h e s u n i s s u c i e n t l y l a r g e t o e n h a n c e t h e

e e c t s o f s m a l l m i x i n g b e t w e e n e l e c t r o n n e u t r i n o s a n d m u o r t a u n e u t r i n o s .

1

S u p p o r t e d b y t h e U S D e p a r t m e n t o f E n e r g y .

2

S u p p o r t e d b y N a t u r a l S c i e n c e s a n d E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C o u n c i l o f C a n a d a .

3

S u p p o r t e d b y t h e S w i s s N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n i n 1 9 9 7 .

4

P r e s e n t a d d r e s s : I n s t i t u t d e P h y s i q u e , U n i v e r s i t e d e N e u c h ^ a t e l , N e u c h ^ a t e l C H -

2 0 0 0 , S w i t z e r l a n d .

5

P r e s e n t a d d r e s s : P h y s i c s D e p a r t m e n t , U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , B e r k e l e y , C A

9 4 7 2 0 , U S A .

6

P r e s e n t A d d r e s s : P e n n g r o v e , C A , U S A .

7

P r e s e n t a d d r e s s : B e r k e l e y , C A , U S A .

8

S u p p o r t e d b y P a r t i c l e P h y s i c s a n d A s t r o n o m y R e s e a r c h C o u n c i l o f t h e U K .

9

P r e s e n t a d d r e s s : P h y s i c s D e p a r t m e n t , B r o o k h a v e n N a t i o n a l L a b o r a t o r y , U p t o n ,

N Y 1 1 9 7 3 U S A .

1 0

P r e s e n t a d d r e s s : P h y s i c s D e p a r t m e n t , W e s t V i r g i n i a U n i v e r s i t y , M o r g a n t o w n W V

2 6 5 0 5 U S A .

1 1

P r e s e n t a d d r e s s : M e m b r a t e c , T e c h n o p ô l e , C H - 3 9 6 0 S i e r r e , S w i t z e r l a n d .

1 2

P r e s e n t a d d r e s s : D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , P r i n c e t o n U n i v e r s i t y , P r i n c e t o n , N J

0 8 5 4 4 U S A .

1 3

P r e s e n t a d d r e s s : E S G C a n a d a , 1 H y p e r i o n C t . , K i n g s t o n , O n t a r i o , K 7 K 7 G 3

C a n a d a .

1 4

P r e s e n t a d d r e s s : C N E A , A v . d e l L i b e r t a d o r 8 2 5 0 , 1 4 2 9 B u e n o s A i r e s , A r g e n t i n a .

1 5

P e r m a n e n t a d d r e s s : T R I U M F , V a n c o u v e r , B r i t i s h C o l u m b i a , V 6 T 2 A 3 C a n a d a .

1 6

P r e s e n t a d d r e s s : H e w l e t t P a c k a r d L a b s , M a i l S t o p 4 A - D , 1 5 0 1 P a g e M i l l R o a d ,

P a l o A l t o , C A 9 4 3 0 4 , U S A .

1 7

P r e s e n t a d d r e s s : A T & T , I n c . , M i d d l e t o w n , N J 0 7 7 4 8 , U S A .

1 8

D e c e a s e d .

1 9

P r e s e n t a d d r e s s : S i e n n a S o f t w a r e I n c o r p o r a t e d , T o r o n t o , O n t a r i o , C A

2 0

P r e s e n t a d d r e s s : V o l t S e r v i c e s G r o u p , S e a t t l e , W A 9 8 1 0 1 , U S A .

2 1

P r e s e n t a d d r e s s : L o s A l a m o s N a t i o n a l L a b o r a t o r y , L o s A l a m o s N M 8 7 5 4 5 , U S A .

2 2

P r e s e n t a d d r e s s : W R Q I n c . , S e a t t l e , W A 9 8 1 0 9 , U S A .

4


5/58

T h i s m a t t e r , o r M S W 2 ] , e e c t a l s o a p p l i e s w h e n s o l a r n e u t r i n o s t r a v e r s e

t h e e a r t h , a n d m a y c a u s e w e l l { d e n e d t i m e a n d s p e c t r a l m o d u l a t i o n s o f t h e

s i g n a l o f

e

i n t h e S N O d e t e c t o r . M e a s u r e m e n t o f t h e s e e e c t s , m a d e p o s s i b l e

b y t h e h i g h c o u n t i n g r a t e a n d s e p a r a b l e

e

{ s p e c i c a n d a v o r { i n d e p e n d e n t

r e s p o n s e s o f t h e S N O d e t e c t o r , w i l l p e r m i t t h e d e t e r m i n a t i o n o f u n i q u e m a s s

a n d m i x i n g p a r a m e t e r s w h e n c o m b i n e d w i t h t h e e x i s t i n g r e s u l t s o f t h e l i g h t -

w a t e r

C e r e n k o v d e t e c t o r s ,

3 7

C l , a n d

7 1

G a s o l a r n e u t r i n o e x p e r i m e n t s 3 { 5 ] .

T h e S N O e x p e r i m e n t i s u n i q u e i n t h a t i t u t i l i z e s h e a v y w a t e r , D

2

O , i n a s p h e r -

i c a l v o l u m e o f o n e k i l o t o n n e a s a t a r g e t . T h e h e a v y w a t e r p e r m i t s d e t e c t i o n

o f n e u t r i n o s t h r o u g h t h e r e a c t i o n s

x

+ e

!

x

+ e

( 1 )

e

+ d ! e

+ p + p ( 2 )

x

+ d !

x

+ n + p ( 3 )

w h e r e

x

r e f e r s t o a n y a c t i v e a v o r o f n e u t r i n o . E a c h o f t h e s e i n t e r a c t i o n s i s

d e t e c t e d w h e n o n e o r m o r e e l e c t r o n s p r o d u c e

C e r e n k o v l i g h t t h a t i m p i n g e s

o n a p h o t o t u b e a r r a y . T h e e l a s t i c s c a t t e r i n g ( E S ) o f e l e c t r o n s b y n e u t r i n o s

( E q . 1 ) i s h i g h l y d i r e c t i o n a l , a n d e s t a b l i s h e s t h e s u n a s t h e s o u r c e o f t h e d e -

t e c t e d n e u t r i n o s . T h e c h a r g e d - c u r r e n t ( C C ) a b s o r p t i o n o f

e

o n d e u t e r o n s

( E q . 2 ) p r o d u c e s a n e l e c t r o n w i t h a n e n e r g y h i g h l y c o r r e l a t e d w i t h t h a t o f t h e

n e u t r i n o . T h i s r e a c t i o n i s s e n s i t i v e t o t h e e n e r g y s p e c t r u m o f

e

a n d h e n c e

t o d e v i a t i o n s f r o m t h e p a r e n t s p e c t r u m . T h e n e u t r a l - c u r r e n t ( N C ) d i s i n t e g r a -

t i o n o f t h e d e u t e r o n b y n e u t r i n o s ( E q . 3 ) i s i n d e p e n d e n t o f n e u t r i n o a v o r a n d

h a s a t h r e s h o l d o f 2 . 2 M e V . T o b e d e t e c t e d , t h e r e s u l t i n g n e u t r o n m u s t b e

a b s o r b e d , g i v i n g a 6 2 5 M e V p h o t o n f o r a b s o r p t i o n o n d e u t e r i u m o r p h o t o n s

t o t a l l i n g 8 . 6 M e V f o r a b s o r p t i o n o n

3 5

C l w i t h M g C l

2

a d d e d t o t h e D

2

O . T h e

p h o t o n s u b s e q u e n t l y C o m p t o n s c a t t e r s , i m p a r t i n g e n o u g h e n e r g y t o e l e c t r o n s

t o c r e a t e

C e r e n k o v l i g h t . ( O n c e t h e s p e c i a l { p u r p o s e n e u t r a l - c u r r e n t d e t e c t o r s

h a v e b e e n i n s t a l l e d , t h e y w i l l p r o v i d e t h e p r i m a r y n e u t r o n d e t e c t i o n m e c h a -

n i s m . S e e S e c t i o n 8 f o r d e t a i l s . ) M e a s u r e m e n t o f t h e r a t e o f t h e N C r e a c t i o n

d e t e r m i n e s t h e t o t a l u x o f

8

B n e u t r i n o s , e v e n i f t h e i r a v o r h a s b e e n t r a n s -

f o r m e d t o a n o t h e r a c t i v e a v o r ( b u t n o t i f t o a s t e r i l e n e u t r i n o ) . T h e a b i l i t y

t o m e a s u r e t h e C C a n d N C r e a c t i o n s s e p a r a t e l y i s u n i q u e t o S N O a n d m a k e s

t h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e r e s u l t s o f t h e e x p e r i m e n t i n d e p e n d e n t o f t h e o r e t i c a l

a s t r o p h y s i c s c a l c u l a t i o n s .

A l l e x p e r i m e n t s p e r f o r m e d t o d a t e h a v e d e t e c t e d f e w e r s o l a r n e u t r i n o s t h a n

a r e e x p e c t e d f r o m s t a n d a r d s o l a r m o d e l s 6 ] . T h e r e a r e s t r o n g h i n t s t h a t t h i s

i s t h e r e s u l t o f n e u t r i n o a v o r t r a n s f o r m a t i o n b e t w e e n t h e p r o d u c t i o n p o i n t

i n t h e s u n a n d t h e t e r r e s t r i a l d e t e c t i o n p o i n t . H o w e v e r , t h e s e c o n c l u s i o n s a r e

b a s e d o n r e f e r e n c e t o a c a l c u l a t e d p r e d i c t i o n . T h r o u g h d i r e c t m e a s u r e m e n t s

o f t h e

e

{ s p e c i c C C r e a c t i o n a n d t h e a v o r { i n d e p e n d e n t N C r e a c t i o n , t h e

5


6/58

S N O d e t e c t o r w i l l b e t h e r s t e x p e r i m e n t t o m a k e a s o l a r { m o d e l { i n d e p e n d e n t

m e a s u r e m e n t o f t h e s o l a r n e u t r i n o u x .

S N O c a n m a k e c o n t r i b u t i o n s , s o m e o f w h i c h a r e u n i q u e , i n o t h e r a r e a s o f

p h y s i c s . A n e x a m p l e o f t h e l a t t e r i s a s e a r c h f o r t h e r e l i c s u p e r n o v a n e u t r i n o s

i n t e g r a t e d o v e r a l l p a s t s u p e r n o v a e . F o r t h e r e l i c s u p e r n o v a n e u t r i n o s , t h e

i n t e r a c t i o n o f

e

o n p r o t o n s i n t h e d e u t e r o n s p r o d u c e s a

C e r e n k o v s i g n a l p l u s

t w o n e u t r o n s , w h i c h m a k e s a c l e a n s i g n a t u r e . O t h e r t o p i c s t h a t S N O w i l l s t u d y

i n c l u d e t h e a v o r c o m p o s i t i o n o f t h e a t m o s p h e r i c n e u t r i n o u x , s e a r c h e s f o r

c e r t a i n t y p e s o f d a r k m a t t e r , a n d n u c l e o n d e c a y . T h e o b s e r v a t o r y i s d e s i g n e d

t o h a n d l e t h e h i g h d a t a r a t e s i n d u c e d b y a n i n t e n s e b u r s t o f n e u t r i n o s f r o m a

s u p e r n o v a e x p l o s i o n a s c l o s e a s o n e k i l o p a r s e c a w a y .

A n o v e r v i e w o f t h e S N O l a b o r a t o r y a n d d e t e c t o r i s g i v e n i n F i g . 1 . T h e d e t e c t o r

c o n s i s t s o f a t r a n s p a r e n t a c r y l i c s p h e r e 1 2 m i n d i a m e t e r , s u p p o r t e d f r o m a

d e c k s t r u c t u r e b y t e n r o p e l o o p s m a d e o f s y n t h e t i c b e r , a s s h o w n i n F i g . 2 .

T h e s p h e r e h o l d s 1 0 0 0 t o n n e s o f h e a v y w a t e r . S u r r o u n d i n g t h e a c r y l i c v e s s e l

i s a g e o d e s i c s t r u c t u r e 1 7 . 8 m i n d i a m e t e r m a d e o f s t a i n l e s s - s t e e l s t r u t s a n d

c a r r y i n g 9 4 3 8 i n w a r d - l o o k i n g p h o t o m u l t i p l i e r t u b e s . T h e b a r r e l - s h a p e d c a v i t y ,

2 2 m i n d i a m e t e r a n d 3 4 m i n h e i g h t , i s l l e d w i t h p u r i e d l i g h t w a t e r t o

p r o v i d e s u p p o r t a n d s h i e l d i n g .

scale

approximate

change area

2m

frommine

laboratoryentrance

containerwash area

processing

processingH O

2

2

D O

storagetanks

detector cavityneck room

control

deck cleanroom racks

electronics

phototubesphere

vesselacrylic

clean change area

showers

personnelroom

F i g . 1 . G e n e r a l L a y o u t o f t h e S N O L a b o r a t o r y .

T h e S N O d e t e c t o r i s l o c a t e d a t 4 6

2 8

0

3 0

0 0

N , 8 1

1 2

0

0 4

0 0

W i n t h e I N C O , L t d . ,

6


7/58

D O2

F i g . 2 . T h e P M T s u p p o r t s t r u c t u r e ( P S U P ) s h o w n i n s i d e t h e S N O c a v i t y , s u r -

r o u n d i n g t h e a c r y l i c v e s s e l , w i t h l i g h t w a t e r a n d h e a v y w a t e r v o l u m e s l o c a t e d a s

i n d i c a t e d .

C r e i g h t o n m i n e n e a r S u d b u r y , O n t a r i o , C a n a d a . T h e c e n t e r o f t h e d e t e c t o r

v e s s e l i s 2 0 3 9 m b e l o w t h e s u r f a c e i n a c a v i t y e x c a v a t e d f r o m t h e \ 6 8 0 0 -

f o o t " l e v e l o f t h e m i n e . T h e s u r f a c e i s 3 0 9 m a b o v e s e a l e v e l . T h e g r a n i t i c

r o c k o v e r b u r d e n ( m a i n l y n o r i t e ) c o r r e s p o n d s t o a p p r o x i m a t e l y 6 0 0 0 m w a t e r

e q u i v a l e n t . A t t h i s d e p t h , o n l y a b o u t 7 0 m u o n s p a s s t h r o u g h t h e d e t e c t o r

( i n s i d e t h e p h o t o m u l t i p l i e r a r r a y ) p e r d a y .

T h e s e c t i o n s b e l o w d e t a i l t h e d e s i g n c r i t e r i a o f m a n y o f t h e i m p o r t a n t a s p e c t s

o f t h e d e t e c t o r . T h e e x t e n s i v e D

2

O a n d H

2

O p u r i c a t i o n s y s t e m s a r e d e s c r i b e d

i n S e c t i o n 2 a n d p u r i t y s p e c i c a t i o n s a r e g i v e n t h e r e . S i n c e S N O w i l l a d d h i g h

7


8/58

p u r i t y M g C l

2

t o t h e D

2

O t o e n h a n c e t h e N C d e t e c t i o n , a d e s c r i p t i o n o f t h e

s y s t e m r e q u i r e d t o h a n d l e t h e h e a v y w a t e r b r i n e i s a l s o g i v e n . T h e t e c h n i c a l l y

c h a l l e n g i n g c o n s t r u c t i o n o f t h e l a r g e a c r y l i c v e s s e l ( \ A V " ) w h i c h h o l d s t h e D

2

O

i s d e s c r i b e d i n S e c t i o n 3 . T h e l a r g e a r r a y o f P M T s a n d t h e i r b a s i c o p e r a t i n g

p a r a m e t e r s a r e d e s c r i b e d i n S e c t i o n 4 . T h e m a t e r i a l s a n d c o n s t r u c t i o n o f t h e

P M T s u p p o r t s t r u c t u r e a r e d e s c r i b e d i n S e c t i o n 5 .

A d e s c r i p t i o n o f t h e e l e c t r o n i c r e a d o u t c h a i n i s g i v e n i n S e c t i o n 6 , f o l l o w e d

b y a d e s c r i p t i o n o f t h e d o w n s t r e a m d a t a a c q u i s i t i o n h a r d w a r e a n d s o f t w a r e i n

S e c t i o n 7 . S e p a r a t e

3

H e n e u t r a l - c u r r e n t d e t e c t o r s , w h i c h w i l l b e i n s t a l l e d a t a

l a t e r d a t e i n t h e D

2

O v o l u m e , a r e d e s c r i b e d i n S e c t i o n 8 . T h e d e t e c t o r c o n -

t r o l a n d m o n i t o r i n g s y s t e m i s d e s c r i b e d i n S e c t i o n 9 . T h e c a l i b r a t i o n s y s t e m ,

c o n s i s t i n g o f a v a r i e t y o f s o u r c e s , a m a n i p u l a t o r , c o n t r o l l i n g s o f t w a r e , a n d t h e

a n a l y s i s o f c a l i b r a t i o n d a t a , i s d e s c r i b e d i n S e c t i o n 1 0 . T h e e x t e n s i v e e o r t

t o m a i n t a i n a n d m o n i t o r s i t e c l e a n l i n e s s d u r i n g a n d a f t e r c o n s t r u c t i o n i s d e -

s c r i b e d i n S e c t i o n 1 1 . T h e l a r g e s o f t w a r e p a c k a g e u s e d t o g e n e r a t e s i m u l a t e d

d a t a a n d a n a l y z e a c q u i r e d d a t a i s d e s c r i b e d i n S e c t i o n 1 2 . B r i e f d e s c r i p t i o n s

o f t h e p r e s e n t d e t e c t o r s t a t u s a n d f u t u r e p l a n s a r e i n S e c t i o n 1 3 .

2 W a t e r S y s t e m s

T h e S N O w a t e r s y s t e m i s c o m p r i s e d o f t w o s e p a r a t e s y s t e m s : o n e f o r t h e u l -

t r a p u r e l i g h t w a t e r ( H

2

O ) a n d o n e f o r t h e h e a v y w a t e r ( D

2

O ) . T h e s e s y s t e m s

a r e l o c a t e d u n d e r g r o u n d n e a r t h e d e t e c t o r . T h e s o u r c e o f w a t e r f o r t h e H

2

O

s y s t e m i s a s u r f a c e p u r i c a t i o n p l a n t t h a t p r o d u c e s p o t a b l e w a t e r f o r t h e m i n e .

U n d e r g r o u n d , t h e w a t e r i s p r e t r e a t e d , p u r i e d a n d d e g a s s e d t o l e v e l s a c c e p t -

a b l e f o r t h e S N O d e t e c t o r , r e g a s s e d w i t h p u r e N

2

, a n d n a l l y c o o l e d b e f o r e i t

i s p u t i n t o t h e d e t e c t o r . U l t r a p u r e w a t e r l e a c h e s o u t s o l u b l e c o m p o n e n t s w h e n

i n c o n t a c t w i t h s o l i d s u r f a c e s . I t m a y a l s o s u p p o r t b i o l o g i c a l a c t i v i t y o n s u c h

s u r f a c e s o r o n s u s p e n d e d p a r t i c l e s . T h e H

2

O i s t h e r e f o r e d e o x y g e n a t e d a n d

c o n t i n u o u s l y c i r c u l a t e d t o r e m o v e i o n s , o r g a n i c s a n d s u s p e n d e d s o l i d s . B o t h

l i q u i d s a r e a l s o a s s a y e d c o n t i n u o u s l y t o m o n i t o r r a d i o a c t i v e c o n t a m i n a n t s .

I n c o m i n g p o t a b l e w a t e r c o n t a i n s s a n d a n d s i l t p a r t i c l e s , b a c t e r i a , a l g a e , i n o r -

g a n i c s a l t s , o r g a n i c m o l e c u l e s a n d g a s s e s ( N

2

, O

2

, C O

2

, R n , e t c . ) . A f t e r f a l l i n g

a t o t a l o f 6 8 0 0 f e e t , t h e w a t e r i s s u p e r s a t u r a t e d w i t h a i r , s o r s t i t e n t e r s a

d e a e r a t o r t a n k ( s e e g . 3 ) w h e r e i t s p e n d s a f e w m i n u t e s s o t h a t s o m e o f t h e

d i s s o l v e d O

2

a n d N

2

c o m e s o u t . I t t h e n p a s s e s i n t o a m u l t i m e d i a l t e r c o n -

s i s t i n g o f a b e d o f s a n d a n d c h a r c o a l t o r e m o v e l a r g e p a r t i c l e s f o l l o w e d b y a

1 0 - m i c r o n l t e r t o r e m o v e n e p a r t i c l e s . T h e w a t e r t h e n e n t e r s t h e l a b o r a t o r y

w a t e r u t i l i t y r o o m . A c h a r c o a l l t e r i s u s e d t o r e d u c e t h e l e v e l s o f o r g a n i c

c o n t a m i n a n t s a n d t o c o n v e r t f r e e c h l o r i n e i n t o c h l o r i d e s i n c e c h l o r i n e w o u l d

d a m a g e t h e r e v e r s e o s m o s i s ( R O ) u n i t f u r t h e r d o w n s t r e a m .

8


9/58

2

µ

µµ

254 nmUV

10 C

Water

To Cavity

MnO column

DegasserCharcoalZeolite

Softeners10Filters

MultimediaFilter

Chiller

FiltersDeaerator

10 tonnelevel controltank

FromMonitorPoints From

Cavity

ReverseOsmosis

Monitor

Filters3

INCO

the mineTanks in

EDTA

ProcessDegasser

UV185 nm

Ion

ColumnsExchange

N Re-Filters0.12

gasser

F i g . 3 . T h e l i g h t w a t e r s y s t e m .

A f t e r t h e c h a r c o a l l t e r , t h e w a t e r p a s s e s i n t o s o f t e n e r s c o n s i s t i n g o f t w o

0 . 1 4 m

3

b o t t l e s c o n t a i n i n g s t r o n g - b a s e P u r o l i t e C 1 0 0 - E c a t i o n e x c h a n g e r e s i n .

H e r e d i v a l e n t i o n s s u c h a s C a a n d M g a r e e x c h a n g e d f o r N a i o n s . T h e s o f t e n e r s

a l s o r e m o v e i r o n a n d s t a b i l i z e c o l l o i d a l p a r t i c l e s s o t h e y d o n o t c o a g u l a t e w h e n

c o n c e n t r a t e d b y t h e R O m e m b r a n e s .

A 9 . 1 % s o l u t i o n o f s o d i u m e t h y l e n e d i a m i n e t e t r a a c e t a t e ( E D T A ) a n d s o d i u m

b i s u l p h a t e i s i n j e c t e d a t 9 m l / m i n . t o c o m p l e x v a r i o u s i o n s p e c i e s ( e . g . , A l )

a n d t o r e d u c e O a n d C l i n t o a f o r m t h a t c a n b e r e j e c t e d b y t h e R O . T h e n t w o

l t e r u n i t s , e a c h c o n t a i n i n g t w e l v e 2 5 - c m l o n g , 3 - m l t e r s , r e m o v e s u s p e n d e d

p a r t i c l e s . A s i l t d e n s i t y i n d e x t e s t i s d o n e a t t h i s p o i n t o n t h e r u n n i n g s y s t e m .

T h e r e v e r s e - o s m o s i s p r o c e s s i s t h e w o r k h o r s e o f t h e p u r i c a t i o n s y s t e m . T w e l v e

s p i r a l - w o u n d t h i n l m c o m p o s i t e ( p o l y a m i d e o n p o l y s u l f o n e ) m e m b r a n e s e a c h

5 . 6 m

2

i n a r e a r e d u c e i n o r g a n i c s a l t l e v e l s b y a f a c t o r o f a t l e a s t 2 0 a n d r e d u c e

o r g a n i c s a n d h e n c e t h e E D T A a n d p a r t i c l e s l a r g e r t h a n m o l e c u l a r w e i g h t 2 0 0

w i t h g r e a t e r t h a n 9 9 % e c i e n c y . T h e R O p e r f o r m a n c e i s m o n i t o r e d o n l i n e b y

p e r c e n t a g e r e j e c t i o n ( t y p i c a l l y 9 7 . 5 % ) a n d c o n d u c t i v i t y m o n i t o r s . A f t e r t h e

d e t e c t o r i s f u l l t h e R O d o e s n o t h a v e t o b e u s e d a g a i n u n l e s s S N O r e q u i r e s

s u b s t a n t i a l a m o u n t s o f m a k e - u p w a t e r i n t h e d e t e c t o r .

A f t e r t h e R O , t h e w a t e r e n t e r s a 1 8 5 - n m U V u n i t c o n s i s t i n g o f m e r c u r y l a m p s

a n d q u a r t z s l e e v e s w h e r e a n y r e m a i n i n g o r g a n i c c o m p o u n d s a r e b r o k e n a p a r t

i n t o i o n i c f o r m . T h e w a t e r n e x t g o e s t o a n i o n - e x c h a n g e u n i t t h a t r e m o v e s

r e m a i n i n g d i s s o l v e d i o n i z e d i m p u r i t i e s l e f t b y t h e R O . T h e s e a r e t w o s e t s o f

s i x b o t t l e s i n p a r a l l e l c o n t a i n i n g 0 . 1 m

3

o f P u r o l i t e n u c l e a r g r a d e N W R - 3 7

m i x e d ( c a t i o n a n d a n i o n ) b e d r e s i n s . T h e e x i t i n g w a t e r h a s a r e s i s t i v i t y o f

1 8 . 2 M - c m .

9


10/58

A c u s t o m { d e s i g n e d P r o c e s s D e g a s s e r ( P D ) i s u s e d t o r e d u c e t h e O

2

a n d R n

l e v e l s b y f a c t o r s o f a b o u t 1 0 0 0 a n d 5 0 , r e s p e c t i v e l y , i n t h e w a t e r 7 ] . T h e P D

c o n s i s t s o f a l a r g e e l e c t r o p o l i s h e d s t a i n l e s s s t e e l v e s s e l ( 8 1 c m d i a m e t e r b y 6 m

h i g h ) c o n t a i n i n g s h o w e r h e a d s , s p h e r i c a l p o l y p r o p y l e n e p a c k i n g a n d h e a t e r e l -

e m e n t s a n d p u m p e d w i t h a m e c h a n i c a l b o o s t e r p u m p ( E d w a r d s E H 5 0 0 A )

b a c k e d b y a f o u r - s t a g e p o s i t i v e d i s p l a c e m e n t r o t a r y p u m p ( E d w a r d s Q D P 8 0

D r y s t a r ) . V a c u u m i s m a i n t a i n e d a t 2 0 t o r r a n d w a t e r v a p o u r o w r a t e a t

o n e k g / h r . T h e P D r e m o v e s a l l g a s e s f r o m t h e w a t e r a n d c a n c a u s e , b y d i f -

f u s i o n , l o w p r e s s u r e s i n s i d e t h e u n d e r w a t e r P M T c o n n e c t o r s . L o w p r e s s u r e

c o m p r o m i s e s t h e b r e a k d o w n v o l t a g e o f t h e c o n n e c t o r s , a n d i n a s u c c e s s f u l e f -

f o r t t o r e d u c e b r e a k d o w n s t h a t o c c u r r e d w i t h d e g a s s e d w a t e r , t h e w a t e r w a s

r e g a s s e d w i t h p u r e n i t r o g e n t o a t m o s p h e r i c p r e s s u r e a t t h e 2 0 0 0 - m d e p t h u s -

i n g a g a s p e r m e a b l e m e m b r a n e u n i t . T h i s u n i t i s f o l l o w e d b y 0 . 1 - m l t e r s t o

r e m o v e p a r t i c u l a t e s . T h e n a 2 5 4 - n m U V u n i t i s u s e d t o k i l l b a c t e r i a . F i n a l l y a

c h i l l e r c o o l s t h e w a t e r t o 1 0

C b e f o r e w a t e r i s p u t i n t o t h e d e t e c t o r a t a r a t e

o f 1 5 0 l / m i n .

T h e w a t e r m a s s b e t w e e n t h e A V a n d t h e P M T s i s a b o u t 1 7 0 0 t o n n e s a n d t h e

m a s s b e t w e e n t h e P M T s a n d t h e c a v i t y w a l l s i s 5 7 0 0 t o n n e s . W a t e r e n t e r s t h e

d e t e c t o r b e t w e e n t h e A V a n d P M T s . B e c a u s e t h i s r e g i o n h a s t o b e c l e a n e r

t h a n t h e r e g i o n o u t s i d e , a 9 9 . 9 9 % l e a k - t i g h t p l a s t i c b a r r i e r s e a l s t h e b a c k o f

t h e P M T s . W a t e r i n t h e o u t e r r e g i o n i s d i r t i e r d u e t o i t s l a r g e c o n t e n t o f

s u b m e r s e d m a t e r i a l ( c a b l e s , s t e e l s u p p o r t , c a v i t y l i n e r , e t c . ) . W a t e r i s d r a w n

f r o m t h i s r e g i o n b a c k t o t h e u t i l i t y r o o m a n d i n t o a r e c i r c u l a t i o n l o o p . T h i s

l o o p c o n s i s t s o f a t e n - t o n n e p o l y p r o p y l e n e t a n k ( u s e d b y t h e c o n t r o l l o o p

t o m a i n t a i n c o n s t a n t w a t e r l e v e l i n t h e d e t e c t o r ) , t h e r s t U V u n i t , t h e i o n

e x c h a n g e c o l u m n s , t h e p r o c e s s d e g a s s e r , t h e N

2

r e g a s s i n g u n i t , t h e 0 . 1 - m

l t e r s , t h e s e c o n d U V u n i t a n d t h e c h i l l e r . T h e r e c i r c u l a t e d l i g h t w a t e r i s

a s s a y e d r e g u l a r l y f o r p H , c o n d u c t i v i t y , t u r b i d i t y , a n i o n s , c a t i o n s , s u s p e n d e d

s o l i d s , d i s s o l v e d g a s e s , a n d r a d i o a c t i v i t y . T h i s i s a c c o m p l i s h e d b y m e a n s o f s i x

s a m p l e p i p e s i n t h e H

2

O v o l u m e .

T h e h e a v y w a t e r s y s t e m i s d e s i g n e d t o p e r f o r m t h e f o l l o w i n g f u n c t i o n s :

R e c e i v e t h e D

2

O a n d m a k e a n i n i t i a l p u r i c a t i o n t o r e d u c e t h e a m o u n t o f

c o n t a m i n a t i o n r e a c h i n g t h e m a i n s y s t e m ;

P u r i f y t h e D

2

O w i t h o r w i t h o u t t h e M g C l

2

a d d i t i v e ;

A s s a y t h e D

2

O o r D

2

O b r i n e t o m a k e a n a c c u r a t e b a c k g r o u n d d e t e r m i n a -

t i o n ;

M a n a g e t h e a d d i t i o n a n d r e m o v a l o f t h e M g C l

2

a d d i t i v e o n a t i m e s c a l e

s h o r t r e l a t i v e t o t h e e x p e c t e d r u n n i n g t i m e s ;

A d i a g r a m o f t h e s y s t e m i s s h o w n i n F i g . 4 .

T h e s o u r c e o f D

2

O w a s t h e O n t a r i o H y d r o B r u c e h e a v y w a t e r p l a n t b e s i d e L a k e

1 0


11/58

From

SampleBottle

Assay

Points

Sample

Control tank

Level2 Tonne

60 T tank

Low Salt Out

UFR

D2O

FR

ROF

ROF

FR

ROF

ROF

AC

FR

FR

HeatExchanger

MDG AC UFR

AC

Salt Tank 60 T

UFR

ROF

FR

Normal Mode LinesDesalination Mode Lines added

AC Absorption Columns (MnOx beads)FR 0.1 micron filters

Monitor DegasserProcess Degasser

MDGPDG

SUF Seeded Ultrafiltration unitUFR Ultrafiltration unit

ROF Reverse Osmosis Filter

SUFUFR

PDG Assay

F i g . 4 . T h e h e a v y w a t e r s y s t e m .

H u r o n . T h e D

2

O w a s t r u c k e d t o t h e S N O s i t e a n d t r a n s p o r t e d u n d e r g r o u n d .

I t w a s c l e a n e d a n d s t o r e d t e m p o r a r i l y b e f o r e i t w a s p u t i n t o t h e a c r y l i c v e s s e l

( A V ) . H e a v y w a t e r d e l i v e r e d t o t h e l a b w a s r s t p a s s e d t h r o u g h i o n - e x c h a n g e

c o l u m n s t o r e d u c e i t s i o n i c c o n t e n t , i n p a r t i c u l a r i t s K c o n t e n t . T h e D

2

O

t h e n w e n t i n t o a l a r g e p o l y p r o p y l e n e - l i n e d t a n k . D u r i n g t h e l l i n g o f t h e H

2

O

a n d D

2

O , t h e D

2

O w a s l l e d a t s u c h a r a t e a s t o m a i n t a i n z e r o p r e s s u r e

d i e r e n t i a l a c r o s s t h e b o t t o m o f t h e A V , w h i c h a s s u r e d t h a t t h e v e s s e l s u r f a c e

w a s g e n e r a l l y i n c o m p r e s s i o n .

W i t h t h e S N O d e t e c t o r l l e d , t h e D

2

O i s r e c i r c u l a t e d t o m a i n t a i n i t s p u r i t y .

T h i s i s a c c o m p l i s h e d b y a n R O s y s t e m c o n s i s t i n g o f v e s e p a r a t e p r e s s u r e

h o u s i n g u n i t s a n d t h e m e m b r a n e s c o n t a i n e d w i t h i n . T w o l a r g e ( 2 2 c m d i a m -

e t e r a n d 5 . 5 m l e n g t h ) u n i t s a r e u s e d i n p a r a l l e l f o r t h e p u r i c a t i o n o f t h e

r e c i r c u l a t i n g h e a v y w a t e r . T h e c o n c e n t r a t e s t r e a m c o n t a i n i n g t h e r a d i o a c t i v e

i o n s p a s s e s t h r o u g h a d s o r p t i o n c o l u m n s t o d e c r e a s e t h e T h , R a a n d P b c o n -

c e n t r a t i o n s .

A l l t h e w a t e r r e t u r n i n g t o t h e A V p a s s e s t h r o u g h a n u l t r a l t r a t i o n u n i t . T h i s

i s p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t f o l l o w i n g M n O

x

a n d s e e d e d u l t r a l t r a t i o n a s s a y s ( s e e

b e l o w ) t o i n s u r e t h a t n e s f r o m t h e s e a b s o r b e r s a r e n o t c a r r i e d i n t o t h e A V .

T h e D

2

O i s a s s a y e d r e g u l a r l y f o r d e n s i t y , p H , c o n d u c t i v i t y , t u r b i d i t y , a n i o n s ,

c a t i o n s , t o t a l o r g a n i c c a r b o n a n d s u s p e n d e d s o l i d s . T a b l e 1 g i v e s t h e i s o t o p i c

c o m p o s i t i o n o f t h e h e a v y w a t e r .

1 1


12/58

T a b l e 1

I s o t o p i c c o m p o s i t i o n o f S N O h e a v y w a t e r .

I s o t o p e A b u n d a n c e I s o t o p e A b u n d a n c e

2

H 9 9 . 9 1 7 ( 5 ) %

1 7

O 0 . 1 7 ( 2 ) %

3

H 0 . 0 9 7 ( 1 0 ) C i / k g

1 8

O 0 . 7 1 ( 7 ) %

1

H B a l a n c e

1 6

O B a l a n c e

T h e D

2

O a n d H

2

O h a v e t o b e i s o l a t e d f r o m t h e l a b o r a t o r y a i r t o p r e v e n t

r a d o n ( a t a c o n c e n t r a t i o n o f 3 p C i / l ) f r o m g e t t i n g i n , e v e n i n t h e p r e s e n c e

o f l a r g e p r e s s u r e t r a n s i e n t s t h a t o c c u r d u r i n g m i n e o p e r a t i o n s . A c o v e r g a s

s y s t e m p r o v i d e s n i t r o g e n g a s t h a t f u n c t i o n s a s a p h y s i c a l b a r r i e r b e t w e e n t h e

w a t e r a n d t h e r a d o n - r i c h l a b o r a t o r y a i r . T h e n i t r o g e n c o m e s f r o m t h e b o i l -

o o f l i q u i d n i t r o g e n s t o r e d i n a 1 0 0 0 - l i t e r d e w a r . T h e b o i l o g a s h a s b e e n

m e a s u r e d t o c o n t a i n l e s s t h a n 1 0

5

p C i r a d o n p e r l i t e r o f n i t r o g e n g a s .

R a d o n i n t h e l a b c a n a l s o e n t e r t h e w a t e r s y s t e m i n o t h e r w a y s . T h e r e f o r e ,

w h e n a l t e r i s c h a n g e d o n t h e D

2

O s y s t e m , r a d o n - f r e e D

2

O a l r e a d y i n t h e

D

2

O s y s t e m w i l l b e u s e d t o u s h t h e l t e r t o g e t r i d o f t r a p p e d l a b o r a t o r y a i r

b e f o r e b r i n g i n g t h e l t e r b a c k o n l i n e . I n t h e H

2

O s y s t e m , H

2

O l o s s e s f r o m t h e

p r o c e s s d e g a s s e r , l t e r c h a n g e s a n d s m a l l l e a k s ( i f a n y ) i n t h e U r y l o n c a v i t y

l i n e r i s m a d e u p w i t h r a d o n - f r e e w a t e r t h a t h a s b e e n \ a g e d " i n a s t o r a g e t a n k .

T h e r a d i o a c t i v i t y r e q u i r e m e n t s a r e s e t p r i m a r i l y b y t h e d e s i g n g o a l s p e c i f y i n g

t h a t t h e c o n t r i b u t i o n t o t h e n e u t r o n - p r o d u c t i o n r a t e t h r o u g h p h o t o d i s i n t e -

g r a t i o n o f t h e d e u t e r o n , w i t h a n i n t e r a c t i o n t h r e s h o l d o f 2 . 2 M e V , s h o u l d n o t

e x c e e d o n e - t e n t h t h a t o f t h e m o d e l s o l a r - n e u t r i n o r a t e ( 5 0 0 0 y

1

) . T h i s l e a d s

t o c o m b i n e d l i m i t s o f 3 1 0

1 5

g / g o f T h a n d 4 5 1 0

1 4

g / g U i n t h e D

2

O

S N O ' s a s s a y s y s t e m s a r e e x p e c t e d t o h a v e a n u n c e r t a i n t y o f n o t m o r e t h a n

2 0 % i n t h e i r m e a s u r e m e n t a t t h e s e i m p u r i t y l e v e l s , a l t h o u g h p l a t i n g m a y g i v e

r i s e t o a s y s t e m a t i c u n c e r t a i n t y . T h e r e a r e s i x s a m p l e p i p e s i n v a r i o u s l o c a t i o n s

i n s i d e t h e A V t h a t a l l o w D

2

O s a m p l e s t o b e w i t h d r a w n f o r r a d i o a s s a y .

F o r T h , R a a n d P b a s s a y t h e s e e d e d u l t r a l t r a t i o n 8 ] t e c h n i q u e ( S U F ) w i l l b e

u s e d . T h e S U F u n i t c o n t a i n s f o u r l a r g e m i c r o l t e r s t h i n l y c o a t e d w i t h D T i O .

O n e h u n d r e d t o n n e s o f w a t e r a t a r a t e o f 1 5 0 l / m i n w i l l b e p a s s e d t h r o u g h

t h e m . T h e n t h e l t e r s a r e r e m o v e d a n d t h e T h , R a , a n d P b s t r i p p e d o a n d

c o u n t e d . A c r y l i c b e a d s c o a t e d w i t h M n O

x

h a v e b e e n s h o w n t o b e a n e x c e l l e n t

a d s o r b e r f o r R a w i t h a n e x t r a c t i o n e c i e n c y o f a b o u t 9 0 % 9 ] . W a t e r i s p a s s e d

a t 2 0 l / m i n . t h r o u g h a 1 - l c o l u m n c o n t a i n i n g t h e M n O

x

w h i c h i s r e m o v e d o -

l i n e f o r c o u n t i n g o f t h e R a d a u g h t e r s u s i n g a n e l e c t r o s t a t i c d e v i c e i n w h i c h

c h a r g e d i o n s a r e d e p o s i t e d o n t h e s u r f a c e o f a s i l i c o n d e t e c t o r 1 0 ] .

T h e n u m b e r o f

2 2 2

R n ( 3 . 8 - d h a l f - l i f e ) i s m e a s u r e d i n s i x t o n n e s o f l i q u i d t a k e n

f r o m o n e o f s i x r e g i o n s i n t h e H

2

O o r o n e o f s i x r e g i o n s i n t h e D

2

O . T h e s i x

1 2


13/58

t o n n e s o f w a t e r a r e p u t t h r o u g h a s m a l l v a c u u m d e g a s s e r 1 1 ] a t 2 0 l / m i n .

T h e g a s s e s w h i c h a r e r e m o v e d f r o m t h e w a t e r a r e p r i m a r i l y N

2

, O

2

, A r , C O

2

a n d a f e w h u n d r e d a t o m s o f

2 2 2

R n , a s w e l l a s 1 0 m l / m i n i n t h e f o r m o f w a t e r

v a p o u r . R n i s s u b s e q u e n t l y f r o z e n o u t i n a U - s h a p e d t r a p c o o l e d w i t h l i q u i d

n i t r o g e n ( - 1 9 2 C ) a n d t r a n s f e r r e d t o a Z n S c o a t e d s c i n t i l l a t i o n c e l l 1 2 ] f o r

c o u n t i n g .

T o e n h a n c e t h e n e u t r a l - c u r r e n t d e t e c t i o n , M g C l

2

w i l l b e a d d e d t o t h e w a t e r

t o t a k e a d v a n t a g e o f t h e l a r g e r n e u t r o n - c a p t u r e c r o s s s e c t i o n o f C l r e l a t i v e t o

d e u t e r i u m . A c o n c e n t r a t i o n o f a p p r o x i m a t e l y 0 . 2 % w i l l b e u s e d . A D

2

O b r i n e

s o l u t i o n t h a t h a s b e e n p u r i e d p r i o r t o t r a n s p o r t u n d e r g r o u n d i s p u t i n t o a

l a r g e p o l y p r o p y l e n e l i n e d t a n k . W h e n i t i s t i m e t o a d d t h e M g C l

2

t o t h e A V ,

t h i s t a n k w i l l s l o w l y b e e m p t i e d . A t t h e s a m e t i m e , a n e q u i v a l e n t v o l u m e o f

s a l t - f r e e D

2

O w i l l b e t a k e n o u t o f t h e A V a n d p u t i n t o a s e c o n d p o l y p r o p y l e n e

l i n e d t a n k .

T o t a k e t h e M g C l

2

o u t o f t h e A V , t h e t h i r d R O u n i t w i l l b e u s e d i n c o m b i n a t i o n

w i t h t h e t w o m a i n o n e s t o d e s a l i n a t e t h e w a t e r t o a b o u t 1 0 0 p a r t s p e r m i l l i o n

( p p m ) . I n a s e c o n d d e s a l i n a t i o n p a s s , a f o u r t h , s m a l l e r R O u n i t w i l l b e a d d e d

t o t h e p r o c e s s t o d e s a l i n a t e t h e D

2

O t o a b o u t o n e p p m .

3 A c r y l i c V e s s e l

T h e D

2

O c o n t a i n m e n t v e s s e l m u s t m e e t d i v e r s e r e q u i r e m e n t s , s o m e o f w h i c h

p r e s e n t o p p o s i n g d e s i g n c o n s t r a i n t s . T h e p r i m a r y d e s i g n c r i t e r i a f o r t h e c o n -

t a i n m e n t v e s s e l a r e :

I s o l a t e 1 0 0 0 t o n n e s o f D

2

O f r o m s u r r o u n d i n g H

2

O

M a i n t a i n s t r u c t u r a l i n t e g r i t y a n d p e r f o r m a n c e o v e r t e n y e a r s w h i l e i m -

m e r s e d i n u l t r a p u r e D

2

O a n d H

2

O a n d s u b j e c t e d t o t h e s e i s m i c a c t i v i t y

e x p e c t e d i n a n o p e r a t i n g m i n e .

M i n i m i z e t h e t o t a l m a s s o f r a d i o a c t i v e i m p u r i t i e s .

M a x i m i z e o p t i c a l p e r f o r m a n c e .

D e s i g n f o r c o n s t r u c t i o n i n t h e m i n e .

T h e d e s i g n c r i t e r i a l i s t e d a b o v e r e s u l t e d i n t h e c o n t a i n m e n t v e s s e l s h o w n i n

F i g . 5 .

A 1 2 m e t e r d i a m e t e r s p h e r e w a s c h o s e n a s t h e o p t i m u m s h a p e f o r t h e c o n t a i n -

m e n t v e s s e l . A s p h e r e h a s t h e l a r g e s t v o l u m e - t o - s u r f a c e r a t i o , a n d o p t i m u m

s t r e s s d i s t r i b u t i o n . T h i s r e d u c e s t h e m a s s o f a c r y l i c n e e d e d , a n d h e n c e t h e

a m o u n t o f r a d i o a c t i v i t y . T h e s p h e r e i s s u s p e n d e d f r o m t e n l o o p s o f r o p e , w h i c h

a r e a t t a c h e d t o t h e v e s s e l b y m e a n s o f r o p e g r o o v e s l o c a t e d a r o u n d t h e e q u a -

1 3


14/58

CHIMNEY

SUSPENSION ROPES

ACRYLIC PANELS

BOND LINES

F i g . 5 . T h e S N O a c r y l i c c o n t a i n m e n t v e s s e l .

t o r o f t h e s p h e r e . T h e c h o i c e o f r o p e s u s p e n s i o n w a s d r i v e n b y r a d i o a c t i v i t y

a n d o p t i c a l c o n s i d e r a t i o n s : a r o p e u n d e r t e n s i o n o e r s e x c e l l e n t l o a d b e a r i n g

c a p a c i t y f o r a m i n i m u m m a s s , a n d i t p r e s e n t s t h e m i n i m u m o b s t r u c t i o n o f t h e

1 4


15/58

C e r e n k o v l i g h t t h a t n e u t r i n o i n t e r a c t i o n s p r o d u c e .

T o a l l o w t h e i n s e r t i o n o f c a l i b r a t i o n d e v i c e s a n d t h e i n s t a l l a t i o n o f t h e

3

H e

n e u t r o n d e t e c t o r s t r i n g s , t h e s p h e r e i s p r o v i d e d w i t h a 1 . 5 - m d i a m e t e r b y 6 . 8 -

m t a l l c h i m n e y . P i p i n g a l s o e n t e r s a n d e x i t s t h e v e s s e l t h r o u g h t h i s c h i m n e y .

F o r l l i n g a n d p u r i c a t i o n r e c i r c u l a t i o n r e q u i r e m e n t s 7 . 6 - c m d i a m e t e r p i p e s

i n t r o d u c e D

2

O a t t h e b o t t o m o f t h e v e s s e l a n d r e m o v e i t f r o m t h e t o p o f t h e

c h i m n e y . D

2

O m a y b e e x t r a c t e d v i a 3 . 8 - c m d i a m e t e r p i p e s f r o m f o u r d i e r e n t

l e v e l s i n t h e v e s s e l a n d o n e i n t h e c h i m n e y f o r m e a s u r e m e n t s o f b o t h c h e m i c a l

a n d r a d i o a c t i v e w a t e r q u a l i t y .

A t o t a l o f 1 2 2 u l t r a v i o l e t t r a n s m i t t i n g ( U V T ) a c r y l i c p a n e l s w e r e u s e d i n

t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e s p h e r i c a l p a r t o f t h e c o n t a i n m e n t v e s s e l . T h e s e p a n e l s

w e r e n o m i n a l l y 5 . 6 c m t h i c k , w i t h t h e e x c e p t i o n o f t h e t e n e q u a t o r i a l p a n e l s

c o n t a i n i n g g r o o v e s f o r t h e s u s p e n s i o n r o p e s . T h e s e r o p e g r o o v e p a n e l s w e r e

n o m i n a l y 1 1 . 4 c m t h i c k . A c r y l i c s h e e t w a s c h o s e n a s t h e c o n s t r u c t i o n m a t e r i a l

f o r a n u m b e r o f r e a s o n s . A s i m p l e h y d r o c a r b o n , U V T a c r y l i c c a n b e m a n u -

f a c t u r e d w i t h v e r y l o w i n t r i n s i c r a d i o a c t i v i t y . T h e l i g h t t r a n s m i s s i o n o f U V T

a c r y l i c m a t c h e s r e a s o n a b l y t h e s p e c t r a l r e s p o n s e o f t h e P M T s . C a s t a c r y l i c

s h e e t i s c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e i n s i z e s a c c e p t a b l e f o r m i n e t r a n s p o r t a t i o n . I t

i s r e a d i l y t h e r m o f o r m e d i n t o s p h e r i c a l s e g m e n t s a n d i s e a s i l y m a c h i n e d . I t i s

c a p a b l e o f b e i n g b o n d e d t o g e t h e r w i t h b o n d s t r e n g t h s c l o s e t o t h a t o f t h e

p a r e n t m a t e r i a l .

T h e a t c a s t a c r y l i c p a n e l s w e r e r s t t h e r m o f o r m e d i n t o s p h e r i c a l s e c t i o n s

b y s l u m p f o r m i n g i n t o a f e m a l e m o l d f o r m e d f r o m p o l i s h e d a l u m i n u m p l a t e

w i t h a r a d i u s o f 6 . 0 6 m ( t h e o u t e r r a d i u s o f t h e s p h e r e ) . T h e p a n e l s w e r e

t h e n m a c h i n e d t o t h e c o r r e c t s h a p e o n a v e - a x i s m i l l i n g m a c h i n e w h i l e a t a

c o n s t a n t t e m p e r a t u r e o f 2 1

C . T o a v o i d c o n t a m i n a t i o n , o n l y c l e a n w a t e r w a s

u s e d a s a l u b r i c a n t d u r i n g m a c h i n i n g o p e r a t i o n s .

A n a l c h e c k o f t h e d i m e n s i o n s w a s m a d e b y \ d r y a s s e m b l i n g " t h e p a n e l s

o n a s p e c i a l f r a m e w o r k t o f o r m r s t t h e u p p e r h e m i s p h e r e , t h e n t h e l o w e r

h e m i s p h e r e . T h i s e n s u r e d t h a t a l l t h e p a n e l s c o u l d b e t t e d t o g e t h e r w i t h i n

t h e s p e c i e d t o l e r a n c e o f 2 5 m m o n t h e s p h e r i c a l c u r v a t u r e r e q u i r e d b y t h e

b u c k l i n g c r i t e r i a . D u r i n g c o n s t r u c t i o n t h e c u r v a t u r e w a s t y p i c a l l y m a i n t a i n e d

t o 6 m m .

T h e p a n e l s w e r e b o n d e d t o g e t h e r u s i n g a p a r t i a l l y p o l y m e r i z e d a d h e s i v e t h a t

c u r e s a t r o o m t e m p e r a t u r e . T h i s a d h e s i v e w a s f o r m u l a t e d b y R e y n o l d s P o l y -

m e r T e c h n o l o g y I n c . , t h e f a b r i c a t o r s o f t h e a c r y l i c v e s s e l . T h e b o n d s a r e a p -

p r o x i m a t e l y 3 m m t h i c k a n d s p e c i a l a l l o w a n c e h a s t o b e m a d e f o r t h e 2 0 %

s h r i n k a g e d u r i n g p o l y m e r i z a t i o n o f t h e a d h e s i v e . I t t o o k c o n s i d e r a b l e R & D

a n d c o n s t r u c t i o n t i m e t o o b t a i n o v e r 5 0 0 m o f a d e q u a t e q u a l i t y b o n d s . A l l

b o n d s t r e n g t h s e x c e e d e d 2 7 . 5 M P a . P r i o r t o b o n d i n g t h e m a i n v e s s e l t h e b o n d -

1 5


16/58

T a b l e 2

P r i n c i p a l f e a t u r e s o f t h e c o n t a i n m e n t v e s s e l ( a l l n u m b e r s a r e a t 2 0

C )

C a p a c i t y o f s p h e r e 9 9 7 . 9 1 t o n n e s o f D

2

O

V e s s e l i n t e r n a l d i a m e t e r 1 2 . 0 1 m

N o m i n a l w a l l t h i c k n e s s 5 . 5 c m

M a s s o f s p h e r e 3 0 . 0 t o n n e s

C a p a c i t y o f c h i m n e y ( n o r m a l o p e r a t i o n ) 8 . 6 1 t o n n e s o f D

2

O

C h i m n e y i n t e r n a l d i a m e t e r 1 . 4 6 m

C h i m n e y h e i g h t 6 . 8 m

M a s s o f c h i m n e y 2 . 5 3 t o n n e s

B u l k a b s o r p t i o n c o e . o f l i g h t i n a c r y l i c . 0 1 c m

1

@ 4 0 0 n m

. 0 4 c m

1

@ 3 6 0 n m

. 1 8 c m

1

@ 3 2 0 n m

i n g t e c h n i q u e s w e r e p r o t o t y p e d b y b u i l d i n g t w o s m a l l ( s e v e n - p a n e l ) s e c t i o n s

o f t h e s p h e r e .

F i r s t t h e u p p e r h e m i s p h e r e o f t h e v e s s e l w a s b u i l t a n d t h e c h i m n e y a t t a c h e d .

T h e c h i m n e y o f t h e c o n t a i n m e n t v e s s e l w a s m a d e o f v e c y l i n d e r s o f u l t r a v i o l e t

a b s o r b i n g ( U V A ) c a s t a c r y l i c t o r e d u c e t h e \ p i p i n g " o f u n w a n t e d

C e r e n k o v

l i g h t f r o m t h e s e r e g i o n s i n t o t h e i n n e r v o l u m e o f t h e d e t e c t o r .

T h e h e m i s p h e r e w a s t h e n r a i s e d i n t o i t s n a l p o s i t i o n a n d s u s p e n d e d o n i t s

t e n s u p p o r t i n g r o p e s . V e c t r a n b e r s w e r e c h o s e n a s t h e m a t e r i a l f o r t h e s u s -

p e n s i o n r o p e s , n o t o n l y f o r t h e i r l o w r a d i o a c t i v i t y b u t a l s o f o r t h e i r a b i l i t y

t o r e t a i n s t r e n g t h d u r i n g l o n g t e r m e x p o s u r e t o u l t r a p u r e w a t e r . A t o t a l o f

3 0 0 k g o f V e c t r a n l a m e n t w a s s u p p l i e d b y H o e c h s t - C e l a n e s e C o m p a n y . T h e

l a m e n t s w e r e t w i s t e d i n t o r o p e b y Y a l e C o r d a g e . D u e t o t h e l a r g e s u r f a c e

a r e a o f t h e l a m e n t s t h i s r e p r e s e n t s a s i g n i c a n t c o n t a m i n a t i o n p o t e n t i a l d u e

t o d u s t d e p o s i t i o n . T h e r e f o r e t h e t w i s t i n g m a c h i n e s w e r e c a r e f u l l y c l e a n e d

a n d t e n t e d i n p l a s t i c p r i o r t o u s e . E a c h o f t h e t e n l o o p s s u p p o r t i n g t h e v e s s e l

i s a p p r o x i m a t e l y 3 0 m l o n g a n d 2 4 . 4 m m i n d i a m e t e r . I n n o r m a l o p e r a t i o n ,

e a c h l o o p i s c o n t i n u o u s l y l o a d e d t o v e t o n n e s , o r a p p r o x i m a t e l y 1 0 % o f i t s

u l t i m a t e s t r e n g t h o f 5 0 0 , 0 0 0 N .

W o r k i n g f r o m a s u s p e n d e d c o n s t r u c t i o n p l a t f o r m , s u b s e q u e n t r i n g s o f t h e

l o w e r h e m i s p h e r e w e r e c o n s t r u c t e d a n d a t t a c h e d t o t h e h a n g i n g u p p e r h e m i -

s p h e r e . A s c o n s t r u c t i o n p r o g r e s s e d t h e p l a t f o r m w a s l o w e r e d u n t i l t h e n a l

\ s o u t h p o l e " d i s k w a s i n s t a l l e d .

T h e p r i n c i p a l f e a t u r e s o f t h e c o n t a i n m e n t v e s s e l a r e l i s t e d i n T a b l e 2 .

1 6


17/58

T a b l e 3

M e c h a n i c a l m e a s u r e m e n t s o f t h e a c r y l i c p a n e l s .

T e n s i l e s t r e n g t h 7 9 M P a

T e n s i l e e l o n g a t i o n 5 . 0 5 %

T e n s i l e m o d u l u s 3 . 5 G P a

C o m p r e s s i v e d e f o r m a t i o n 0 . 3 6 %

R e s i d u a l m o n o m e r 1 . 2 2 %

I f a c r y l i c i s s u b j e c t t o e x c e s s i v e s t r e s s f o r e x t e n d e d p e r i o d s o f t i m e i t w i l l

d e v e l o p c r a z i n g c r a c k s w h i c h e v e n t u a l l y w i l l l e a d t o p r e m a t u r e f a i l u r e . T h e

t e n - y e a r d e s i g n l i f e o f t h e v e s s e l r e q u i r e s t h a t t h e l o n g - t e r m t e n s i l e s t r e s s e s

n o t e x c e e d 4 M P a . I n o r d e r t o r e d u c e f u r t h e r t h e t e n s i l e s t r e s s e s , i t w a s d e c i d e d

t o p l a c e t h e v e s s e l i n c o m p r e s s i o n d u r i n g n o r m a l o p e r a t i o n b y a d j u s t i n g t h e

H

2

O l e v e l w i t h r e s p e c t t o t h e D

2

O l e v e l . O p t i m i z a t i o n o f t h e d e s i g n w a s c a r -

r i e d o u t w i t h t h e A N S Y S 1 4 ] n i t e - e l e m e n t a n a l y s i s c o d e . T h e s t r u c t u r e w a s

s t u d i e d u n d e r a v a r i e t y o f s i m u l a t e d c o n d i t i o n s , b o t h n o r m a l a n d a b n o r m a l

( e . g . , w i t h a b r o k e n s u s p e n s i o n r o p e ) . F o r a l l t h e s e s t u d i e s i t w a s a s s u m e d t h a t

t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e b o n d s w e r e i d e n t i c a l t o t h a t o f t h e a c r y l i c ,

a n a s s u m p t i o n s u p p o r t e d b y m e a s u r e m e n t s o f b o n d e d t e s t s p e c i m e n s .

T h e P o l y c a s t C o r p . m e a s u r e d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e a c r y l i c p a n e l s t o

i n s u r e t h a t e a c h s h e e t m e t d e s i g n s p e c i c a t i o n s f o r t h i c k n e s s a n d m e c h a n i c a l

i n t e g r i t y . T h e a v e r a g e s o f v e m e a s u r e m e n t s a r e l i s t e d i n T a b l e 3 . T h e l o w

p e r c e n t a g e o f r e s i d u a l m o n o m e r l i s t e d i n t h e t a b l e i n d i c a t e s t h a t t h e p o l y m e r -

i z a t i o n p r o c e s s i s e s s e n t i a l l y c o m p l e t e a n d t h a t t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f

t h e a c r y l i c w i l l n o t c h a n g e .

S t r e s s l e v e l s i n b o n d e d p a n e l s w e r e a l s o r e c o r d e d b y p o s i t i o n i n g c r o s s e d p o -

l a r i s e r s o n e a c h s i d e o f t h e b o n d a n d p h o t o g r a p h i n g f r i n g e s . A t t h e e n d , t h e

v e s s e l w a s s u c c e s s f u l l y p r o o f - t e s t e d b y r e d u c i n g t h e i n t e r n a l p r e s s u r e 7 k P a

b e l o w a m b i e n t p r e s s u r e t o s u b j e c t t h e s p h e r e t o b u c k l i n g f o r c e s a n d b y p r e s -

s u r i z i n g i t t o 1 4 k P a a b o v e a m b i e n t p r e s s u r e t o s u b j e c t a l l t h e b o n d s t o t e n s i l e

s t r e s s e s .

T h e r a d i o a c t i v e a n d o p t i c a l r e q u i r e m e n t s f o r t h e a c r y l i c w e r e e s t a b l i s h e d b y

M o n t e C a r l o s i m u l a t i o n o f t h e d e t e c t o r . T o e n s u r e t h a t t h e a c r y l i c w o u l d

m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e d e t e c t o r , t h e r a d i o a c t i v e p r o p e r t i e s w e r e m e a -

s u r e d t h r o u g h o u t t h e s u p p l y o f m a t e r i a l s b y m e a n s o f n e u t r o n a c t i v a t i o n ,

m a s s s p e c t r o m e t r y , a n d a l p h a s p e c t r o s c o p y . C o n c e n t r a t i o n s o f T h a n d U i n

e a c h a c r y l i c s a m p l e w e r e m e a s u r e d t o b e l e s s t h a n t h e s p e c i e d 1 . 1 p g / g e a c h .

F o r t h e e l e v e n r o p e s p r o d u c e d , t w e l v e 2 . 5 - k g s a m p l e s w e r e t a k e n f r o m t h e

b e g i n n i n g a n d e n d o f a p r o d u c t i o n r u n a n d b e t w e e n e a c h r o p e . D i r e c t g a m m a

c o u n t i n g y i e l d e d u p p e r l i m i t s o f 2 0 0 p g / g T h a n d U , i n a g r e e m e n t w i t h t h e

a v e r a g e v a l u e o f s m a l l - s a m p l e n e u t r o n - a c t i v a t i o n r e s u l t s .

1 7


18/58

O p t i c a l a b s o r p t i o n c o e c i e n t s f o r e a c h p r o d u c t i o n b a t c h o f a c r y l i c s h e e t s w e r e

m e a s u r e d f o r s a m p l e s c u t f r o m t h e s h e e t s . O v e r 3 0 0 m e a s u r e m e n t s w e r e p e r -

f o r m e d . A u s e f u l g u r e o f m e r i t i s t h e r a t i o o f t h e l i g h t d e t e c t e d w i t h a c r y l i c

t o t h e l i g h t d e t e c t e d w i t h o u t a c r y l i c b e t w e e n 3 0 0 n m a n d 4 4 0 n m a t n o r m a l

i n c i d e n c e . T h e g u r e o f m e r i t f o r t h e t e n t h i c k e r e q u a t o r i a l r o p e g r o o v e p a n e l s

w a s c a l c u l a t e d f r o m t h e a b s o r p t i o n c o e c i e n t a s i f t h e y w e r e 5 . 6 c m t h i c k .

F o r t h e 1 7 0 s h e e t s m a n u f a c t u r e d t h e a v e r a g e g u r e o f m e r i t i s 0 . 7 3 .

4 P h o t o m u l t i p l i e r T u b e s

T h e p r i m a r y d e s i g n c o n s i d e r a t i o n s f o r t h e P M T s y s t e m a r e

H i g h p h o t o n d e t e c t i o n e c i e n c y ,

M i n i m a l a m o u n t o f r a d i o a c t i v i t i e s i n a l l c o m p o n e n t s ,


19/58

a n d p l a s t i c w e r e a l s o m e a s u r e d .

F o l l o w i n g d e t a i l e d s t r e s s a n a l y s i s o f t h e p r o p o s e d g l a s s e n v e l o p e s , a m u s h -

r o o m s h a p e d e n v e l o p e w a s j u d g e d t o b e m o s t s u i t a b l e f o r t h i s u n d e r w a t e r

a p p l i c a t i o n a n d l e a s t l i k e l y t o d e t e r i o r a t e u n d e r l o n g t e r m h y d r a u l i c p r e s s u r e

i n U P W . S c h o t t G l a s w e r k e p r o d u c e d a n e w b o r o s i l i c a t e g l a s s ( S c h o t t 8 2 4 6 )

f o r S N O . T h e T h a n d U i m p u r i t i e s i n t h i s g l a s s a r e l e s s t h a n 4 0 p p b . I t s w a -

t e r r e s i s t a n c e i s r a t e d a s c l a s s 1 ( s a m e a s P y r e x ) . I n a d d i t i o n , t h i s g l a s s h a s

o u t s t a n d i n g o p t i c a l t r a n s m i s s i o n p r o p e r t i e s a t s h o r t w a v e l e n g t h s , w i t h a b u l k

l i g h t a b s o r p t i o n c o e c i e n t o f b e t t e r t h a n 0 5 c m

1

a t 3 2 0 n m w a v e l e n g t h , a n d

l o w H e p e r m e a b i l i t y . S c h o t t r e t t e d a f u r n a c e w i t h a s p e c i a l l o w - r a d i o a c t i v i t y

l i n e r t o p r o d u c e 1 6 0 0 0 m o u t h b l o w n b u l b s f o r S N O a n d t h e L S N D P r o j e c t 1 6 ] .

T h e m o s t i m p o r t a n t P M T p a r a m e t e r s a r e t h e n o i s e r a t e , t h e e c i e n c y , t h e

t r a n s i t - t i m e s p r e a d a n d t h e a m o u n t o f K , U a n d T h i n e a c h P M T . T h e e n e r g y

r e s o l u t i o n a n d t h e e v e n t v e r t e x s p a t i a l r e s o l u t i o n a r e l a r g e l y d e t e r m i n e d b y t h e

r s t t h r e e p a r a m e t e r s a n d t h e d e t e c t o r e n e r g y t h r e s h o l d i s s t r o n g l y a e c t e d

b y t h e r a d i o a c t i v i t i e s i n t h e P M T c o m p o n e n t s .

T h e H a m a m a t s u R 1 4 0 8 P M T w a s s e l e c t e d f o r u s e i n S N O . A s c h e m a t i c d r a w -

i n g o f t h e R 1 4 0 8 i s s h o w n i n F i g . 6 . F r o m t h e m e a s u r e d U a n d T h c o n c e n -

t r a t i o n s i n t h e i n t e r n a l p a r t s a n d g l a s s e n v e l o p e , t h e t o t a l w e i g h t o f T h a n d

U i n e a c h P M T i s e s t i m a t e d t o b e a b o u t 1 0 0 g , a b o u t a f a c t o r o f 1 4 b e l o w

s p e c i c a t i o n s . T h e 9 4 3 8 i n w a r d f a c i n g P M T s c o l l e c t t h e

C e r e n k o v p h o t o n s ,

p r o v i d i n g a p h o t o c a t h o d e c o v e r a g e o f 3 1 % . T o i m p r o v e t h e l i g h t c o l l e c t i o n

e c i e n c y , a 2 7 c m d i a m e t e r l i g h t c o n c e n t r a t o r i s m o u n t e d o n e a c h P M T , i n -

c r e a s i n g t h e e e c t i v e p h o t o c a t h o d e c o v e r a g e t o a b o u t 5 9 % . T h e r e e c t i v i t y

o f t h e c o n c e n t r a t o r r e d u c e s t h i s g u r e t o 5 4 % . O f t h e i n w a r d f a c i n g t u b e s ,

4 9 h a v e a d y n o d e t a p a n d a s e c o n d s i g n a l c a b l e . T h e s e \ l o w g a i n " c h a n n e l s

e x t e n d t h e d y n a m i c r a n g e o f S N O a t h i g h l i g h t i n t e n s i t i e s b y a b o u t a f a c t o r o f

1 0 0 . A n o t h e r 9 1 P M T s w i t h o u t c o n c e n t r a t o r s a r e m o u n t e d f a c i n g o u t w a r d t o

d e t e c t l i g h t f r o m m u o n s a n d o t h e r s o u r c e s i n t h e r e g i o n e x t e r i o r t o t h e P M T

s u p p o r t s t r u c t u r e .

T h e P M T a n o d e i s a t p o s i t i v e h i g h v o l t a g e , t y p i c a l l y i n t h e r a n g e 1 7 0 0 V t o

2 1 0 0 V , a n d t h e p h o t o c a t h o d e i s a t g r o u n d v o l t a g e . A s i n g l e R G 5 9 / U t y p e

c a b l e i s u s e d t o c a r r y t h e h i g h v o l t a g e a n d t h e f a s t a n o d e p u l s e w h i c h i s c a p a c -

i t i v e l y c o u p l e d t o t h e f r o n t - e n d e l e c t r o n i c s . T h e p r i m a r y c o n c e r n i n s e l e c t i n g

m a t e r i a l s f o r t h e r e s i s t o r c h a i n c i r c u i t b o a r d i s r a d i o a c t i v i t y . E a c h t w o - l a y e r

K a p t o n c i r c u i t b o a r d , w i t h s u r f a c e m o u n t e d c o m p o n e n t s a n d a t h r o u g h - h o l e

0 . 0 0 4 7 - F l m c a p a c i t o r s f o r l t e r i n g a n d s o u r c e t e r m i n a t i o n , c o n t a i n s a t o t a l

o f a b o u t 2 g o f t h o r i u m a n d 0 . 6 g o f u r a n i u m , a b o u t a f a c t o r o f v e l o w e r

t h a n t h e d e s i g n g o a l .

1 9


20/58

5.4

Endcap

20.4

2.8

7.5

Heat Shrink

Glue

Cable

O-Rings

Plug

F i g . 6 . A s c h e m a t i c o f t h e H a m a m a t s u R 1 4 0 8 P M T a n d i t s w a t e r p r o o f e n c l o s u r e .

T h e 9 d y n o d e s a r e s h o w n a s s o l i d h o r i z o n t a l l i n e s . T h e f o c u s i n g g r i d i s s h o w n a s

t h e d a s h e d l i n e s a b o v e t h e d y n o d e s . T h e v o l u m e i n s i d e t h e e n c l o s u r e i s l l e d w i t h

s o f t s i l i c o n e g e l . T h e e n d c a p i s e x i b l e t o a l l o w f o r t h e r m a l e x p a n s i o n . T h e p l u g i s

s e a l e d w i t h h e a t s h r i n k a n d t h e r m a l a d h e s i v e . D i m e n s i o n s a r e i n c m .

T h e m a i n f u n c t i o n o f t h e w a t e r p r o o f e n c l o s u r e i s t o k e e p t h e P M T b a s e d r y

w h e n t h e P M T i s d e p l o y e d u n d e r w a t e r . T h e r e a r e t w o w a t e r b a r r i e r s p r o -

t e c t i n g t h e c i r c u i t b o a r d t o e n s u r e a l o w f a i l u r e r a t e . T h e o u t e r e n c l o s u r e

c o n s i s t s o f a p l a s t i c h o u s i n g , w a t e r p r o o f m o d i e d \ T N C " c o n n e c t o r a n d h e a t

s h r i n k t u b i n g w i t h t h e r m a l a d h e s i v e . ( A c o n n e c t o r w a s u s e d t o s i m p l i f y c o n -

s t r u c t i o n a n d c a b l i n g . ) T h e s h r i n k t u b i n g a n d a d h e s i v e a r e u s e d t o h o l d t h e

p l a s t i c h o u s i n g o n t o t h e P M T . T h e c a v i t y i n s i d e t h e e n c l o s u r e i s l l e d w i t h

a s i l i c o n e d i e l e c t r i c g e l ( G E R T V 6 1 9 6 ) w h i c h a c t s a s t h e s e c o n d w a t e r s e a l .

T h e s i l i c o n e g e l c o n t a i n s l e s s t h a n 2 3 n g / g o f T h a n d l e s s t h a n 1 2 n g / g o f U .

T h e p o l y p r o p y l e n e p l a s t i c h o u s i n g c o n t a i n s l e s s t h a n 1 0 p p b o f T h a n d l e s s

t h a n 6 p p b o f U . T h e h e a t s h r i n k t u b i n g i s m a d e o f c l e a r p o l y o l e n w h i c h h a s

l o w T h a n d U i m p u r i t i e s . T h e T N C c o n n e c t o r w a s p r o v i d e d b y M / A - C O M

w i t h m o d i c a t i o n s s p e c i e d b y S N O . T h e s e c o n n e c t o r s e x h i b i t e d b r e a k d o w n

a t n o m i n a l h i g h v o l t a g e s e t t i n g s , a p r o b l e m w h i c h w a s o v e r c o m e b y t h e a d d i -

t i o n o f n i t r o g e n g a s t o t h e w a t e r , a s d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n . H e a t

s h r i n k a n d t h e r m a l a d h e s i v e s e a l t h e c a b l e t o t h e m a l e c o n n e c t o r .

T h e R G 5 9 / U t y p e c a b l e w a s d e s i g n e d b y B e l d e n , I n c . f o r S N O . I t c o n s i s t s o f

a c o p p e r c l a d s t e e l c e n t r a l c o n d u c t o r s u r r o u n d e d i n s u c c e s s i o n b y 1 . 8 5 m m

t h i c k s o l i d p o l y e t h y l e n e d i e l e c t r i c , 9 5 % t i n n e d c o p p e r b r a i d , D u o f o i l b o n d e d

m e t a l l i c s h i e l d a n d 1 . 3 m m t h i c k h i g h - d e n s i t y p o l y e t h y l e n e o u t e r j a c k e t . T h e

c o l o u r i n g c o m p o u n d m i x i n t h e o u t e r j a c k e t i s r e d u c e d t o 0 . 1 % c a r b o n b l a c k ,

t h e m i n i m u m a m o u n t n e e d e d t o m a k e t h e j a c k e t o p a q u e . E a c h P M T c a b l e

i s 3 2 m l o n g a n d c o n t a i n s b e t w e e n 1 0 { 1 7 g o f T h a n d a f e w g o f U . T h e

2 0


21/58

a t t e n u a t i o n a t 4 0 0 M H z i s 7 . 3 d B = 3 0 . 5 m . T h e d e l a y i s 4 . 9 n s = m

T h e H a m a m a t s u R 1 4 0 8 P M T h a s u n u s u a l l y s t a b l e g a i n c h a r a c t e r i s t i c s w i t h

r e s p e c t t o t h e i n u e n c e o f w e a k m a g n e t i c e l d s 1 7 ] . I n t h e S N O d e t e c t o r t h e

e a r t h ' s m a g n e t i c e l d i s a b o u t 5 5 T a n d p o i n t s a p p r o x i m a t e l y 1 5 d e g r e e s o

t h e v e r t i c a l a x i s . I n s u c h a e l d , t h e p h o t o n - d e t e c t i o n e c i e n c y a v e r a g e o v e r

a l l t h e P M T s w o u l d b e a b o u t 8 2 % o f t h e d e t e c t i o n e c i e n c y a t z e r o m a g n e t i c

e l d . B e c a u s e t h e P M T e c i e n c y i s r e d u c e d b y l e s s t h a n 3 % a t m a g n e t i c e l d

i n t e n s i t i e s o f 2 0 T , o n l y t h e v e r t i c a l c o m p o n e n t o f t h e m a g n e t i c e l d i n t h e

S N O d e t e c t o r i s c a n c e l l e d w i t h 1 4 h o r i z o n t a l e l d - c o m p e n s a t i o n c o i l s e m b e d -

d e d i n t h e c a v i t y w a l l s . W i t h t h e p r o p e r c u r r e n t s , t h e m a x i m u m r e s i d u a l e l d

i n t h e P M T r e g i o n i s 1 9 T , a n d t h e r e d u c t i o n i n p h o t o n - d e t e c t i o n e c i e n c y

i s a b o u t 2 . 5 % f r o m t h e z e r o - e l d v a l u e .

T h e s i n g l e p h o t o e l e c t r o n t e s t s y s t e m a n d t e s t r e s u l t s a r e d e s c r i b e d i n d e t a i l

i n r e f s . 1 8 , 1 9 ] . A t o t a l o f 9 8 2 9 P M T s p a s s e d t h e a c c e p t a n c e t e s t . T h e a v e r a g e

R M S t i m i n g r e s o l u t i o n i s f o u n d t o b e 1 . 7 n s , i n l i n e w i t h t h e s p e c i c a t i o n .

T h e m e a n r e l a t i v e e c i e n c y , d e n e d i n R e f . 1 8 ] , i s 1 0 % b e t t e r t h a n s p e c i c a -

t i o n . T h e m e a n n o i s e r a t e i s 2 . 3 k H z a t 2 0

C . T h e c o o l e r t e m p e r a t u r e i n t h e

d e t e c t o r ( a p p r o x i m a t e l y 1 0

C ) r e d u c e s t h e m e a n n o i s e r a t e t o a p p r o x i m a t e l y

5 0 0 H z , i n c l u d i n g s i g n a l s d u e t o r e s i d u a l r a d i o a c t i v i t y i n t h e d e t e c t o r . T h e

m e a n o p e r a t i n g v o l t a g e i s 1 8 7 5 V .

5 P h o t o m u l t i p l i e r T u b e S u p p o r t S t r u c t u r e

T h e p h o t o m u l t i p l i e r t u b e s , t h e i r l i g h t c o n c e n t r a t o r s a n d a s s o c i a t e d h a r d w a r e

a r e c o l l e c t i v e l y r e f e r r e d t o a s t h e P M T S u p p o r t S t r u c t u r e o r t h e P S U P . T h e

g e o m e t r y o f t h i s p l a t f o r m i s f u n d a m e n t a l l y e s t a b l i s h e d b y m a x i m i z i n g p h o t o n

c o l l e c t i o n w h i l e m i n i m i z i n g b a c k g r o u n d s i g n a l s , f a b r i c a t i o n c o s t s , c o m p l e x i t y ,

a n d t r a n s p o r t a t i o n a n d i n s t a l l a t i o n i n t r i c a c y . T h e D

2

O t a r g e t g e o m e t r y , t h e

P M T s p e c i c a t i o n s , l i g h t c o n c e n t r a t o r p e r f o r m a n c e , a n d c a v i t y g e o m e t r y a l l

a e c t t h e n a l P S U P c o n g u r a t i o n .

T h e P S U P s e r v e s t h e a d d i t i o n a l f u n c t i o n o f p r o v i d i n g a b a r r i e r b e t w e e n t h e

c o r e o f t h e e x p e r i m e n t ( t h e D

2

O t a r g e t a n d l i g h t c o l l e c t i o n s u r f a c e s ) a n d t h e

o u t e r r e g i o n s o f t h e e x p e r i m e n t . T h i s b a r r i e r s h i e l d s t h e P M T s f r o m l i g h t g e n -

e r a t e d i n t h e o u t e r r e g i o n s o f t h e e x p e r i m e n t . T h e s e r e g i o n s i n c l u d e t h e c a v i t y

w a l l s a n d t h e s u p p o r t p i p i n g a n d c a b l i n g f o r t h e e x p e r i m e n t . N e a r t h e c a v i t y

w a l l s t h e r a d i o a c t i v i t y i n t h e s u r r o u n d i n g r o c k c r e a t e s a s i g n i c a n t p h o t o n

b a c k g r o u n d . T h e c o m p l e x i t y o f t h e c a b l i n g a n d p i p i n g m a k e s t h e o u t e r r e g i o n

d i c u l t t o c l e a n a n d k e e p c l e a n d u r i n g c o n s t r u c t i o n a n d t h e r a d i o a c t i v e p u r i t y

o f t h e m a t e r i a l s n e e d e d f o r s o m e o f t h e s e f u n c t i o n s c o u l d n o t b e r e a s o n a b l y

c o n t r o l l e d t o t h e s a m e l e v e l s a s o t h e r d e t e c t o r c o m p o n e n t s . T h e P S U P a l s o

2 1


22/58

f u n c t i o n s a s a h i g h l y i m p e r m e a b l e b a r r i e r t o w a t e r b o r n e c o n t a m i n a t i o n , e n -

s u r i n g t h a t t h e h i g h l y p u r i e d w a t e r i n t h e s e n s i t i v e r e g i o n b e t w e e n t h e P M T s

a n d t h e A V i s e e c t i v e l y i s o l a t e d f r o m t h e d i r t i e r w a t e r i n t h e o u t e r r e g i o n s .

T h e P S U P a l s o s u p p o r t s t h e o u t w a r d l o o k i n g P M T s , L E D c a l i b r a t i o n s o u r c e s ,

a n d w a t e r - r e c i r c u l a t i o n a n d m o n i t o r i n g p i p i n g .

T h e d e s i g n c r i t e r i a f o r t h e P S U P i n c l u d e :

M a x i m i z i n g t h e c o l l e c t i o n o f o p t i c a l s i g n a l s f r o m t h e D

2

O t a r g e t w h i l e m i n -

i m i z i n g a v a r i e t y o f b a c k g r o u n d s o u r c e s ;

M a i n t a i n i n g p e r f o r m a n c e a n d i n t e g r i t y o f t h e a r r a y , w i t h n o r e q u i r e d m a i n -

t e n a n c e , f o r a t l e a s t a t e n y e a r s p a n s u b m e r g e d i n u l t r a p u r e w a t e r a n d f o r

a v a r i e t y o f s e i s m i c c o n d i t i o n s a n t i c i p a t e d a t t h e S N O s i t e ;

M i n i m i z i n g t h e m a s s o f t h e c o m p o n e n t s t o r e d u c e i n t r i n s i c b a c k g r o u n d s ;

P r o d u c i n g a n d f a b r i c a t i n g t h e a r r a y f r o m d o c u m e n t e d l o w r a d i o a c t i v i t y

m a t e r i a l s ;

M a i n t a i n i n g a h i g h i m p e r m e a b i l i t y w a t e r b a r r i e r b e t w e e n t h e i n n e r a n d

o u t e r l i g h t w a t e r r e g i o n s ;

M a i n t a i n i n g a n e e c t i v e b a r r i e r t o l i g h t g e n e r a t e d i n t h e o u t e r r e g i o n s ;

M i n i m i z i n g t h e c o m p l i c a t i o n s o f t r a n s p o r t i n g a n d i n s t a l l i n g t h e a r r a y a t t h e

u n d e r g r o u n d s i t e ;

P r o d u c i n g a n d f a b r i c a t i n g t h e a r r a y f r o m m a t e r i a l s i n i m i c a l t o b i o l o g i c a l

g r o w t h w i t h l o w l e a c h i n g c h a r a c t e r i s t i c s , l o w m a g n e t i c s u s c e p t i b i l i t y a n d

l o w e l e c t r o l y t i c c h a r a c t e r i s t i c s ;

U t i l i z i n g m a t e r i a l s a n d i n s t a l l a t i o n p r o c e s s e s c o m p a t i b l e w i t h t h e u n d e r -

g r o u n d ( m i n i n g ) e n v i r o n m e n t ;

I n s t a l l i n g t h e u p p e r h a l f o f t h e g e o d e s i c s p h e r e a n d s u p p o r t i n g t h e l o a d s o f

r o u g h l y h a l f t h e d e t e c t o r a r r a y d u r i n g w h i c h t i m e t h e A V i s c o n s t r u c t e d .

T h e P S U P i s l o g i c a l l y v i e w e d a s t w o s y s t e m s { a g e o d e s i c s p h e r e t h a t f u n c t i o n s

a s t h e m a i n s u p p o r t s y s t e m a n d t h e p a n e l a r r a y s t h a t h o u s e t h e P M T s a n d

c o n c e n t r a t o r s . T h e g e o d e s i c s p h e r e , a n 8 8 9 - c m r a d i u s t h r e e - f r e q u e n c y i c o s a h e -

d r o n , i s s h o w n i n F i g . 2 . N o r m a l l y t h i s g e o d e s i c s p h e r e w o u l d u t i l i z e 9 2 n o d a l

c o n n e c t i o n s b e t w e e n t h e 2 7 0 s t r u t s . T h i s c h o i c e o f g e o d e s i c s t r u c t u r e u s e s

t h r e e d i e r e n t s t r u t l e n g t h s w i t h s i m i l a r l i n e a r d i m e n s i o n s . T h e t o p m o s t n o d e

i s r e p l a c e d w i t h a h o l l o w t o r o i d a l r i n g a n d t h e c o n n e c t i n g s t r u t s s h o r t e n e d t o

a c c o m m o d a t e t h e a c r y l i c v e s s e l c h i m n e y . A d d i t i o n a l t o r o i d a l r i n g s g u i d e t h e

a c r y l i c v e s s e l s u p p o r t r o p e s t h r o u g h t h e P S U P . N i n e t y - o n e o u t w a r d v i e w i n g

P M T s a r e s u p p o r t e d o n t h e P S U P s t r u t s . T h e d e s i g n o f t h e g e o d e s i c s p h e r e

a n d p a n e l a r r a y s i s f u l l y d o c u m e n t e d 2 0 ] .

T h e g e o d e s i c s p h e r e i s s u s p e n d e d o n 1 5 s t a i n l e s s s t e e l w i r e r o p e c a b l e s f r o m

t h e c a v i t y d e c k . T h e s e c a b l e s t e r m i n a t e i n a s p h e r i c a l t h r u s t b e a r i n g o n t h e

d e c k a n d a r e m o n i t o r e d w i t h l o a d c e l l s . T h e p o s i t i o n o f t h e a r r a y i s a d j u s t a b l e

2 2


23/58

F i g . 7 . P h o t o m u l t i p l i e r m o u n t e d i n a h e x a g o n a l A B S c e l l , w h i c h a l s o f o r m s t h e

l i g h t - c o n c e n t r a t o r h o u s i n g . D i m e n s i o n s a r e i n c m .

i n t h e z - d i r e c t i o n ( u p - d o w n ) b y 1 0 c m . W h e n s u b m e r g e d , t h e a r r a y b e c o m e s

b u o y a n t , a n d i s t h e r e f o r e s e c u r e d t o t h e c a v i t y o o r a t a s e t o f a n c h o r p o i n t s ,

e a c h w i t h a p u l l e y a n d c a b l e t h a t a t t a c h e s t o t h e m a i n P S U P s u s p e n s i o n

b r a c k e t s .

W i r e r o p e c a n n o t e e c t i v e l y b e m a n u f a c t u r e d w i t h o u t l u b r i c a t i o n . T h e m a i n

s u s p e n s i o n c a b l e s a r e p l a s t i c c o a t e d a n d e n c a s e d i n a n a d d i t i o n a l p l a s t i c h o u s -

i n g t o p r e v e n t c o n t a m i n a t i o n o f t h e w a t e r . A n c h o r c a b l e s a r e p l a s t i c c o a t e d .

T h e P M T s a r e s e c u r e d i n h e x a g o n a l A B S ( A c r y l o n i t r i l e - B u t a d i e n e - S t y r e n e )

b l a c k p l a s t i c h o u s i n g s t h a t a l s o s u p p o r t l i g h t c o n c e n t r a t o r s ( r e e c t o r s ) f o r

e a c h i n w a r d - l o o k i n g P M T 2 1 ] a s s h o w n i n g . 7 .

T h e c o n c e n t r a t o r s i n c r e a s e t h e e e c t i v e a r e a o f t h e p h o t o c a t h o d e t o m a x i m i z e

t h e n u m b e r o f p h o t o n s d e t e c t e d , a n d l i m i t t h e a n g u l a r a c c e p t a n c e o f t h e p h o -

t o m u l t i p l i e r s s o t h a t o n l y t h e c e n t r a l p a r t o f t h e d e t e c t o r ( w h e r e b a c k g r o u n d s

a r e l o w e s t ) i s i n v i e w . T h e y a r e d e s i g n e d w i t h a t h r e e - d i m e n s i o n a l c r i t i c a l a n -

g l e o f 5 6 4

, w h i c h m e a n s t h e d e t e c t o r i s v i e w e d b y e a c h P M T o u t t o a r a d i u s

o f 7 m . T h e i n c r e a s e i n l i g h t c o l l e c t i o n e c i e n c y i s a p p r o x i m a t e l y 7 5 % 2 1 ] .

A c o n c e n t r a t o r i s m a d e o f 1 8 p i e c e s o f t h i n d i e l e c t r i c - c o a t e d a l u m i n u m s h e e t

2 3


24/58

c u r v e d a n d p l a c e d a r o u n d t h e h o l d e r o f A B S p l a s t i c . T h e o p t i c a l l y a c t i v e c o a t -

i n g c o n s i s t s o f a l a y e r o f s p e c u l a r a l u m i n u m c o v e r e d b y a l o w r e f r a c t i v e i n d e x

l a y e r o f m a g n e s i u m u o r i d e , w h i c h i s i n t u r n c o v e r e d b y a h i g h r e f r a c t i v e i n d e x

l a y e r o f m i x e d t i t a n i u m a n d p r a e s e o d y m i u m o x i d e s . T h e c o a t i n g t h i c k n e s s e s

a r e o p t i m i z e d t o m a x i m i z e r e e c t a n c e i n w a t e r o v e r t h e v i s i b l e a n d n e a r - U V

r a n g e o f w a v e l e n g t h s , a n d o v e r a w i d e r a n g e o f i n c i d e n t a n g l e s . T h e m e a n

e e c t i v e r e e c t a n c e i n w a t e r i s 8 2 3 %

T h e t o p d i e l e c t r i c l a y e r a l s o f o r m s a p r o t e c t i v e b a r r i e r a g a i n s t c o r r o s i o n i n

w a t e r a n d w a s a p p l i e d t o t h e b a c k e x p o s e d s u r f a c e o f t h e a l u m i n u m p i e c e s

a s w e l l . A p r o t e c t i v e l a y e r o f t i t a n i u m o x i d e w a s a p p l i e d t o t h e e d g e s . T h e

m a t e r i a l w a s s u b j e c t e d t o e x t e n s i v e a g i n g p r i o r t o c o n s t r u c t i o n . I t w a s f o u n d

t o h a v e a u s e f u l l i f e o f m a n y y e a r s u n d e r d e o x y g e n a t e d d e i o n i z e d w a t e r w i t h

a p H a r o u n d 7 , t h e n o r m a l e n v i r o n m e n t i n S N O .

T h e h e x a g o n a l P M T a s s e m b l i e s a r e c o l l e c t e d t o g e t h e r i n t o a t a r r a y s o f b e -

t w e e n 7 a n d 2 1

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Ps i love you amor cover

6/8 PS-F L/R PE 6/8 PS-F L/R - duka6/8 PS-F L/R PE 6/8 PS-F L/R D I NL GB F E PL Seitenwand freistehend Elemento laterale a sé stante Zijwand Fix panel free-standing Paroi latérale

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Zakład Optoelektroniki IF PS dr hab. inż. Prof. PS - Sławomir M. Kaczmarek

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