1. Radiopure ZnMoO4 scintillating bolometers for the LUMINEU double-beta experiment
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D. V. Poda, E. Armengaud, Q. Arnaud, C. Augier, A. S. Barabash, A. Benoît, L. Bergé, R. S. Boiko, T. Bergmann, J. Blümer, A. Broniatowski, V. Brudanin, P. Camus, A. Cazes, B. Censier, M. Chapellier, F. Charlieux, D. M. Chernyak, N. Coron, P. Coulter, G. A. Cox, F. A. Danevich, T. de Boissière, R. Decourt, M. De Jesus, L. Devoyon, A.-A. Drillien, L. Dumoulin, K. Eitel, C. Enss, D. Filosofov, A. Fleischmann, N. Fourches, J. Gascon, L. Gastaldo, G. Gerbier, A. Giuliani, M. Gros, L. Hehn, S. Henry, S. Hervé, G. Heuermann, V. Humbert, I. M. Ivanov, A. Juillard, C. Kéfélian, M. Kleifges, H. Kluck, V. V. Kobychev, F. Koskas, V. Kozlov, H. Kraus, V. A. Kudryavtsev, H. Le Sueur, M. Loidl, P. Magnier, E. P. Makarov, M. Mancuso, P. de Marcillac, S. Marnieros, C. Marrache-Kikuchi, A. Menshikov, S. G. Nasonov, X-F. Navick, C. Nones, E. Olivieri, P. Pari, B. Paul, Y. Penichot, G. Pessina, M. C. Piro, O. Plantevin, T. Redon, M. Robinson, M. Rodrigues, S. Rozov, V. Sanglard, B. Schmidt, V. N. Shlegel, B. Siebenborn, O. Strazzer, D. Tcherniakhovski, M. Tenconi, L. Torres, V. I. Tretyak, L. Vagneron, Ya. V. Vasiliev, M. Velazquez, O. Viraphong, R. J. Walker, M. Weber, E. Yakushev, X. Zhang, V. N. Zhdankov, John L. Orrell, Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (CSNSM), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers (IRFU), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institute of Theoretical and Experimental Physics [Moscow] (ITEP), National Research Center 'Kurchatov Institute' (NRC KI), Hélium : du fondamental aux applications (NEEL - HELFA), Institut Néel (NEEL), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Kiev Institute for Nuclear Research (KINR), Ukrainian Academy of Sciences, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institut für Experimentelle Kernphysik [Karlsruhe] (EKP), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Dzhelepov Laboratory of Nuclear Problems [Dubna] (DLNP), Joint Institute for Nuclear Research (JINR), Cryogénie (NEEL - Cryo), Institut d'astrophysique spatiale (IAS), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National d’Études Spatiales [Paris] (CNES), University of Oxford, Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB), Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), CSNSM PS1, Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière (CSNSM), Kirchhoff Institute for Physics, Universität Heidelberg [Heidelberg] = Heidelberg University, Department of Physics [Oxford], Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière (CSNSM), Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry [Novosibirsk] (NIC), Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (SB RAS), University of Sheffield [Sheffield], Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB), Département Métrologie Instrumentation & Information (DM2I), Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies (LIST (CEA)), Direction de Recherche Technologique (CEA) (DRT (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Technologique (CEA) (DRT (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies (LIST (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département d'instrumentation Numérique (DIN (CEA-LIST)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Institute for Anthropomatics (KIT), Laboratoire de Cryogénie (LC), Service de physique de l'état condensé (SPEC - 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- Subjects
radiopurity ,Zinc molybdate ,scintillating bolometer ,EDELWEISS ,Scintillator ,radiopure zinc molybdate (ZnMoO4) ,[PHYS.NEXP]Physics [physics]/Nuclear Experiment [nucl-ex] ,7. Clean energy ,01 natural sciences ,Crystal ,chemistry.chemical_compound ,neutrino ,Double beta decay ,0103 physical sciences ,crystal scintillator ,[PHYS.PHYS.PHYS-INS-DET]Physics [physics]/Physics [physics]/Instrumentation and Detectors [physics.ins-det] ,010306 general physics ,Directional solidification ,Physics ,Scintillation ,010308 nuclear & particles physics ,Radiochemistry ,double-beta decay ,crystal boule ,advanced directional solidification method ,purification technique ,chemistry ,high purity Ge wafer ,Neutrino - Abstract
International audience; The results of R&D of radiopure zinc molybdate (ZnMoO4) based scintillating bolometers for the LUMINEU (Luminescent Underground Molybdenum Investigation for NEUtrino mass and nature) double-beta decay experiment are presented. A dedicated two-stage molybdenum purification technique (sublimation in vacuum and recrystallization from aqueous solutions) and an advanced directional solidification method (the low-thermal-gradient Czochralski technique) were utilized to produce high optical quality large mass (∼1 kg) ZnMoO4 crystal boules and first 100Mo (99.5%) enriched Zn100MoO4 crystal scintillator (mass of ∼0.2 kg). Scintillating bolometers based on ZnMoO4 (≈ 0.33 kg) and Zn100MoO4 (≈ 0.06 kg) scintillation elements and high purity Ge wafers were tested in the EDELWEISS set-up at the Modane Underground Laboratory (France). Long term low temperature tests demonstrate excellent detectors’ performance and effectiveness of the purification and solidification procedures for the achievement of high radiopurity of the material, in particular with a bulk activity of 228Th and 226Ra below 4 µBq/kg. The adopted protocol was used to produce for the first time a large volume Zn100MoO4 crystal scintillator (mass of ∼1.4 kg, 100Mo enrichment is 99.5%) to search for neutrinoless double-beta decay of 100Mo in the framework of the LUMINEU project.
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- 2015
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