Гибридный низкофоновый детектор на основе благородных газов Российский патент 2024 года по МПК G01T1/185 

Изобретение относится к области низкофоновых экспериментов по поиску редких событий, например, взаимодействий темной материи с обычным веществом или когерентного рассеяния нейтрино (антинейтрино). Последнее может быть использовано в атомной энергетике для дистанционного изучения и мониторирования ядерных реакторов.

Известен двухфазный криогенный лавинный детектор (патент RU 2517777), состоящий из криогенной камеры, заполненной благородным газом (Ar, Хе, Ne, Не, Kr) в двухфазном состоянии (жидкость-газ), не менее одной сборки фотоэлектронных умножителей, катода в нижней части камеры, электролюминесцентного зазора, находящегося над жидкостью. При этом электролюминесцентный зазор образован одним или более газовым электронным умножителем в газе и проводящей сеткой или газовым электронным умножителем (ГЭУ или GEM) (F. Sauli, Radiation detector of very high performance. United State Patent 6011265, Jan 4, 2000) - в жидкости, а по периметру электролюминесцентного зазора размещена сборка боковых фотоэлектронных умножителей с окнами, обращенными в центр зазора.

Недостатком устройства известной конструкции является возникновение пробоев в ГЭУ, что уменьшает время работы детектора в режиме набора данных, то есть увеличивает его мертвое время. По этой же причине, этот детектор не удается масштабировать на большой объем рабочего вещества из-за ограничения на общую площадь ГЭУ. Другим недостатком является худшее энергетическое разрешение детектора по сравнению с конструкцией без ГЭУ, только с электролюминесцентным зазором.

Известен детектор, описанный в патенте RU 184222, также состоящий из криогенной камеры, заполненной благородным газом (Ar, Хе, Ne, Не, Kr) в двухфазном состоянии (жидкость-газ), не менее одной матрицы фотоэлектронных умножителей, катода в нижней части камеры, анода, расположенного между поверхностью раздела жидкость-газ и матрицей фотоэлектронных умножителей, электролюминесцентного зазора и электронного затвора, который находится под поверхностью жидкости.

Недостатком устройства является высокий уровень одноэлектронных шумов, связанный с накоплением под поверхностью раздела фаз неэмитированных электронов, возникших в результате регистрации фоновых событий от гамма-квантов и космических мюонов при практически достижимом коэффициенте эмиссии 70-99%, в зависимости от выбранного газа. Такой шум неотличим от слабоионизирующих событий, в частности, связанных с упругим когерентным рассеянием нейтрино на ядрах, что существенно ограничивает возможность регистрации данного процесса. В этом детекторе данный шум частично подавляется при помощи подачи запирающего напряжения на электронный затвор, но это не избавляет от него полностью. Однако это существенно увеличивает мертвое время детектора, особенно при увеличении его размеров, что является другим недостатком настоящего устройства.

Наиболее близким по технической сущности является устройство RU 2532859, которое состоит из криогенного объема, заполненного ксеноном в двухфазном состоянии (жидкость-газ). В камере располагаются катод и анод, в нижней и верхней ее части соответственно, создающие электрическое поле в жидкости и газе. Граница раздела фаз при этом располагается между катом и анодом, и образует электролюминесцентный зазор в газовой фазе между ней и анодом. В устройстве также располагается не менее одной сборки фотодетекторов (ФЭУ), одна из которых находится над анодом. В результате взаимодействия ионизирующего излучения с плотным жидким благородным газом возникает сцинтилляция и ионизация. Сцинтилляция регистрируется сборкой (сборками) фотодетекторов, а электроны ионизации дрейфуют в жидкости к границе раздела фаз под действием электрического поля, затем эмитируют в газовую фазу и производят свечение (электролюминесценцию) при их дрейфе в газе, при помощи которого они и регистрируются ФЭУ. Такое устройство позволяет регистрировать слабоионизирующие процессы, например, упругое когерентное рассеяние нейтрино путем уменьшения одноэлектронного шума, связанного с накоплением и термализацией под поверхностью жидкости неэмитированных электронов, возникших в результате регистрации фоновых событий от естественной радиации материалов детектора и космического излучения. Одноэлектронный шум в данном устройстве снижается за счет растворения в рабочей среде электроотрицательного вещества, обладающего высоким коэффициентом захвата для термализованных электронов и обладающего одновременно низким коэффициентом захвата для дрейфующих в жидком ксеноне электронов ионизации. Для регистрации редких слабоионизирующих процессов необходим набор большой статистики, что требует непрерывной работы устройства на протяжении нескольких месяцев, при этом необходимая длина дрейфа электронов в жидкости до захвата электроотрицательными примесями достигается за счет постоянной очистки рабочего вещества путем его циркуляции через фильтры, расположенные вне камеры детектора. Поэтому основным недостатком известного устройства является значительное увеличение одноэлектронного шума в процессе работы детектора, так как концентрация растворенного вещества, понижающего шум, уменьшается со временем в процессе очистки из-за удаления его наряду с другими электроотрицательными веществами, влияющими на дрейф электронов.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в увеличении эффективности регистрации редких слабоионизирующих процессов, в частности, упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах, за счет снижения уровня одноэлектронного шума. А также в повышении стабильности работы детектора за счет уменьшения вероятности пробоев. Предложенное техническое решение также позволяет масштабировать детектор до десятков тонн рабочего вещества для улучшения набора статистики в области низкофоновых экспериментов по поиску редких событий.

Для реализации поставленной задачи был предложен гибридный низкофоновый детектор на основе благородных газов, состоящий из криогенной камеры с вакуумной изоляцией, заполненной жидким благородным газом (Аr, Хе, Ne, He или Kr), в которой находятся не менее одной сборки (матрицы) фотодетекторов, катод и анод, расположенные в нижней и верхней части камеры соответственно, ГЭУ или толстого ГЭУ, находящегося между анодом и катодом. (Под толстым ГУЭ (Thick GEM, THGEM) (A. Breskin, et al., A concise review on THGEM detectors, Nucl. Instrum. Meth. A 598 107–111 (2009)) подразумевается ГЭУ с характерной толщиной 0.5 мм. Для сравнения, характерная толщина обычных ГЭУ составляет 50 мкм.). Данное устройство совмещает однофазные детекторы на основе благородных газов (жидкая фаза) с одновременным считыванием сигналов ионизации и сцинтилляции в двухфазных детекторах, что делает его гибридом известных устройств.

На фиг.1 представлен пример реализации предлагаемого устройства без нижней сборки фотодетекторов и на фиг.2 - схема устройства с размещенной на дне камеры дополнительной сборки фотодетекторов, где:

1 - криогенная камера с вакуумной изоляцией,

2 - жидкий Аr, Хе, Ne, He или Kr, заполняющий камеру,

3 - катод,

4 - анод,

5 - сборка (матрица) верхних фотодетекторов (ФЭУ, Si-ФЭУ или ГЛФД),

6 - ГЭУ или толстый ГЭУ,

7 - сборка (матрица) нижних фотодетекторов (ФЭУ, Si-ФЭУ или ГЛФД), поверхность которых снабжена спектросмещающими покрытиями.

В основе работы устройства лежит регистрация слабых сигналов ионизации и сцинтилляции от ядер отдачи образованных в жидкости 2 при процессе рассеяния частицы темной материи, нейтрино или нейтрона внутри криогенной камеры с вакуумной изоляцией 1.

Сцинтилляцию от ядер отдачи (первичная сцинтилляция, сигнал S1) регистрируют сборкой 5 (сборками 5 и 7) фотодетекторов. Так как основная часть сцинтилляции находится в спектральной области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) (A. Bondar, et al., Study of visible-light emission in pure and methane-doped liquid argon, JINST 17 P09009 (2022)), то для наибольшего сигнала (максимального общего числа фотоэлектронов при заданном энерговыделении) используют нижнюю сборку фотодетекторов 7, снабженных спектросмещающими покрытиями (например, тетрафенилбутадиеном).

Для регистрации ионизации от ядер отдачи (первичной ионизации, сигнала S2), в рабочем объеме создают электрическое поле за счет подачи разности напряжений между катодом 3 и анодом 4, обеспечивающее дрейф электронов ионизации из области взаимодействия к аноду. Также для регистрации этих электронов и для их прохождения через ГЭУ (толстый ГЭУ) 6, на него подают соответствующее напряжение, так что электрическое поле в дырках составляет порядка 100 кВ/см. Регистрация электронов происходит по их свечению (электролюминесценции) в жидкости в области высокого поля в дырках ГЭУ (толстого ГЭУ) за счет эффекта тормозного излучения на нейтралах при упругом рассеянии электронов на атомах среды (A. Bondar, et al., First observation of neutral bremsstrahlung electroluminescence in liquid argon, Phys. Rev. Lett. 131, 241001 (2023)). Это свечение регистрируется верхней сборкой фотодетекторов 5, расположенных над дырками ГЭУ (толстого ГЭУ). Так как электролюминесценция по тормозному механизму имеет широкий спектральный диапазон от ультрафиолета до инфракрасной области, то стандартные фотодетекторы регистрируют ее эффективно без использования спектросмещающих покрытий. Расстояние от верхней сборки фотодетекторов 5 до ГЭУ 6 определяется необходимым (для заданного порога детектора по количеству регистрируемых электронов) коэффициентом светосбора из дырок и ограничено конструктивными соображениями (толщина анода, защита сборки от высокого поля и т.п.).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет регистрировать ядра отдачи и отделять их от фона за счет сигналов первичной ионизации и первичной сцинтилляции. Так как в устройстве отсутствует газовая фаза, это полностью устраняет проблему одноэлектронных шумов, связанных с границей раздела фаз. Отсутствие газа также означает гораздо большую стабильность детектора по сравнению с аналогами за счет подавления электрических пробоев как в рабочей части детектора, так и на различных разъемах.

Изобретение относится к области низкофоновых экспериментов по поиску редких событий. Гибридный низкофоновый детектор на основе благородных газов состоит из криогенной камеры с вакуумной изоляцией, заполненной благородным газом, в которой находятся не менее одной сборки фотодетекторов, катода и анода, расположенных в нижней и верхней частях камеры соответственно, при этом между анодом и катодом добавлен газовый электронный умножитель, а благородный газ в криогенной камере находится в однофазном жидком состоянии. Технический результат – повышение эффективности регистрации редких слабоионизирующих процессов, в частности упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах, повышение стабильности работы детектора. 2 ил.

Гибридный низкофоновый детектор на основе благородных газов, состоящий из криогенной камеры с вакуумной изоляцией, заполненной благородным газом, в которой находятся не менее одной сборки фотодетекторов, катода и анода, расположенных в нижней и верхней частях камеры соответственно, отличающийся тем, что между анодом и катодом добавлен газовый электронный умножитель, а благородный газ в криогенной камере находится в однофазном жидком состоянии.