ДВУХФАЗНЫЙ ЭМИССИОННЫЙ НИЗКОФОНОВЫЙ ДЕТЕКТОР

Полезная модель относится к области низкофоновых экспериментов по поиску редких событий, например, взаимодействий темной материи с обычным веществом и может быть использована для экспериментов по исследованию взаимодействия нейтрино (антинейтрино) с энергией 1-50 МэВ с веществом.
Известен двухфазный криогенный лавинный детектор (патент RU 2517777, 20.08.2012), 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 - в жидкости, а по периметру электролюминесцентного зазора размещена сборка боковых фотоэлектронных умножителей с окнами, обращенными в центр зазора.
Недостатком устройства известной конструкции является высокий уровень одноэлектронных шумов, связанный с накоплением под поверхностью раздела фаз неэмитировавших электронов, возникших в результате регистрации фоновых событий от гамма-квантов и космических мюонов при практически достижимом коэффициенте эмиссии 70-90%. Такой шум неотличим от слабоионизирующих событий, в частности, связанных с упругим когерентным рассеянием нейтрино на ядрах, что существенно ограничивает возможность регистрации данного процесса.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, используемое в патенте RU 2532859, 25.06.2013. Устройство состоит из вакуумной камеры, заполненной ксеноном в двухфазном состоянии газ-жидкость. В камере находится не менее одной сборки фотоэлектронных умножителей, а также две металлические электростатические сетки (анод и катод). Между анодом и поверхностью жидкости в газе создается электролюминесцентный зазор. Катод располагается в нижней части камеры, а анод находится между сборкой фотоэлектронных умножителей и границей жидкость-газ. В результате взаимодействия ионизирующего излучения с плотным жидким благородным газом возникает сцинтилляция и ионизация. Под действием внешнего электрического поля электроны ионизации дрейфуют в жидком ксеноне, подходят к поверхности раздела фаз, эмитируют в газовую фазу и регистрируются затем при помощи фотоэлектронных умножителей по интенсивному свечению (электролюминесценции). Такое устройство позволяет регистрировать слабоионизирующие процессы, например, упругое когерентное рассеяние нейтрино путем уменьшения одноэлектронного шума, связанного с накоплением под поверхностью раздела фаз неэмитировавших электронов, возникших в результате регистрации фоновых событий от гамма-квантов и космических мюонов. Одноэлектронный шум в данном устройстве снижается за счет растворенного в рабочей среде электроотрицательного вещества, обладающего высоким коэффициентом захвата для электронов ионизации, термализованных под поверхностью раздела жидкого и газообразного ксенона 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 установки на протяжении нескольких месяцев, при этом необходимая длины дрейфа электронов в жидкости до захвата электроотрицательными примесями достигается за счет постоянной очистки рабочего вещества через геттер. 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 веществами, влияющими на дрейф электронов.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в увеличении эффективности регистрации редких слабоионизирующих процессов, в частности, упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах, за счет снижения уровня одноэлектронного шума на протяжении всего времени длительной работы детектора.
Для реализации указанного технического результата предложен двухфазный эмиссионный низкофоновый детектор, состоящий из криогенной камеры с вакуумной изоляцией, заполненной благородным газом в двухфазном состоянии жидкость-газ, в которой находится не менее одной матрицы фотоэлектронных умножителей, катод расположенный в нижней части камеры, анод, находящийся между поверхностью раздела фаз и матрицей фотоэлектронных умножителей, электролюминесцентный зазор, расположенный между уровнем жидкости и анодом, а также электронный затвор под поверхностью жидкости для блокировки дрейфующих к границе раздела фаз ионизационных электронов от фоновых событий.
На фиг. 1 представлен пример конкретной реализации предлагаемого устройства:
1 - криогенная камера с вакуумной изоляцией
2 - анод
3 - катод
4 - матрица фотоэлектронных умножителей
5 - электронный затвор
Устройство работает следующим образом.
Криогенная камера 1 заполнена жидким благородным газом ксеноном. Ионизирующее излучение при взаимодействии с ним производит сцинтилляцию и ионизацию. Образовавшиеся ионизационные электроны дрейфуют в жидкости к ее поверхности под действием внешнего электрического поля создаваемого между сетчатыми анодом 2 и катодом 3. Под действием высокого электрического поля электроны эмитируют из жидкой фазы в газовую фазу, где производят электролюминесценцию в электролюминесцентном зазоре, находящимся между поверхностью жидкости и анодом. Сцинтилляционный и электролюминесцентные сигналы регистрируются с помощью матрицы ФЭУ 4, находящейся в газе.
0
uмn
Для разгрузки поверхности раздела фаз жидкость-газ от электронов ионизации используется электронный затвор 5. На фиг. 2 приведен пример конкретной реализации электронного затвора. Электронный затвор представляет собой систему параллельных тонких проволочек, расположенных в одной плоскости и находящихся друг от друга на одинаковом расстоянии, при этом проволочки разделены между собой на две электрически изолированные группы, так что каждая проволочка из первой группы 6 чередуются с проволочкой из второй группы 7. При регистрации полезных событий, например, от упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядре, все проволочки находятся под общим потенциалом U, что обеспечивает свободный дрейф электронов из жидкой фазы в газовую фазу. При взаимодействии фонового события на одну группу проволочек подается блокирующий импульс положительного напряжения от внешнего источника U, что приводит к возникновению электрического поля перпендикулярного направлению движения электронов ионизации. За счет этого электроны ионизации дрейфуют вдоль силовых линий электрического поля в сторону проволочек электронного затвора и нейтрализуются на них, и таким образом не доходят до поверхности жидкости, что приводит к уменьшению числа накопленных неэмитировавших электронов. Длительность блокирующего импульса составляет не менее полного времени дрейфа электронов в жидкости, при этом триггер на блокировку вырабатывается при достижении заданного порога по величине сцинтилляционного сигнала, соответствующего гамма-кванту или мюону.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет эффективно регистрировать редкие слабоионизирующие процессы, в частности, упругое когерентное рассеяние нейтрино на ядрах, за счет существенного снижения уровня одноэлектронного фона на протяжении всего времени длительной работы детектора.