СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗАЦИОННОГО СИГНАЛА В ЭМИССИОННЫХ ДЕТЕКТОРАХ ИЗЛУЧЕНИЙ
METHOD OF DETECTING IONISATION SIGNAL IN CHARGE EMISSION DETECTORS

Изобретение относится к области низкофоновых экспериментов по поиску редких событий, например взаимодействий темной материи с обычным веществом, и может быть использовано для экспериментов по исследованию взаимодействия нейтрино (антинейтрино) с энергией 1-100 МэВс веществом.
Известен способ регистрации [1] редких событий в эмиссионном детекторе, когда в результате взаимодействия исследуемого излучения с жидком ксеноном создается ионизация (электроны+ионы), под действием внешнего электрического поля электроны дрейфуют в жидком ксеноне к поверхности раздела фаз, вытягиваются в газовую фазу и регистрируются при помощи фотоэлектронных умножителей по интенсивному свечению (электролюминесценции) в электрическом поле.
В наиболее близком к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату способе регистрации, реализованном в [2] фиг.1, электроны ионизации дрейфуют в жидком ксеноне с энергией около 1 эВ, подходят к поверхности раздела фаз, эмитируют в газовую фазу и регистрируются затем при помощи фотоэлектронных умножителей по интенсивному свечению (электролюминесценции) в электрическом поле. При этом в известном способе часть электронов ионизации не способна сходу преодолеть поверхность раздела жидкость - газовая фаза, поэтому они остаются под поверхностью, где в упругих соударениях с атомами ксенона сбрасывают свою энергию до величины около 0,02 эВ и далее с течением времени случайным образом эмитируют в газовую фазу. В близком к предлагаемому способе регистрации [2] частота эмиссии в газ подповерхностных электронов составляет около 100 Гц, что связано с ионизацией жидкого ксенона фоновыми гамма-квантами от радиоактивных загрязнений материала корпуса детектора и космическими мюонами.
Известный способ не позволяет регистрировать редкие события при ионизации с малой передачей энергии, когда результатом является образование в жидком ксеноне и эмиссия в газ одного электрона ионизации. Такие события неотличимы от эмиссии одиночных термализованных электронов от фона, задержавшихся под поверхностью жидкого ксенона.
Техническим результатом предложенного способа является существенное уменьшение фона от задержанных подповерхностных электронов, случайным образом эмитирующих в газовую фазу, и, как следствие, уменьшение энергетического порога регистрации способа и повышение чувствительности способа, что делает возможным исследование таких редких процессов с малой передачей энергии, как когерентное рассеяние нейтрино на ядрах - фундаментальный физический процесс, предсказанный в рамках стандартной модели электрослабых взаимодействий, но до сих пор не наблюдавшийся на практике.
Для получения технического результата в жидком ксеноне растворяют вещество, обладающее высоким сечением захвата для электронов с энергией около 0,02 эВ с целью их быстрого захвата и превращения в ионы. Высокое сечение захвата должно обеспечить малое время жизни подповерхностных термализованных электронов. При этом для обеспечения малых потерь электронов в процессе дрейфа к поверхности жидкого ксенона сечение захвата для электронов, обладающих энергиями около 1 эВ, должно быть у выбранного вещества низким.
В качестве такого вещества предложено использовать элегаз (SF6) и хлор (Сl). В Таблице 1 представлены литературные данные по сечениям захвата для двух значений энергии электронов - 0,02 и 1 эВ, оценки концентрации указанных веществ, необходимые для обеспечения длины дрейфа электронов до захвата в жидком ксеноне 10 метров и полученные оценки характерных времен жизни подповерхностных термализованных электронов.
Расчеты были проведены с использованием известных из теории низкоионизированной плазмы формул:
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>σ</mi><msup><mi>N</mi><mo>'</mo></msup></mrow></mfrac></mrow>
, где λ - длина пробега электронов до захвата, см;
2
σ - сечение захвата электронов примесью, см;
-3
N - концентрация примеси, см;
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>N</mi><mi>σ</mi><msup><mi>υ</mi><mo>'</mo></msup></mrow></mfrac></mrow>
где τ - время жизни электрона до захвата, с;
2
σ - сечение захвата электронов примесью, см;
-3
N - концентрация примеси, см;
7
5
υ - тепловая скорость электрона, при энергии 1 эВ - это 6×10 см/с, при энергии 0,02 эВ - это 9×10 см/сек
На фиг.1 изображена схема работы эмиссионного детектора.
Способ осуществляется следующим образом.
15
3
15
3
-7
-6
В жидком ксеноне растворяют SF6 (Сl) с концентрацией 10 1/см (2,5×10 1/см), создают дрейфовое электрическое поле напряженностью около 1 кВ/см. В результате исследуемого взаимодействия, например упругого рассеяния нейтрино на ядре ксенона, происходит ионизация жидкого ксенона с образованием пар (электрон+ион). В приложенном электрическом поле электроны "разогреваются" до энергии около 1 эВ и дрейфуют к поверхности раздела фаз. Длина дрейфа электронов до захвата, составляющая 10 м (см. Табл.1) при указанных концентрациях выбранных газов, практически не ухудшает амплитудные характеристики метода регистрации для характерных используемых размеров дрейфового зазора детектора ~ 10 м. В приложенном электрическом поле электроны проходят (эмитируют) сквозь поверхность раздела фаз и выходят в газовую фазу, где регистрируются с помощью фотоэлектронных умножителей по свечению (электролюминесценции). Часть электронов, не способная эмитировать в газовую фазу, остается под поверхностью жидкого ксенона и в упругих соударениях быстро сбрасывает свою энергию до величины около 0,02 эВ, приходя в тепловое равновесие с окружающими атомами ксенона. При указанных концентрациях растворенных газов характерное время жизни до захвата таких электронов на молекулы растворенного SF6 (Сl) составляет 5×10 (1,3×10)с.
Техническая эффективность предложенного способа по сравнению с прототипом заключается в сильном подавлении фона от эмиссии подповерхностных электронов из-за их быстрого захвата в жидком ксеноне на молекулы введенных примесей SF6 (Сl). Техническая эффективность предложенного способа по сравнению с прототипом заключается в уменьшении энергетического порога регистрации способа и повышении чувствительности способа. Становится возможным исследовать редкие события при ионизации с такой передачей энергии, когда результатом является образование в жидком ксеноне и эмиссия в газ одного электрона ионизации. Такие события в прототипе не отличимы от эмиссии одиночных термализованных электронов от фона задержавшихся под поверхностью жидкого ксенона. Это делает возможным исследование таких редких процессов с малой передачей энергии, как когерентное рассеяние нейтрино на тяжелых ядрах - неисследованный до настоящего времени фундаментальный физический процесс, предсказанный в рамках стандартной модели.
Источники информации
1.2. М. Hornetal. Nuclear recoil scintillation and ionization yields in liquid xenon from ZEPLIN-III data. Phys. Lett. В 705 (2011) 471-476; arXiv: 106.0694 [physics.ins-det].
2. D. Yu. Akimov, I.S. Aleksandrov, V.A. Belov, A.I. Bolozdynya et al. Measurement of Single-Electron Noise in a Liquid Xenon Emission Detector. Instruments and Experimental Techniques 55(2012)423-28.
3. Hayes T.R., Wetzel R.C. and Freund R.S. "Absolute Electron - impact-ionization Cross sectionmeasuremensotf the Halogen Atoms", Phys. Rev. 35(2), 578-584, 1987.
4. Kouichi Ono, MutumiTuda, Hiroki Ootera, and Tatsuo Oomori, "Electron cyclotron resonance plasma etching ofSiwith C12: plasma chemistry and mechanisms", Pure&Appl. Chem., Vol.66, No. 6, pp.1327-1334, 1994.