RU184222U1

RU184222U1 - TWO PHASE EMISSION LOW-BACK DETECTOR

Info

Publication number: RU184222U1
Application number: RU2018124350U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Юрьевич Акимов; Александр Иванович Болоздыня; Алексей Михайлович Коновалов; Александр Вячеславович Кумпан; Юрий Александрович Меликян; Дмитрий Геннадьевич Рудик; Валерий Витальевич Сосновцев; Александр Владимирович Хромов; Алексей Вячеславович Шакиров
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2018-10-18

Abstract

Полезная модель относится к области низкофоновых экспериментов по поиску редких событий, например, взаимодействий темной материи с обычным веществом. Двухфазный эмиссионный низкофоновый детектор состоит 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 жидкость-газ и матрицей фотоэлектронных умножителей, электролюминесцентный зазор, расположенный между уровнем жидкости и анодом, и электронный затвор для блокировки дрейфующих к границе раздела фаз ионизационных электронов от фоновых событий, расположенный под поверхностью жидкости. Технический результат – снижение уровня одноэлектронного шума, что позволяет регистрировать редкие слабоионизирующие процессы. 2 ил.

The utility model relates to the field of low-background experiments to search for rare events, for example, the interactions of dark matter with ordinary matter. A two-phase emission low-background detector consists of a cryogenic chamber with vacuum insulation filled with noble gas in a two-phase liquid-gas state, in which there is at least one matrix of photoelectronic multipliers, a cathode located in the lower part of the chamber, an anode located between the liquid-gas interface and matrix of photomultiplier tubes, an electroluminescent gap located between the liquid level and the anode, and an electronic shutter to block the ionization drift to the interface electrons from background events located below the surface of the liquid. The technical result is a reduction in the level of single-electron noise, which allows you to record rare weakly ionizing processes. 2 ill.

Description

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.The utility model relates to the field of low-background experiments to search for rare events, for example, the interactions of dark matter with ordinary matter and can be used for experiments on the interaction of neutrinos (antineutrinos) with an energy of 1-50 MeV with matter.

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.Known two-phase cryogenic avalanche detector (patent RU 2517777, 08/20/2012), consisting of a cryogenic chamber filled with a noble gas (Ar, Xe, Ne, He, Kr) in a two-phase state (liquid-gas), at least one assembly of photomultiplier tubes, a cathode in the lower part of the chamber, an electroluminescent gap above the liquid, wherein the electroluminescent gap is formed by one or more gas electron multipliers in the gas and a conductive network or gas electron multiplier in the liquid, and along the perimeter of the electroluminescent gap The assembly of lateral photoelectronic multipliers with windows facing the center of the gap is located.

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.A disadvantage of the device of known design is the high level of single-electron noise associated with the accumulation of unemitated electrons under the interface, resulting from the registration of background events from gamma rays and cosmic muons with an achievable emission coefficient of 70-90%. Such noise is indistinguishable from weakly ionizing events, in particular, related to elastic coherent neutrino scattering on nuclei, which significantly limits the possibility of recording this process.

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.The closest in technical essence to the proposed is the device used in the patent RU 2532859, 06/25/2013. The device consists of a vacuum chamber filled with xenon in a two-phase state of gas-liquid. The chamber contains at least one assembly of photoelectronic multipliers, as well as two metal electrostatic grids (anode and cathode). An electroluminescent gap is created between the anode and the surface of the liquid in the gas. The cathode is located at the bottom of the chamber, and the anode is between the assembly of photoelectronic multipliers and the liquid-gas boundary. As a result of the interaction of ionizing radiation with a dense liquid noble gas, scintillation and ionization occur. Under the influence of an external electric field, the ionization electrons drift in liquid xenon, approach the interface, emit into the gas phase and are then recorded using photoelectron multipliers by intense luminescence (electroluminescence). Such a device makes it possible to detect weakly ionizing processes, for example, elastic coherent neutrino scattering by reducing single-electron noise associated with the accumulation of unemitated electrons under the interface, resulting from the registration of background events from gamma rays and cosmic muons. Single-electron noise in this device is reduced due to an electronegative substance dissolved in the working medium, which has a high capture coefficient for ionization electrons, is thermalized under the interface of liquid and gaseous xenon and has a simultaneously low capture coefficient for ionization electrons drifting in liquid xenon. To register rare weakly ionizing processes, a set of large statistics is required, which requires continuous operation of the installation for several months, while the required length of electron drift in a liquid before being captured by electronegative impurities is achieved by constantly cleaning the working substance through a getter. Therefore, the main disadvantage of the known device is a significant increase in single-electron noise during the operation of the detector, since the concentration of the dissolved substance that reduces noise decreases with time in the cleaning process due to its removal along with other substances that affect the electron drift.

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.The technical result of the proposed utility model is to increase the detection efficiency of rare weakly ionizing processes, in particular, elastic coherent neutrino scattering on nuclei, by reducing the level of single-electron noise over the entire duration of the detector’s long-term operation.

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.To implement this technical result, a two-phase emission low-background detector is proposed, consisting of a cryogenic chamber with vacuum insulation filled with noble gas in a two-phase liquid-gas state, in which there is at least one matrix of photoelectronic multipliers, a cathode located in the lower part of the chamber, an anode located between the phase interface and the matrix of photoelectronic multipliers, an electroluminescent gap located between the liquid level and the anode, as well as an electronic shutter d for blocking the liquid surface to the boundary of drifting electrons ionization interface from background events.

На фиг. 1 представлен пример конкретной реализации предлагаемого устройства:In FIG. 1 presents an example of a specific implementation of the proposed device:

1 - криогенная камера с вакуумной изоляцией1 - cryogenic chamber with vacuum insulation

2 - анод2 - anode

3 - катод3 - cathode

4 - матрица фотоэлектронных умножителей4 - matrix of photomultiplier tubes

5 - электронный затвор5 - electronic shutter

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.The cryogenic chamber 1 is filled with xenon liquid noble gas. When interacting with it, ionizing radiation produces scintillation and ionization. The resulting ionization electrons drift in the liquid to its surface under the action of an external electric field created between the mesh anode 2 and cathode 3. Under the influence of a high electric field, the electrons emit from the liquid phase into the gas phase, where they produce electroluminescence in the electroluminescent gap located between the surface of the liquid and the anode . Scintillation and electroluminescent signals are recorded using a PMT 4 array located in the gas.

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 U₀, 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_uмn, 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.An electronic shutter 5 is used to unload the liquid-gas interface from ionization electrons. FIG. 2 shows an example of a specific implementation of the electronic shutter. The electronic shutter is a system of parallel thin wires located in the same plane and at the same distance from each other, while the wires are divided into two electrically isolated groups, so that each wire from the first group 6 alternates with the wire from the second group 7. When registering useful events, for example, from elastic coherent neutrino scattering on the nucleus, all the wires are under the common potential U ₀ , which ensures free electron drift from the liquid the basics in the gas phase. When a background event interacts, a blocking pulse of a positive voltage from an external source U _umn is applied to one group of wires, which leads to the appearance of an electric field perpendicular to the direction of movement of the ionization electrons. Due to this, the ionization electrons drift along the lines of force of the electric field towards the wires of the electronic gate and are neutralized on them, and thus do not reach the surface of the liquid, which leads to a decrease in the number of accumulated non-emitting electrons. The duration of the blocking pulse is not less than the total time of electron drift in the liquid, and the trigger for blocking is generated when the specified threshold for the magnitude of the scintillation signal corresponding to the gamma quantum or muon is reached.

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.Thus, the proposed utility model makes it possible to efficiently detect rare weakly ionizing processes, in particular, elastic coherent scattering of neutrinos by nuclei, due to a significant decrease in the level of one-electron background over the entire duration of the detector’s long-term operation.

Claims

A two-phase low-background emission detector consisting of a cryogenic chamber with vacuum insulation filled with a noble gas in a two-phase liquid-gas state, in which there is at least one matrix of photoelectronic multipliers, a cathode located in the lower part of the chamber, an anode located between the liquid-gas interface and a matrix of photoelectronic multipliers, as well as an electroluminescent gap located between the liquid level and the anode, characterized in that an electronic creative for blocking ionizing electrons drifting to the interface between background events.