High Voltage Delivery and Distribution for the NEXT-100 Time Projection Chamber

Resumen Técnico: Entrega y Distribución de Alto Voltaje para la Cámara de Proyección Temporal NEXT-100

Planteamiento del Problema
La realización de cámaras de proyección temporal (TPC) de gas a gran escala para búsquedas de la doble desintegración beta cero neutrinoless ($0\nu\beta\beta$) requiere la entrega y distribución estable de altos voltajes (del orden de decenas de kilovoltios) sobre distancias de deriva de escala métrica. El escalado de estos experimentos suele derivar en desafíos para mantener campos eléctricos uniformes y prevenir la ruptura dieléctrica, particularmente bajo condiciones de alta presión. El experimento NEXT-100, una TPC de xenón de alta presión diseñada para buscar $0\nu\beta\beta$, requiere un voltaje de cátodo de -65 kV para establecer un campo de deriva de 400 V/cm en 13.5 bar de xenón. Los principales desafíos técnicos abordados en este trabajo son:

1. Diseñar un paso de cables de alto voltaje (HVFT) capaz de soportar presiones de hasta 20 bar y voltajes de hasta -65 kV sin rupturas ni acumulación de carga.
2. Distribuir este voltaje de manera uniforme a través de la jaula de campo, adhiriéndose al mismo tiempo a un estricto presupuesto de radiopureza para minimizar el ruido de fondo proveniente de cadenas radioactivas naturales ($^{232}\text{Th}$ y $^{238}\text{U}$).
3. Garantizar la robustez mecánica y el sellado hermético para la transición desde la presión atmosférica hacia el entorno de xenón de alta presión.

Metodología
Los autores describen el diseño, ensamblaje y validación del sistema de alto voltaje del cátodo de NEXT-100, centrándose en dos componentes principales: la jaula de campo y el HVFT del cátodo.

• Diseño de la Jaula de Campo: La jaula de campo consta de 52 anillos de cobre soportados por 18 puntales de polietileno de alta densidad (HDPE). Los anillos gradúan el potencial desde el cátodo hasta el plano de tierra. Para asegurar la uniformidad, los anillos están conectados por arreglos paralelos de resistencias de película chip-film de 100 MΩ. La estructura está envuelta en "Poly Wrap" de HDPE para aislar los electrodos de alto voltaje de la blindaje de cobre interno. El diseño minimiza la masa estructural para satisfacer las restricciones de radiopureza, utilizando componentes de encastre para reducir el andamiaje pasivo. Se realizaron análisis de elementos finitos para verificar la estabilidad mecánica bajo el peso de los componentes (masa total ~270 kg), confirmando deflexiones dentro de tolerancias aceptables (<2.1 mm).
• Diseño del HVFT del Cátodo: El paso de cables es un ensamblaje personalizado que comprende un blindaje de tierra de acero inoxidable 316, una vaina aislante de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMW) y un pin de cobre libre de oxígeno mecanizado con precisión. El diseño se basa en "cryo-fits" (ajustes por interferencia logrados mediante contracción/expansión térmica) para crear sellos de vacío y presión sin el uso de pegamentos o grasas, que podrían introducir riesgos de radiopureza. La geometría del aislante está cónica para minimizar las concentraciones de campo eléctrico.
• Estrategia de Radiopureza: Los materiales fueron seleccionados y obtenidos basándose en ensayos de radiopureza realizados mediante Espectrometría de Masas con Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-MS) en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste y el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. El proceso de selección priorizó materiales con bajas concentraciones de $^{232}\text{Th}$ y $^{238}\text{U}$.
• Ensamblaje e Instalación: El ensamblaje del HVFT implica calentar la vaina de polietileno y enfriar el pin de cobre para facilitar la inserción. El sistema se instala utilizando una herramienta especializada para gestionar los "cryo-fits". Los cables de alto voltaje se preparan con conectores tipo banana y se aseguran mediante abrazaderas personalizadas de UHMW para evitar desconexiones inducidas por tensión.
• Validación y Puesta en Marcha: El sistema fue sometido a pruebas hidrostáticas de hasta 20.7 bar y pruebas de fuga de helio. El rendimiento de alto voltaje fue validado en el prototipo NEXT-CRAB utilizando nitrógeno gaseoso, seguido de la puesta en marcha en el recipiente completo de NEXT-100 utilizando nitrógeno, argón y xenón.

Resultados Clave

• Rendimiento: El HVFT demostró con éxito la capacidad de mantener presiones de hasta 20 bar y sostener voltajes de hasta -65 kV (probado hasta -70 kV en nitrógeno). El sistema ha operado de manera estable en los voltajes de diseño en el detector NEXT-100.
• Radiopureza: Los ensayos de materiales confirmaron que los componentes de la jaula de campo, incluyendo los anillos de cobre, los puntales de HDPE y los reflectores de PTFE, cumplen con los requisitos de fondo del experimento. La contribución total esperada al índice de fondo de estos componentes es aceptablemente baja tanto para las contribuciones de $^{208}\text{Tl}$ como de $^{214}\text{Bi}$.
• Estabilidad: Las mediciones de estabilidad de corriente y voltaje en nitrógeno, argón y xenón no mostraron rupturas eléctricas. El sistema mantuvo una operación estable durante varios meses de uso intermitente y múltiples rampas de voltaje.
• Integridad Mecánica: Las simulaciones de elementos finitos y las pruebas físicas confirmaron que los anillos de cobre y los puntales de HDPE pueden soportar la masa de la jaula de campo con una deformación insignificante, asegurando la integridad del campo de deriva.

Significación y Reivindicaciones
El artículo afirma que la colaboración NEXT ha demostrado con éxito un sistema robusto de paso de cables de alto voltaje y distribución, adaptado a las restricciones específicas del experimento NEXT-100. La significación de este trabajo radica en:

1. Habilitación de la Operación: El sistema es instrumental para permitir la puesta en marcha rápida y la operación estable de NEXT-100, permitiendo que el experimento alcance y mantenga sus voltajes de diseño en diversos medios de deriva (nitrógeno, argón y xenón).
2. Cumplimiento de Radiopureza: El diseño integra con éxito la funcionalidad de alto voltaje con estrictas restricciones de radiopureza, un requisito crítico para búsquedas de eventos raros.
3. Escalabilidad: Los autores afirman que el diseño del paso de cables es adaptable a futuras TPC y parece escalable para sistemas de próxima generación que requieran voltajes más altos y escalas de detectores mayores.
4. Validación: La validación exitosa del HVFT y la jaula de campo bajo condiciones realistas (alta presión y alto voltaje) confirma la viabilidad del diseño para la fase de toma de datos físicos de la búsqueda de la doble desintegración beta cero neutrinoless.

El artículo concluye que el sistema está operando actualmente en el corazón del experimento NEXT-100, facilitando la búsqueda de la doble desintegración beta cero neutrinoless utilizando gas de xenón de alta presión.