In-situ high voltage generation with Cockcroft-Walton multiplier for xenon gas time projection chamber

技术摘要：用于氙气时间投影室的原位高压生成与科克罗夫特 - 沃尔顿倍增器

问题陈述
高压氙气时间投影室（TPCs）对于搜寻 $^{136}$Xe 的无中微子双贝塔衰变（$0\nu\beta\beta$）至关重要，其有望实现具有卓越能量分辨率和背景抑制能力的吨级探测器。在扩展这些探测器规模时，一个重大的技术挑战是产生建立漂移电场所需的高压（HV）。对于 100 kg 至 1000 kg 的探测器，需要超过 100 kV 的电压。从压力容器外部提供如此高的电压需要专用的、耐高压的馈通装置，这会引入复杂性并增加潜在的故障点。一种替代方案是从外部引入较低电压并在内部进行升压。虽然科克罗夫特 - 沃尔顿（CW）倍增器可以将低交流输入转换为高直流输出，但其在 TPC 中的实施一直受到以下问题的阻碍：交流输入引起的巨大基线偏移使信号读出复杂化，以及如果交流输入中断则难以维持电压稳定性。此外，此前利用该方法用于液氩 TPC 的提案尚未在实际运行中实现。

方法论
作者开发并集成了一款定制的科克罗夫特 - 沃尔顿倍增器到 AXEL（一种氙电致发光探测器）180 升原型机中，该原型机是一款旨在搜寻 $0\nu\beta\beta$ 的高压氙气时间投影室。

• 探测器配置：AXEL 探测器利用电致发光（EL）来探测电离电子。电离电子漂向电致发光光收集室（ELCC）平面，在那里被加速产生真空紫外（VUV）光子，并由硅光电倍增管（SiPMs）探测。这种光学读出方法对电子噪声具有高度抵抗力。
• CW 倍增器设计：为了适应场笼与腔室壁之间狭窄的空间（宽度约 20 厘米，高度 3 厘米），CW 倍增器采用带有表面贴装器件的柔性印刷电路板（FPC）构建。每块电路板包含 10 级基本 CW 电路（电容和二极管）以及用于电压分配的电阻链。
  • 组件：设计采用 Knowles Syfer 陶瓷电容（0.1 $\mu$F，2 kV）、Micro Commercial Components 快速开关二极管（FM2000GP）和 Bourns 电阻（100 M$\Omega$）。
  • 绝缘与放气：为防止电晕放电并最小化气体污染，电路在经过超声波清洗和脱气后涂覆了甲基硅树脂（KR-251）。该设计在双层结构中避免使用聚酰亚胺片以防止表面放电，并对孔洞进行了攻丝处理以防止沿孔放电。
  • 电压生成：该系统旨在产生 -44.8 kV 的目标电压（测试期间运行在 34.3 kV），以便在 8 bar 压力下建立 -800 V/cm 的漂移场。交流输入通过正弦波发生器和放大器提供。
• 运行测试：原型机在 6.8 bar 氙气压力下运行了 40 天。CW 倍增器为阴极电压和场笼级供电。数据使用掺钨的钍棒作为伽马射线源采集，提供来自 $^{208}$Tl 的 2615 keV 伽马射线。

主要贡献

1. 原位高压生成：成功在高压氙气时间投影室内集成并运行了 CW 倍增器，证明了其作为外部高压馈通装置替代方案的可行性。
2. 紧凑且低放气设计：开发了一种基于 FPC 的紧凑型 CW 倍增器，其放气率（倍增器组件为 $1.4 \times 10^{-5}$ Pa m$^3$/s）远低于原型探测器的运行限制，确保了气体纯度的维持。
3. 信号稳定性：证明了 CW 倍增器所需的交流输入不会给 ELCC 信号引入显著的噪声或基线偏移，波动保持在 1 个 ADC 计数以内。
4. 放电抑制：实施了特定的机械和涂层改进（攻丝孔、树脂涂层、改进的 PTFE 结构），以抑制高压环境中的电气放电。

结果

• 稳定运行：CW 倍增器在 34.3 kV 阴极电压（设计值的 90%）和 6.8 bar 压力下稳定运行了 40 天。
• 能量分辨率：探测器在来自 $^{208}$Tl 的 2615 keV 峰处实现了 $(0.67 \pm 0.08)\%$（FWHM）的能量分辨率。插值表明，在 $0\nu\beta\beta$ Q 值 2458 keV 处的分辨率约为 $(0.678 \pm 0.010)\%$（假设统计涨落占主导）。
• 信号质量：ELCC 通道的基线标准差保持稳定（平均 $\sigma_{bl} \approx 0.46$），证实来自 CW 倍增器的交流拾取并未降低能量分辨率。
• 径迹重建：系统成功重建了三维径迹。来自 2615 keV 伽马射线的事件被识别为单电子径迹，而 1593 keV 事件（双逃逸峰）显示出源自同一顶点的两个不同径迹（电子和正电子），证明了探测器区分拓扑结构的能力。
• 气体纯度：测得电子寿命为 $(25.0 \pm 0.9)$ ms，对应衰减长度为 $(27,500 \pm 1020)$ mm，表明尽管存在倍增器，仍维持了足够的气体纯度。

意义
本文声称，这项工作证明了在高压氙气时间投影室中使用科克罗夫特 - 沃尔顿倍增器进行原位高压生成的可行性。通过成功运行倍增器长达 40 天而未损害气体纯度或信号分辨率，作者验证了一种设计方案，该方案有望消除未来吨级探测器对复杂高压馈通装置的需求。这种方法解决了扩展用于无中微子双贝塔衰变搜寻的氙基实验规模的关键技术障碍，为开发具有更好能量分辨率和更低背景的探测器提供了一条途径。成功抑制交流引起的噪声和电气放电，为未来的实施提供了实用的蓝图。