Detection of scintillation light in noble gases with wavelength-shifting optical fibers

技术摘要：利用波长移位光纤探测稀有气体中的闪烁光

问题陈述
基于稀有气体（氙和氩）的探测器是包括无中微子双倍贝塔衰变和暗物质散射在内的稀有事件搜索的核心。这些探测器面临的一个主要挑战是高效收集闪烁光，由于闪烁光发射在真空紫外（VUV）区域（氩约为 128 nm，氙约为 175 nm），传统的光电传感器对 VUV 不敏感，且标准光学材料会对该波段产生强吸收。虽然波长移位（WLS）技术是已知的解决方案，但其在高压气体环境下的性能——特别是针对未来如 NEXT 程序中兆吨级高压气态氙时间投影室（HPGXe-TPCs）的需求——需要进行严格的量化。目前依赖光电倍增管（PMT）的设计面临着放射性本底问题以及将 PMT 与高压体积隔离开来的机械复杂性。硅光电倍增管（SiPM）提供了高放射纯度的替代方案，但会在室温下引入高暗计数率，并且需要极高的通道数来进行直接读取。WLS 光纤提供了一种潜在的解决方案，可以减少通道数量并实现高压氙环境下的直接运行，但其在这些特定条件下的光收集效率（LCE）和时间响应尚未得到全面的表征。

方法论
作者开发并运行了两个互补的实验原型，用以研究涂有 TPB 的 WLS 光纤在高达 8.5 bar 的气态氙和氩中的表现。

1. 基于 SiPM 的高压装置： 一个细长的零场容器（长度 350 mm，截面积约 37×37 mm²），内衬四块 PTFE 面板。每个面板都布置了 30 根库雷（Kuraray）Y11 多层包覆 WLS 光纤（直径 1 mm），光纤表面涂有约 3 µm 的四苯基丁二烯（TPB），用于将 VUV 移位至可见光波长。每根光纤的一端经过铝化处理以实现反射。光纤被捆绑在一起，并通过滨泽（Hamamatsu）S13360-6075PE SiPM 进行读取，这些 SiPM 被积极冷却在 6.0°C–14.0°C 以抑制暗计数。系统通过热获取器（hot getter）进行连续气体净化。
2. 基于 PMT 的常压装置： 一个紧凑的箱型探测器（74×74×84 mm³），填充了 1 bar 的氙气。器壁上布置了 64 根 Luxium BCF-91A WLS 光纤，同样涂有 TPB。光纤由经红光增强的滨泽 H13543-20 PMT 进行读取。

测量程序：

• α 源校准： 两个装置均使用 $^{241}$Am 源（α 粒子）进行校准，以测量绝对光收集效率（LCE）。SiPM 装置的数据采集压力范围为 1.5 至 8.5 bar，PMT 装置在 1 bar 下采集。
• 宇宙线缪子标记： 在 SiPM 装置中，利用来自外部塑料闪烁体的符合触发选择穿透式宇宙线缪子，以测量闪烁光产额随压力的变化，从而避免几何遮挡效应。
• 数据分析： 对波形进行了重建、基线减除和积分。针对 SiPM 进行了单光电子校准，将电荷转换为光电子（p.e.）。通过 Geant4 Monte Carlo 模拟评估了系统不确定性，特别是关于不锈钢源支架和 PTFE 端盖对 VUV 吸收的影响。

关键结果

• 光收集效率 (LCE)：
  • SiPM 装置： LCE 在整个压力范围内保持恒定。对于氙，LCE 为 1.18 ± 0.01 (stat) +0.07/−0.09 (sys) %。对于氩，LCE 为 1.07 ± 0.01 (stat) +0.06/−0.08 (sys) %。
  • PMT 装置： 在 1 bar 氙气下，LCE 测量值为 0.45 ± 0.01 (stat) ± 0.05 (sys) %。通过按光子检测效率比值（SiPM PDE ~46% vs. PMT PDE ~18.4%）进行缩放，该值外推约为 1.12%，与 SiPM 的结果吻会吻合良好。
• 闪烁产额与复合：
  • 氙中的宇宙线缪子测量显示，光产额随压力略有增加（从 1.5 bar 时的 0.26 p.e./keV 增加到 8.5 bar 时的 0.31 p.e./keV），这归因于 $\delta$ 电子或 X 射线相互作用产生的微弱复合效应，而非主轨道。
  • 在 1.5 bar（此时复合效应可忽略不计）条件下，氙产生一个闪烁光子的平均能量 ($w_{sc}$) 计算为 45 ± 7 (stat) +4/−5 (sys) eV。该数值与抑制复合条件下的文献值一致。
• 时间结构： 平均波形显示了预期的组分：瞬发信号（单线态激子 + TPB/光纤响应）、三线态组分以及延迟复合尾部。在低压（1.5 bar）和宇宙线缪子情况下，复合尾部显著受到抑制，这与低电离密度相符。

意义与主张
论文证明了涂有 TPB 的 WLS 光纤系统可以可靠地探测高压气态稀有探测器中的闪烁光。作者声称，测得的 LCE 值代表了现实大规模 TPC 的上限，因为未来的全规模探测器会因为电极网格（阴极、阳极、门极）和更长距离下的光纤衰减而产生额外的损失。

尽管如此，结果表明 WLS 光纤读取是未来 HPGXe-TPC 可行的、具有扩展性的解决方案。该系统具有低通道数（降低了数据速率和复杂度），并允许 SiPM 直接在高温高压体积内运行，从而消除了 PMT 所需的复杂真空屏障和蓝宝石窗口。此外，能够探测低能信号（通过 59.5 keV $\gamma$ 射线及 $^{83m}$Kr 校准的可能性得到证实）表明，即使其绝对光产额低于直接 PMT 读取，该技术仍能支持下一代实验的能量测量和校准需求。这项工作为未来探测器（如 NEXT 程序）的设计提供了定量基础，推动其向兆吨级运行迈进。