Conveners
11 - 低本底技术
- 昊 陈 (复旦大学-现代物理研究所)
11 - 低本底技术
- 伯祥 俞 (中国科学院高能物理研究所)
11 - 低本底技术
- Yue Meng (Shanghai Jiao Tong University)
11 - 低本底技术
- Shukui Liu (Sichuan University)
活体直接测量不仅适用于核应急情况下的急性辐射暴露，还可以为长期受到氡暴露的人提供回顾性健康评价。工作水平月（WLM，Working Level Month）能够反映个体氡累积暴露量，被国际辐射防护委员会推荐用于评价氡致个体患肺癌风险。研究表明人体骨骼Pb-210活度与WLM有关，在此基础上研究人员发展了通过人体头骨Pb-210活体直接测量重构氡累积摄入量的新途径。理论计算表明人体头骨中Pb-210活度非常低，属于痕量（~10-12...
光热双读出是下一代低温晶体量热器0νββ 实验，如CUPID，为进一步降低本底而正在研发的关键技术。本研究重点关注用于光信号读出的极低温TES光探测器的研发。此次报告将主要介绍以下两个方面的工作：1）工作于~20 mK温区的超导钨薄膜的制备和调控。我们的钨薄膜由磁控溅射技术制备，通过调控溅射功率、溅射气压和基底温度，以及控制退火过程，目前制备的钨薄膜超导转变温度最低达到了27 mK。同时我们对钨薄膜进行了XRD、电阻率和薄膜应力的测量分析，并尝试建立薄膜超导特性与以上参数的联系。2）TES光探测器的光热响应COMSOL模拟仿真。光学模拟基于COMSOL的几何光学模块进行，通过改变晶体量热器结构以及给光探测器硅片基底覆盖抗反射层来对探测器的光收集效率进行优化。热学仿真目前模拟了光探测器硅片基底对光子能量沉积的热响应，更完整的模拟正在进行中。
This conference report provides an overview of the JUNO experiment, highlighting the specific requirements and challenges associated with the utilization of liquid scintillator. The report focuses on the development process of the ultra-pure liquid scintillator, as well as the construction and commissioning status of the production equipment. Preliminary results are presented, along with...
PandaX-4T实验利用液氙时间投影室（TPC）技术寻找暗物质或无中微子双贝塔衰变等稀有事例，探测器部件的放射性，液氙内部的氡，氪杂质等都会产生本底，因此对其的控制至关重要。为了实现这一目标，PandaX采用多种技术对实验本底进行去除，精确测量等。利用高纯锗探测器测量材料的放射性，筛选低本底材料并对其产生的ER，NR本底等进行估计；合作研发了一种低本底光电管R12699，U-238(l)含量可达到~0.1 mBq/pc；下一步计划利用双探头探测的方式进一步提升探测器灵敏度；利用氡探测器测量探测器部件放氡，进行活性炭除氡实验；利用Kr测量系统测量氙中的氪含量，采用富集系统提升测量灵敏度的同时除氪；利用alpha探测器测量特氟龙，光电管石英窗的表面alpha等等。
在低活度水平放射性物质测量场合，通常采用反符合探测器与高纯锗探测器组合方式来降低康普顿散射本底，从而获得极低的检出限，提高测量精度。该法系统复杂，维护难度大，不利于应用推广。本文提出了基于人工神经网络技术的脉冲波形分析方法以甄别全/部分能量沉积事例，进而抑制康普顿散射本底，降低系统的最小可探测活度。本文模拟了全能量沉积事例与部分能量沉积事例在探测器内的位置分布特征，并通过对探测器内电场强度分布、权电势分布以及载流子漂移过程的仿真得到了脉冲形状与能量沉积位置的关系，进而建立了脉冲形状与事例类型的联系。在此基础上，提出了一种用于提取脉冲信号多特征的PSD算法，通过多个特征参数更加精确的映射了伽玛射线在探测器中能量沉积的位置，构建了全连接神经网络以多个特征参数作为输入分析并推理出脉冲信号所属事例类型，剔除部分能量沉积事例，从而抑制本底降低最小可探测活度，该方法对来自152Eu、137Cs和...
江门中微子实验将设计、研制并运行一个国际领先的中微子实验站，该实验以测定中微子质量顺序为主要物理目标，并能够进行精确测量中微子混合参数等多项科学前沿研究。江门中微子实验将使用2万吨超洁净的液体闪烁体来作为中微子探测的靶物质，使用2万支20英寸光电倍增管以及2.5万支3英寸光电倍增管进行光信号的探测。为降低宇宙线引起的本底，该探测器建造于700米地下实验室之中，为进一步的压低环境天然放射性及实验材料在液体闪烁体中的形成的事例，该探测器需浸泡在3.5万吨的超纯水之中，且超纯水中的氡含量需降低至10mBq/m3以下。本报告将介绍低氡超纯水预研以及高灵敏度氡浓度测量等相关工作。
中微子研究与暗物质探测是目前粒子物理领域的热门研究方面，其研究结果将可能大大改变人类对于物质世界的认知。中微子和暗物质与普通物质的作用截面极低，因此该类实验均对探测器的本底有着极高的要求。氡气作为一种放射性气体，广泛存在与环境之中，是粒子物理实验中最为难以控制的本底之一。能否做好探测器氡本底的控制将直接关系到实验的物理目标能否实现。
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液氮中的氡是主要的放射性本底之一。CDEX实验使用点电极高纯锗浸泡在无长自身宇生、质量数较轻的液氮中，用以冷却和屏蔽放射性本底。为了满足CDEX-50实验的极低本底需求，液氮本底须降至至每千克液氮中氡的含量为0.4$\mu Bq/Kg$。为了测量液氮中极低浓度的氡，我们开发了具有高溶解率、低铀钍本底含量和优异粒子鉴别能力的液体闪烁体。我们筛选出氡衰变链中的${^{214}Bi}-\beta-{^{214}Po}-\alpha-{^{210}Pb}$，以获取氡的浓度。我们控制实验装置的本底，以实现更低的探测下限，同时能够探测到更低的氡浓度。在温度为$21^\circ C$、压强为0.4Mpa的条件下，我们的0.3L原型装置的探测灵敏度可达到6$ mBq/Kg$。液氮中氡的测量和除氡的研究将在富集后配合升级装置进行。
在中微子实验和暗物质实验等现代稀有事件探测实验中，氡是最重要的辐射本底来源之一，它可以从几乎所有含镭的材料中析出，并在实验系统中自由迁移。随着极低水平物理实验测量装置愈来愈庞大，探测灵敏度越来越高，对氡致本底的要求也随之越来越苛刻。这对材料的筛选、氡的析出控制、氡的屏蔽控制、氡的移除和极低水平氡的测量都提出了极具挑战性的要求。服务于中国锦屏地下实验室，我们开发了四种型号的静电采集式测氡仪，两套活性炭低温富集系统，用于极低水平氡监测和材料析出率测量，并对氮气和液氮蒸发气等实验用气中氡水平进行监测，对锦屏实验所用同轴线缆、金属板等材料进行氡析出率评估。
精确探测氡在暗物质研究中扮演着至关重要的角色，氡的背景水平直接影响暗物质探测实验的灵敏度与可靠性。为了捕捉稀有的暗物质粒子事件，暗物质实验通常需要极低的背景环境以减少干扰信号。
在本报告中，我们将展示我们在开发低背景氡探测技术方面的最新进展。我们探索了多种抛光技术和表面处理方法，实验结果显示，镜面抛光工艺在降低氡探测器背景水平方面效果显著。我们进一步分析了背景水平与表面粗糙度之间的关系，发现它们之间呈现出正相关。
通过一系列实验验证，我们使用经过镜面抛光处理的不锈钢探测器，并结合超声波清洗与酒精擦拭，成功将氡背景降至0.1mBq以下，实现了极低的探测背景。这一成果不仅证明了通过细致的表面处理技术能够显著提升探测器性能，也为氡探测技术的进步提供了重要的技术参考。
暗物质直接探测实验致力于探测暗物质粒子在探测器上散射产生的罕见信号事件，低本底在这一探测中至关重要。当前先进的液气双相氙时间投影室采用了各种方法去除本本底，在所剩的本底中，最多的是氡的衰变链中铅产生的beta信号，这一本底限制了实验的探测范围。固气双相氙时间投影室这一新型探测器可以排除和标定氡本底，同时保留液氙时间投影室的优点。伯克利实验室的暗物质实验组建造并成功运行了固气双相氙时间投影室。本报告讨论这一粒子探测器的性能以及晶体氙排除氡本底的能力。
江门中微子实验(JUNO)位于广东省开平市打石山下650 米深处，其主体为一个高纯水屏蔽中的2 万吨低本底液体闪烁体（液闪）探测器。JUNO 探测器出色的能量分辨率和巨大的灵敏体积为研究中微子物理的许多重要内容提供了令人兴奋的机会。高纯氮气是保障JUNO液闪探测器低放射性本底的重要因素。在JUNO实验中，高纯氮气(HPN)将应用于液体闪烁体纯化主要过程，用于系统的保护、管道的清洗，吹扫，特别是提供高纯氮气用于气剥离纯化系统，在未来JUNO运行中将提供探测器，溢流罐，刻度系统使用。JUNO实验要求，高纯氮气中的氡浓度应小于10 μBq/m3，液闪组设计并建造了一个最大流量为100 Nm3/h的高纯度氮气纯化系统。系统采用低温活超纯性炭吸附技术，并设计了最优的高径比的活性炭柱来去除氮气中的放射性气体，确保了纯化效率。同时，通过静电收集技术和低温富集技术来测量氮气中的氡含量。设备在50...
近年来，暗物质直接探测、无中微子双贝塔衰变等稀有事例探测实验对本底水平提出了严苛要求。低本底高纯锗探测器是极低本底材料筛选的关键设备，可以测量材料的放射性活度信息，为低本底材料的筛选提供数据支撑。
在多年商用级高纯锗探测器制备经验的基础上，我们对探测器各组件的原材料进行筛选，并使用蒙特卡洛方法建立探测器模型，对探测器结构进行优化设计。模拟结果表明，探测器对238U、232Th样品的最小探测活度可达≤10mBq/kg。
基于模拟结果，我们制造了一台低本底高纯锗探测器样机。该样机使用邦定技术进行信号引出，进一步降低了本底。在CJPL的初步测试结果表明，其本底计数率为4.95cpm，最小探测活度达到设计指标。
Surface events that exhibit incomplete charge collection are an essential background source in the light dark matter detection experiments with p-type point-contact germanium detectors. We propose a machine learning based algorithm to identify bulk and surface events according to their pulse shape features. We construct the training and test set with part of the 𝛾-source calibration data and...
P型点电极锗（pPCGe）探测器因其具有超低探测器阈值、极低本征本底以及十分出色的能量分辨率等特点，被极其广泛地应用于稀有事例探测，特别是暗物质直接相互作用探测实验。
pPCGe探测器具有三类典型的事例分布，分别为表面事例（Surface Events, SEs）、体事例（Bulk Events, BEs）和超快体事例（Fast Bulk Events,...
我们将报导来自中国锦屏地下实验室缪子和缪子衍生通量的测量实验，该实验使用了28升掺钆液闪探测器在一米厚的聚乙烯室内稳定运行412天所采集的数据，对饱和信号的事例和电子反冲能量进行重建后实现1MeV以上的全能区测量。通过Geant4模拟并结合山形几何效应以获取探测器探測效率。反冲能量采用高低能量数据处理的方式，低能区使用中子慢化吸收来降低环境中中子本底的干扰，高能区使用饱和信号重建，增大了测量能区。实验数据结果初步与预期相符，在数个MeV反冲能量上无缪子衍生中子测出。
PandaX等稀有事例探测实验都需要密封性好的低本底容器作为探测器壳体，其质量大且靠近探测灵敏区间，对探测器性能有重要影响，低本底材料的测量与甄选是此类实验的重要工作。
一般采用高纯锗谱仪测量材料的放射性，可直接测量关注的核衰变过程且为无损检测，但随着本底要求的日益苛刻，需要测量的时间随之急剧增加，测量效率急剧下降，所以发展批量测量的方式已经成为必然选择。ICPMS只需要微量样品即可测量，可批量处理，大幅节省测量时间。通过ICP-MS与高纯锗谱仪测量结果的比较，验证了10-11g/g含量水平两种测量方法在不同置信水平下的一致性和差异可能性。为PandaX实验低放射性本底材料的筛选和评估提供了重要的技术手段，并对海绵钛的电子束冶炼效果提供了直接证据。
对无中微子双贝塔衰变、暗物质等稀有事例开展实验研究时，需严格控制探测器建造材料的天然放射性本底（如钍、铀等的含量），为此必须建立准确、灵敏的测量方法。电感耦合等离子体质谱法是测量无机元素最灵敏的方法之一，在筛选极低本底探测器材料上具非常重要的应用，但难点在于建立合适的前处理方法，将待测元素从材料中分离出来并进行富集。根据实验项目需求，我们建立了粒子探测器常用材料——高纯铜中痕量钍、铀的分离富集方法，采用ICP-MS定量，铜中钍和铀检出限均低至约0.1 ppt；建立了液闪探测器常用发光物质PPO中钍、铀含量的测量方法，检出限低至约~0.01 ppt；初步建立第二发光物质bis-MSB中钍铀含量的测量方法，检出限约0.2~0.4ppt（可进一步降低）。
基于电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术测定不同材料中Th/U放射性含量
李院霞（代表低本底组）
电感耦合等离子体质量谱法(ICP-MS)广泛应用于筛选中微子、暗物质和双β衰变等低本底探测器的材料研究。该报告主要介绍了采用不同前处理方法对不同材料中Th/U放射性含量的精确测量。目前有成熟测量方法的材料主要包括不同的有机样品如烷基苯（LAB）、液闪（LS）；聚合材料如有机玻璃、聚酰亚胺（Kapton）、PFA、FEP、PTFE等；硅等半导体材料。对于固体有机材料，建立了干灰化的前处理方法，该方法解决了不同有机材料的富集前处理且可以达到亚ppt的检出水平。对于液态有机样品如烷基苯，我们采用液相酸萃的富集前处理方法，在99%置信水平下的方法检出限(MDL)可达0.18/0.15ppq232Th/238U水平。对于其他材料如PI, SiO2, Si等测量方法也将在本次报告中介绍。
Material screening and selection in rare-event search experiments, such as dark matter direct detection experiments, neutrinoless double-beta decay (0$\nu\beta\beta$) experiments, and neutrino detection experiments, presents a significant challenge due to the high requirement of purity. The cosmic rays and cosmogenic radioactivity are drastically decreased with thick rock overburden as...
