孙希磊 高能所实验物理中心探测器二组 核探测与核电子学国家重点实验室年会2014

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1 孙希磊 高能所实验物理中心探测器二组 核探测与核电子学国家重点实验室年会2014
CsI(Na)暗物质探测实验进展 孙希磊 高能所实验物理中心探测器二组 核探测与核电子学国家重点实验室年会2014

2 报告内容 背景 实验概念 实验挑战 实验进展 小结

3 测什么？ 信号：核反冲事例 <0.01events/kg.day 本底：电子反冲事例 （材料放射性、宇宙线及其次级粒子）
排除本底方式： 地下、屏蔽、n/γ分辨

4 CsI(Na) Dark Matter Searches (CINDMS) Why CsI(Na)
CsI(Na) crystal is transparent for the scintillation of pure CsI Nuclear recoil has higher dE/dx, small range, scintillation dominant by pureCsI, Wavelength 310nm, decay time 15ns Electron recoil has lower dE/dx, large rang, Scintillation dominant by Na+, Wavelength 420nm, decay time 600ns Ranges of different Particles in CsI(Na) Waveforms of CsI(Na) for different particles

5 The Light Yield 2.5x2.5x2.5cm CsI(Na) Test by PMT R8778
~30% nm -120C Balance of alpha and gamma LY 4 p.e./keVee 36% QF: 10% Light collection: 25% ~0.28p.e./keVnr Threshold is 10p.e. /35keVnr with 10-6 rejection power light yield as a function of temperature for gamma and alpha

6 1.26µs/40µs separation for gamma /alpha

7 CINDMS Program First Stage CINDMS50 Next stage CINDMS1T Water tank:
To shield environment neutrons trace cosmic ray by Cherenkov light Copper low-temperature box: To provide a low-temperature environment -120℃ Shield environment gamma Background rejection: PSD/ filter 1 T proposal 2015 4 units 20 modules 1000 kg Side read out Active shield with LXe Jingping or Gran Sasso Funded by IHEP One module 50 kg Daya Bay laboratory Hall 5 ~100 m overburden Water tank 5 m x 5 m x 6 m One unit for side read out End read out

8 CsI(Na) VS 液氙 CsI(Na)优点： 双发光，粒子鉴别能力强； 价格便宜，是液氙的1/5，晶体850 USD/kg，液氙 4200 USD/kg； 性能稳定，适合长期运行，观测调制相应； 模块化，容易搭建大规模探测器； CsI(Na)缺点： 不容易提纯Cs137 2mBq/kg、Rb87 1ppb； 探测器性能取决于晶体生长质量，掺杂均匀性难以测量，晶体长成后无法改变； 单根晶体长不大，难以实现3D测量； 表面潮解，装配及测试复杂； 液氙优点： 循环提纯，是一个可控的过程，Kr85可从5-20ppm提纯到1ppb，本底主要是外部本底； 容易实现3D测量，两相TPC，单相4π； 液氙缺点： 价格高（可回收？）；两相TPC做到吨级以上，加高压困难，单相4π，3D定位阈值较高。

9 CsI backgrounds

10 XENON本底

11 关键技术和挑战 极低本底控制 表面潮解问题，装配难题 掺杂均匀性问题 理解探测器对各种信号的相应及本底来源 低温能标刻度 QF 测量
信号、本底的探测效率

12 工作进展——晶体 850 USD/kg 晶体已经到货， 真空干燥箱，已定货

13 工作进展——晶体封装 晶体尺寸：180x180x kg 采用整体无氧铜屏蔽壳结构，两端无氧铜法兰，石英玻璃窗口，硅油耦合，TEFL反射层，每端5只PMT，正压密封防止潮解。 铜壳尺寸：270x270x360 厚40 118kg 洛铜牌号LC1011 CU+Ag P Bi Sb As Fe Ni Pb Sn S Zn O金相一级 余量杂质和0.003 已定货 5月20号前到货 线切割加工，周期大约1.5个月 预计7月份完成。

14 工作进展——装配手套箱 晶体潮解，总重160kg，装配是挑战。
采用真空手套箱，结构为双向4工位箱体、两端分别为加热仓、过度仓，底部采用万向导轨，顶部留吊装口， 预留电极及真空管道接口。 采用水分仪监控箱内水分含量，采用液氮冷井循环除水。 实现晶体封装、加热除水、测试完全隔离空气。 水分仪、加热炉、耐热万向球已定货 手套箱加工已确定厂家，预计5月底完成加工。

15 工作进展——低温保持器 采用真空隔热结构，制冷机制冷，冷指导热，PT100温度传感器，温控仪控制陶瓷加热棒加热实现温控。
探测器吊装结构，上部采用防水罩设计，电缆及气管通过防水管道穿出水面。 设计完成，将与厂家确认加工合同，预计1个月完成。 制冷机已到货，温控仪、feedthroug、真空泵已完成调研，即将定货。

16 工作进展——PMT 选用用日本滨松R11065MOD、R8778型号，70-100mBq/PMT 已定货，5月份开始到货。
分压器已设计完成，采用正高压分压器设计，高压信号两路设计。 低温刻度系统已就绪。

17 工作进展——电子学 电子学组研制的FADC及触发系统预计5月份可调试 商业插件
CAEN 751 8通道 VME插件FADC 1GS/s 已定货 高压插件、FIFO、逻辑协调组内已有插件解决。 软件 完成基于labview的实施波形获取分析软件 feedthrogh、电缆已调研完毕，即将定货。

18 工作进展——机械、刻度 探测器支架及装配已完成设计，水面平台及相关工作即将进行。 刻度： 光源刻度PMT 放射源：
外部：Cs137gamma、Cf252中子源从低温保持器外部刻度， 内部：低活度带alpha触发的Am241植入无氧铜壳内，刻度低能信号。 即将开展设计及放射源购买工作。 Cu 塑闪 SiPMT Am241 X CsI(Na)

19 工作进展——中子散射实验 10号厅DT、DD中子管、BC501A液闪角度探头已安装调试完毕， 低温保持器已到货，正在组装。
低温散射实验条件已具备。

20 NaI(Tl) 最近QF测量结果

21 工作计划

22 小结 CsI(Na)对液氙具有价格便宜、模块化容易做大等 优势，但是也面临本底不容易提纯，掺杂均匀性、 表面潮解等困难。
一个实验模块资金于2013年10月到位，晶体、 PMT、电子学、制冷机等关键器件已经定货到货。 封装难题基本解决，无氧铜、手套箱、低温保持 器已设计完成，即将开始建造。 预计11月份，在大亚湾5号厅，安装调试完取数。