[论文解读] Tetraphenyl Butadiene Emanation and Bulk Fluorescence from Wavelength Shifting Coatings in Liquid Argon

J. Asaadi, B. J. P. Jones+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用 12

一句话总结

本研究调查了四苯基丁二烯（TPB）涂层在液氩中的稳定性，表明部分涂层会向体相中释放TPB，导致可测量的波长转换荧光。在24小时内，可检测到的TPB（质量分数为十亿分之几十）溶解或悬浮于氩中，其闪烁效率保持不变，可能使未来液氩时间投影室实现体相光收集。

ABSTRACT

We study the stability of three types of popularly employed TPB coatings under immersion in liquid argon. TPB emanation from each coating is quantified by fluorescence assay of molecular sieve filter material after a prolonged soak time. Two of the coatings are shown to emanate a detectable concentration of TPB into argon over a 24 hour period, which corresponds to tens of parts per billion in argon by mass. In an independent setup, the dissolved or suspended TPB is shown to produce a wavelength shifting effect in the argon bulk. Interpretations of these results and implications for present and future liquid argon time projection chamber experiments are discussed.

研究动机与目标

• 评估液氩时间投影室（LArTPC）实验中常用TPB涂层在长期使用下的稳定性。
• 确定TPB是否从涂层表面脱离并以溶解或悬浮形态进入液氩体相。
• 量化不同涂层类型在长时间浸没于液氩条件下TPB的释放程度。
• 评估TPB在液氩体相中的光学特性，特别是其在激发后发射可见光的能力。
• 探讨TPB释放对探测器性能的影响，并探索其在今后LArTPC设计中的潜在应用。

提出的方法

• 将三种TPB涂层样品——蒸发沉积的薄箔、TPB+聚苯乙烯涂覆涂层以及高表面积质量的波导涂层——浸没于液氩中，最长48小时。
• 使用分子筛滤膜捕获并量化长时间浸泡后液氩中释放的TPB。
• 通过荧光测定法测量滤膜上捕获的TPB量，并按涂层表面积和暴露时间进行归一化处理。
• 利用255 nm LED激发源和光电倍增管测量TPB掺杂氩的体相荧光。
• 进行脉冲时间分析，研究体相中波长转换光的衰减特性。
• 比较不同涂层类型的TPB损失情况，以评估其相对稳定性和对溶解或悬浮的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在液氩中长期浸没后，LArTPC中使用的TPB涂层是否保持稳定？
• RQ2 TPB从涂层表面脱离并以溶解或悬浮形态进入液氩体相的程度有多大？
• RQ3 体相氩中的TPB能否维持其波长转换荧光效率？
• RQ4 体相中TPB的荧光强度与直接照射的表面涂层相比如何？
• RQ5 TPB释放对LArTPC实验长期性能和设计有何影响？

主要发现

• 部分涂层会向液氩中释放TPB，三种测试涂层中的两种在24小时内表现出可检测的损失，对应于氩中质量分数为十亿分之几十的TPB。
• 分子筛滤膜成功捕获了释放的TPB，证实其存在于液相中，并实现了释放速率的量化。
• 掺杂TPB的体相氩表现出可测量的荧光，经255 nm激发48小时后产生429.2 ± 22.3个计数，约为直接照射涂层强度的一半。
• 初步脉冲时间分析显示毫秒量级的长时间常数，表明稀释TPB溶液中可能存在磷光行为，与致密表面薄膜的行为不同。
• 结果表明，体相中的TPB可作为有效的波长转换剂，即使脱离固体表面，仍能保持其闪烁功能。
• 本研究突显了将溶解或悬浮TPB用作未来LArTPC设计中可调谐、内在光源的潜力，但其脱离机制（溶解 vs. 悬浮）仍有待明确。