[论文解读] A hybrid organic/inorgaic scintillator for high performance measurements

S. Wagner, M. Grassi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 21被引用 3

一句话总结

本文提出一种由微米级无机晶体悬浮于有机闪烁体基质中的有机/无机混合闪烁体，可提高光产额，实现高达吨级的元素掺杂量，并通过脉冲波形和光谱甄别实现优异的粒子识别。该设计利用多重散射将光子限制在相互作用顶点附近，从而在大型体积探测器中实现高分辨率探测，适用于中微子实验。

ABSTRACT

New experimental research programs in the field of neutrino physics are calling for new detectors with large masses, high energy resolution and good background rejection capabilities. This paper presents a novel hybrid organic/inorganic scintillator, which is able to improve on all three aspects simultaneously. This scintillator consists of microscopic grains of inorganic crystals suspended in an organic scintillating carrier medium. Due to multiple scattering off the crystals, this scintillator appears opaque over longer distances and is intended for use in specialized detectors. Thanks to the crystal phase it can natively incorporate a large variety of elements in large quantities, so that a sufficiently large detector can reach elemental loadings on the ton- or multiton scale. At the same time, this composition can produce very high light outputs and provides additional particle identification capabilities. This scintillator concept is expected to provide significant advantages for future neutrino experiments, like searches of neutrinoless double beta experiments and reactor antineutrino physics.

研究动机与目标

• 解决下一代中微子实验对大尺寸、高分辨率探测器的需求，特别是无中微子双贝塔衰变和反应堆反中微子探测的需求。
• 克服纯有机闪烁体（元素掺杂量有限）和无机晶体（可实现质量小、成本高）的局限性。
• 通过高光产额、优异的能量分辨率以及基于脉冲波形和光谱甄别的本征背景抑制能力，实现高性能测量。
• 开发一种可扩展、成本可控的探测器材料，能够掺入数吨富集同素体以提升探测灵敏度。

提出的方法

• 使用微米级无机闪烁晶体（如 ZnWO4、Lu2SiO5）悬浮于有机闪烁液体或凝胶基质中，形成异质、光学不透明介质。
• 利用晶体-液体界面处的多重 Mie 散射，将闪烁光子限制在相互作用顶点附近的微小区域。
• 在探测器体积内嵌入波长移位光纤，以收集并引导光子至外部光电探测器。
• 利用有机基质（快速）与无机晶体（较慢）之间固有的时间响应差异，实现脉冲波形甄别。
• 利用波长依赖性散射（通过 Mie 截面与折射率的依赖关系）产生波长相关的光子扩散模式，实现基于光谱的粒子识别。
• 设计适用于高度分段探测器或整体式结构的系统，通过光纤阵列实现光收集的局部化。

实验结果

研究问题

• RQ1 该混合闪烁体能否在保持单晶水平的高光产额和能量分辨率的同时，实现类似有机液体的吨级元素掺杂量？
• RQ2 在微米晶体悬浮液中，多重散射在多大程度上可将闪烁光限制在局部区域，从而提升光收集效率和顶点定位分辨率？
• RQ3 有机相与无机相之间脉冲波形的差异是否足以实现对电子、γ射线、正电子、α粒子和中子诱发事件的有效甄别？
• RQ4 光子的波长依赖性散射行为如何影响光子云的空间分布，并实现基于光谱的粒子识别？
• RQ5 在胶体或凝胶基微米晶体闪烁体系统中，元素掺杂量和材料稳定性的实际极限是什么？

主要发现

• 微米晶体闪烁体概念可通过高浓度无机晶体实现吨级甚至数吨级的元素掺杂，这些晶体同时作为闪烁体和靶材料。
• 系统实现了高光产额，得益于无机晶体的高效闪烁性能，以及通过多重散射和光纤提取实现的增强光收集效率。
• 能量分辨率显著提升，归因于高光产额以及通过局部光子限制实现的高精度相互作用顶点分辨能力。
• 脉冲波形甄别得以实现，源于有机相（快速）与无机相（较慢）之间截然不同的时间响应，可有效分离不同粒子类型的事件。
• 基于波长依赖性 Mie 散射，光谱甄别成为可能：长波长光子扩散更远，从而在不同发射光谱下形成独特的空间强度分布。
• 该系统在通过区分 α 粒子、γ 射线、正电子和反冲核的拓扑结构与光谱特征方面，展现出背景抑制的潜力。