[论文解读] Improvement of radon detector performance by using a large-sized PIN-photodiode

K. Okamoto, Y. Nakano+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出通过将小型（18×18 mm）PIN-光电二极管替换为更大尺寸（28×28 mm）的光电二极管，提升氡探测器的灵敏度。在低浓度氡（<1.0 g/m³）下，探测效率提升3.8±2.4%；在更高浓度下，提升幅度可达10–20%，且未增加本底辐射。该升级使在潮湿气体及材料筛选中实现更精确的氡测量成为可能，对稀有事例实验至关重要。

ABSTRACT

Radioactive noble gas radon ($\mathrm{^{222}Rn}$) is one of the major background sources below the MeV region in rare event search experiments. To precisely measure radon concentration in purified gases, a radon detector with an electrostatic collection method is widely used. In this paper, we discussed the improvements of a radon detector by installing a new PIN-photodiode ($28 imes28$ $\mathrm{mm}$) whose surface area is $2.5$ times larger than that used previously ($18 imes18$ $\mathrm{mm}$). We evaluated the detector's performance by serially connecting two radon detectors equipped with two types of PIN-photodiodes. As a result of the calibrations, we found an improvement of $(3.8\pm2.4)\%$ in the detection efficiencies below $1.0$ $\mathrm{g/m^{3}}$, while a $10$-$20\%$ improvement occurred above this level. The intrinsic background of the detector equipped with the large PIN-photodiode was measured as $0.24^{+0.09}_{-0.05}$ $\mathrm{mBq/m^{3}}$. This background level is consistent with the radon detector with the small PIN-photodiode, although we installed the large one. This improvement is useful for applications in radon emanation measurements from a material, which also emits water from its surface.

研究动机与目标

• 提升用于稀有事例实验的氡探测器检测灵敏度，特别是对纯化气体中低水平氡的测量能力。
• 解决在潮湿环境中探测效率下降的问题，其中水蒸气会中和氡子核离子。
• 评估增大PIN-光电二极管面积对探测效率和本底辐射的影响。
• 实现对探测器结构材料氡析出率更精确的测量。
• 支持对纯化水和气体中氡的实时监测，这对大规模实验的本底抑制至关重要。

提出的方法

• 在带有静电收集系统的氡探测器中，将标准的18×18 mm PIN-光电二极管替换为更大尺寸的28×28 mm光电二极管。
• 通过串联连接两个相同型号的氡探测器（分别配备两种不同尺寸的光电二极管），构建校准装置以对比性能。
• 测量校准因子随高压的变化，以评估不同电场强度下的收集效率。
• 评估校准因子与绝对湿度的关系，以测试在潮湿气体条件下的性能表现。
• 基于²²²Rn的3.82天半衰期，计算探测效率修正因子ε = 0.1659，以校正析出过程中衰变的影响。
• 测量大尺寸光电二极管探测器的本底辐射为0.24⁺⁰·⁰⁹₋₀·⁰⁵ mBq/m³，以评估本底稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 将PIN-光电二极管面积从18×18 mm增加至28×28 mm，是否能提升氡探测器在低浓度及潮湿气体环境下的探测效率？
• RQ2 大尺寸光电二极管对探测器本底水平有何影响？
• RQ3 探测器的校准因子如何随施加高压和绝对湿度变化？
• RQ4 大尺寸光电二极管在测量材料氡析出率方面，对探测器灵敏度的提升程度如何？
• RQ5 升级后的探测器能否在保持低本底的同时，实现实时氡监测应用中的更高效率？

主要发现

• 在氡浓度低于1.0 g/m³时，探测效率提升了(3.8±2.4)%，归因于使用了更大尺寸的光电二极管。
• 在更高浓度（>1.0 g/m³）下，探测效率的提升幅度达到10–20%。
• 配备大尺寸PIN-光电二极管的探测器本底辐射为0.24⁺⁰·⁰⁹₋₀·⁰⁵ mBq/m³，与先前的小尺寸二极管设计一致。
• 在高于-0.3 kV的高电压下，校准因子改善了15–30%，表明电荷收集效率更高。
• 该升级在潮湿气体条件下表现出更优性能，对纯化水中氡监测等应用至关重要。
• 本研究证实，增大光电二极管尺寸是一种有效且低成本提升探测器灵敏度的方法，且不会增加本底辐射。