[论文解读] Phonon and charge signals from IR and X excitation in the SELENDIS Ge cryogenic detector

H. Lattaud, Q. Arnaud+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 16被引用 3

一句话总结

本研究通过红外激光激发与Neganov-Trofimov-Luke（NTL）效应，在3.3g的低温锗探测器中实现了单电子-空穴对的探测。在1550 nm波长下，成对产生量子效率接近100%，且在54 V偏置下分辨了成对事件的泊松分布，证实了单对灵敏度，尽管能量分辨率有限（40 eV RMS）。

ABSTRACT

The aim of the SELENDIS project within the EDELWEISS collaboration is to observe single $e^- h^+$ pairs in lightweight (3.3 g) cryogenic germanium bolometers with charge and phonon readout at biases up to $\sim 100$ V. These devices are ideal to characterize in detail the mechanism of charge creation and collection in cryogenic germanium detectors. Electron-hole pairs are produced in the bulk of the detector either by the injection of pulsed IR laser or by neutron activation of germanium inducing the K, L and M lines from $^{71}$Ge electron capture decays. Low-energy laser pulses are also used to probe the single $e^- h^+$ pair sensitivity of Ge bolometers. Preliminary results are used to compare these two modes of charge creation, an important step toward a detailed characterization of Ge bolometers for their use in sub-MeV Dark Matter (DM) searches.

研究动机与目标

• 表征轻型低温Ge热电型探测器中电荷产生与收集机制，用于亚MeV暗物质搜寻。
• 比较红外激光激发与中子激活X射线激发在探测单e−h+对灵敏度方面的表现。
• 验证Neganov-Trofimov-Luke效应在低能Ge探测器中放大电荷信号的适用性。
• 为EDELWEISS-SubGeV项目未来的探测器建立基准性能。

提出的方法

• 使用波长为1310、1550和1650 nm的脉冲红外激光二极管照射3.3g高纯度Ge晶体，以探测e−h+对产生的量子效率。
• 施加高偏置（最高100 V）以增强电荷漂移并利用NTL效应放大信号。
• 利用K线和L线（10.37、1.3 keV）的二维热与电离能谱进行低能校准。
• 在54 V偏置下，测量激光脉冲在受控能量沉积（1.4–2.8对）下的声子与电荷信号。
• 将观测到的能量谱与宽度σ ≈ 40 eV的高斯函数卷积的泊松分布进行拟合，以模拟能量分辨率。
• 使用ROOT框架进行数据分析，并采用脉冲触发的符合探测方法以抑制本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接近带隙的红外波长（1310–1650 nm）下，Ge中e−h+对产生的量子效率是多少？
• RQ2 Neganov-Trofimov-Luke效应是否能够实现低温Ge探测器中单电子-空穴对的探测？
• RQ3 观测到的电荷信号分布与单对事件的预期泊松统计匹配程度如何？
• RQ4 在低能激光激发下，探测器的能量分辨率与信号保真度如何？
• RQ5 与71Ge衰变产生的X射线校准相比，激光诱导信号在线性与可重复性方面表现如何？

主要发现

• 1550 nm激光在e−h+对产生中实现了接近100%的量子效率，优于1310 nm与1650 nm波长。
• 在54 V偏置下，探测器分辨了成对事件的泊松分布，两种脉宽下拟合的平均值分别为2.82 ± 0.08对与1.38 ± 0.04对。
• 观测到的能量分辨率为40 eV RMS，不足以分辨单个Npair峰，但足以确认泊松统计特性。
• NTL效应放大了电荷信号，使探测器能够检测到对应于单e−h+对的亚3 eV能量沉积。
• 当脉宽减半时，平均对数比（2.82 vs. 1.38）与预期的2倍关系相符，证实了信号的线性。
• 长时间观测未发现K线电荷收集性能下降，表明红外校准期间探测器性能稳定。