[论文解读] Scintillator Non-Proportionality and Gamma Quenching in CaWO4

R. F. Lang, G. Angloher+39 more|ArXiv.org|Oct 23, 2009

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 2被引用 9

一句话总结

本研究在毫开尔文温度下，通过同时测量声子和低温光信号，测量了CaWO₄晶体的闪烁非比例性和伽马射线淬灭效应。结果表明，在40–80 keV能量范围内，伽马射线诱导事件的光产额仅为电子事件的约90%，该现象可通过Birks定律和电子阻止能力解释，测得Birks常数为 $ k_B = (18.5 \pm 0.7) \, \text{nm/keV} $，证实了低能电子射线在闪烁响应中的非比例性。

ABSTRACT

We measure and explain scintillator non-proportionality and gamma quenching of CaWO4 at low energies and low temperatures. Phonons that are created following an interaction in the scintillating crystal at temperatures of 15mK are used for a calorimetric measurement of the deposited energy, and the scintillation light is measured with a separate cryogenic light detector. Making use of radioactivity intrinsic to the scintillating crystal, the scintillator non-proportionality is mapped out to electron energies <5keV. The observed behavior is in agreement with a simple model based on Birks' law and the stopping power dE/dx for electrons. We find for Birks' constant $k_B=(18.5\pm0.7)$nm/keV in CaWO4. Gamma lines allow a measurement of the reduced light yield of photons with respect to electrons, as expected in the presence of scintillator non-proportionality. In particular, we show that gamma-induced events in CaWO4 give only about 90 percent of the light yield of electrons, at energies between 40keV and 80keV.

研究动机与目标

• 使用双检测系统测量CaWO₄在低能区和毫开尔文温度下的闪烁非比例性。
• 确定CaWO₄中伽马射线事件相对于电子事件的光产额降低程度。
• 检验伽马射线淬灭是否源于闪烁的非比例性，还是源于晶体中的几何光捕获效应。
• 从低能电子响应中提取Birks常数 $ k_B $，并验证该模型。

提出的方法

• 利用超导相变温度计进行低温量热测量，通过声子测量沉积能量。
• 使用独立的低温光探测器同步检测闪烁光信号。
• 利用本征放射性核素（²¹⁰Pb、¹⁷⁹Ta、¹⁸¹W）作为电子和伽马射线的内源。
• 通过声子测量中已知能量沉积的电子事件校准光产额。
• 对峰位和非峰位能量谱拟合高斯分布，提取伽马射线和电子事件的光产额。
• 使用Birks定律建模非比例响应：$ \frac{dL}{dx} = \frac{A \, dE/dx}{1 + k_B \, dE/dx} $，其中 $ dE/dx $ 由CaWO₄中电子阻止能力推导得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毫开尔文温度下，CaWO₄中低能电子的闪烁非比例性程度如何？
• RQ2 在40–80 keV能量范围内，CaWO₄中伽马射线事件的光产额与电子事件相比如何？
• RQ3 光产额降低是由于闪烁的非比例性，还是由于晶体中的几何光捕获效应？
• RQ4 CaWO₄中的Birks常数 $ k_B $ 值是多少？该常数是否能准确描述观测到的非比例响应？

主要发现

• 测得CaWO₄的Birks常数为 $ k_B = (18.5 \pm 0.7) \, \text{nm/keV} $，与基于阻止能力和Birks定律的简单模型一致。
• 在40 keV至80 keV能量范围内，CaWO₄中伽马射线事件的光产额仅为电子事件的 $ 90\% $。
• 通过两种独立的内源（¹⁷⁹Ta和¹⁸¹W）验证了光产额降低，其相对光产额分别为 $ 0.91 \pm 0.01 $ 和 $ 0.88 \pm 0.01 $，均相对于电子事件。
• 观测到的非比例响应完全由Birks定律和电子阻止能力解释，排除了光捕获作为伽马射线淬灭的原因。
• 该模型准确预测了电子光产额，其值为 $ 1.011 \, \text{keV}_{ee}/\text{keV} $，与实测值 $ 1.009 \pm 0.004 \, \text{keV}_{ee}/\text{keV} $ 非常吻合。
• 本研究为基于CaWO₄的暗物质实验中识别核反冲信号提供了定量框架，通过考虑非比例光响应的影响。