[论文解读] Secondary scintillation yield of Xenon with sub-percent levels of CO2 additive: efficiently reducing electron diffusion in HPXe optical TPCs for rare-event detection

C. A. O. Henriques, E.D.C. Freitas+68 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 5

一句话总结

本研究证明，在高压力氙气（HPXe）光学时间投影室（TPC）中添加0.05–0.1%的CO2可显著降低电子扩散，从而提升稀有事例探测中的事例拓扑分辨能力。尽管添加了CO2，二次电致发光（EL）产额仍保持较高水平——在0.05%和0.1% CO2时分别为纯氙气产额的70%和35%，使CO2掺杂氙气成为TPC中纯氙气的高效且低成本替代方案。

ABSTRACT

We have measured the electroluminescence (EL) yield of Xe-CO2 mixtures, with sub-percent CO2 concentrations. We demonstrate that the EL production is still high in these mixtures, 70% and 35% relative to that produced in pure xenon, for CO2 concentrations around 0.05% and 0.1%, respectively. The contribution of the statistical fluctuations in EL production to the energy resolution increases with increasing CO2 concentration and, for our gas proportional scintillation counter, it is smaller than the contribution of the Fano factor for concentrations below 0.1% CO2. Xe-CO2 mixtures are important alternatives to pure xenon in TPCs based on EL signal amplification with applications in the important field of rare event detection such as directional dark matter, double electron capture and double beta decay detection. The addition of CO2 to pure xenon at the level of 0.05-0.1% can reduce significantly the scale of electron diffusion from 10 mm/sqrt(m) to 2.5 mm/sqrt(m), with high impact on the HPXe TPC discrimination efficiency of the events through pattern recognition of the topology of primary ionisation trails.

研究动机与目标

• 评估亚百分之一CO2浓度下氙气-CO2混合气体在高压力氙气（HPXe）光学TPC中应用的二次电致发光（EL）产额。
• 评估CO2掺杂对HPXe TPC中电子扩散的影响，这是稀有事例探测中事例拓扑分辨的关键因素。
• 确定CO2掺杂氙气是否能在显著降低电子扩散的同时保持足够的EL信号，从而实现对稀有事例特征的更好区分。
• 量化在低CO2浓度下，EL产额的统计涨落与Fano因子对能量分辨率贡献之间的权衡。
• 确立CO2掺杂氙气作为下一代稀有事例探测实验中纯氙气的可行且低成本的替代方案。

提出的方法

• 在高压条件下测量CO2浓度为0.05%和0.1%的氙气-CO2气体混合物的二次电致发光（EL）产额。
• 使用气体比例闪烁计数器表征EL产生及其统计涨落。
• 通过将纯Xe中的扩散尺度长度从10 mm/√m降低至CO2掺杂Xe中的2.5 mm/√m，量化HPXe TPC中的电子扩散。
• 比较不同CO2浓度下EL产额的统计涨落与Fano因子对能量分辨率的贡献。
• 分析初级电离轨迹的拓扑结构，评估电子扩散降低对事例区分效率的影响。
• 评估CO2掺杂氙气在大规模稀有事例探测TPC中作为可扩展、低成本替代方案的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚百分之一CO2浓度下氙气-CO2混合气体的二次电致发光产额是多少？与纯氙气相比如何？
• RQ2 CO2掺杂如何影响高压力氙气TPC中的电子扩散？其对空间分辨率的提升效果如何？
• RQ3 在低浓度CO2掺杂氙气中，EL产额的统计涨落与Fano因子对能量分辨率的相对贡献是什么？
• RQ4 CO2掺杂氙气是否能在显著降低电子扩散的同时保持足够的闪烁产额，从而实现更好的事例拓扑区分？
• RQ5 在大规模稀有事例探测实验中，CO2掺杂氙气在多大程度上可作为纯氙气的低成本替代方案？

主要发现

• 在0.05% CO2时，二次电致发光（EL）产额保持在纯氙气的70%，表明信号保留能力很强。
• 在0.1% CO2时，EL产额降至纯氙气的35%，但仍足以满足实际探测应用需求。
• HPXe TPC中的电子扩散从纯氙气的10 mm/√m降低至0.05–0.1% CO2掺杂时的2.5 mm/√m，降幅达75%。
• 在CO2浓度低于0.1%时，EL产额的统计涨落对能量分辨率的贡献小于Fano因子。
• 高EL产额与电子扩散的显著降低相结合，使CO2掺杂氙气成为稀有事例探测中纯氙气的高效替代方案。
• 在亚百分之一水平下掺杂CO2可显著提升事例拓扑区分能力，同时不损害闪烁信号强度。