Development of direction sensitive dark matter detector with ZnWO4 scintillators

ZnWO4闪烁体方向敏感暗物质探测器的研制

基本信息

批准号：
22H01245
负责人：
関谷洋之
金额：
$ 10.9万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01245/
关键词：
素粒子検出器暗黒物質方向感度極低放射能

项目摘要

中性子ビームを用いた低エネルギー原子核反跳測定に向けてZnWO4結晶からの集光量を増やすために、反射材の改良、高量子効率の光電子増倍管の使用、プリアンプの改良、そして結晶研磨方法の変更を行った。反射材にはアルミ蒸着シートを用いることで光量の時間変動を抑え系統誤差を小さくすることに成功した。光電子増倍管にはウルトラバイアルカリ光電面のものを採用することで集光量を1.26倍に増加できた。またプリアンプの積分時定数を33μs から68μsにすることでS/N 比が向上し、1光電子を測定することができるようになった。そして他の実験の随伴として実際に565keVの中性子ビームをあてる予備的な測定を実施し、シミュレーションと比較することで、低エネルギー酸素反跳イベントの取得ができることを確認した。また、これとは独立に異方性について、東北大学においてアルファ線ビーム、電子ビームなどで異方性を調査した。一方、低放射能化を目指し、結晶表面の研磨方法を変更した1cm角のZnWO4をロシアから購入して比較を行った。ダイヤモンドで鏡面研磨した従来の結晶と、高純度SiO2で研磨し表面状態は粗いが放射性不純物が少ないと思われる結晶とで発光量を比較した。その結果S iO2研磨の結晶の方が光量が1.2倍多く、表面状態の粗さによりむしろ集光量が増加することが分かった。放射性不純物の含有量自体は神岡地下の超高純度Ge検出器で測定を行って定量を試みたが、ダイヤモンド鏡面研磨結晶においても、ウラン、トリウム、カリウム等の上限値しか得られず、すでに十分低バックグラウンドを実現していることが確認できた。

为了增加用于中子束低能核反冲测量的ZnWO4晶体收集的光量，我们改进了反射材料，使用了高量子效率的光电倍增管，改进了前置放大器，并改进了晶体抛光方法做出了改变。通过使用铝蒸镀板作为反射材料，我们成功地抑制了光量的时间波动并减少了系统误差。通过使用带有超双碱光电阴极的光电倍增管，我们能够将收集的光量增加 1.26 倍。此外，通过将前置放大器的积分时间常数从33μs增加到68μs，信噪比得到改善，从而可以测量一个光电子。作为其他实验的配套，我们使用实际的 565 keV 中子束进行了初步测量，并通过与模拟进行比较，确认可以获得低能氧反冲事件。另外，与此无关，东北大学还使用α束、电子束等研究了各向异性。另一方面，为了降低放射性，我们从俄罗斯购买了1cm见方的ZnWO4，并采用改进的晶面抛光方法进行比较。我们比较了用金刚石镜面抛光的传统水晶和用高纯度 SiO2 抛光的水晶发出的光量，后者表面粗糙，但被认为含有较少的放射性杂质。结果表明，经过 SiO2 抛光的晶体产生的光量增加了 1.2 倍，而且表面的粗糙度实际上增加了收集的光量。我们尝试用神冈地下的超高纯Ge探测器测量放射性杂质的含量，但即使使用金刚石镜面抛光的晶体，我们也只能获得铀、钍、钾等的上限，并且已经证实达到了低背景。