ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2020, том 83, № 6, с. 526-530
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
НАБЛЮДЕНИЕ НЕОБЫЧНОЙ ДЛИННОЙ КОМПОНЕНТЫ
В ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНОМ СИГНАЛЕ ДВУХФАЗНОГО
ДЕТЕКТОРА В АРГОНЕ
© 2020 г. А. Бондарь1),2), Е. Борисова1),2), А. Бузулуцков1),2)*,
В. Олейников1),2), А. Соколов1),2), Е. Фролов1),2)**
Поступила в редакцию 26.04.2020 г.; после доработки 26.04.2020 г.; принята к публикации 26.04.2020 г.
Пропорциональная электролюминесценция (ЭЛ) в благородных газах используется в двухфазных
детекторах по поиску темной материи для регистрации ионизационных сигналов в газовой фазе,
вызванных рассеянием частицы в жидкой фазе (S2-сигналы). В настоящей работе были система-
тически изучены временные характеристики ЭЛ сигналов в двухфазном аргоновом детекторе как в
широком диапазоне удельных электрических полей, от 3 до 9 Тд, так и для различных способов
оптического считывания в разных спектральных диапазонах: используя криогенные ФЭУ и Si-ФЭУ,
со сместителем спектра и без него, в вакуумном ультрафиолете и видимом диапазоне. При этом
наблюдались как быстрая, так и медленные компоненты сигналов. В настоящей работе описывается
наблюдение необычной длинной компоненты S2-сигнала с постоянной времени около 40 мкс.
Особенностями этой компоненты является то, что ее постоянная времени увеличивается с ростом
электрического поля, и то, что она не может быть объяснена известными механизмами сцинтилляций.
Мы также показали, что быстрая компонента может быть использована для измерения толщины
ЭЛ зазора с суб-мм точностью. Полученные результаты могут иметь практические применения в
эксперименте DarkSide по поиску темной материи.
DOI: 10.31857/S0044002720060070
1. ВВЕДЕНИЕ
• Для определения правильных границ инте-
грирования по времени при вычислении пол-
Двухфазные детекторы с электролюминесцент-
ным (ЭЛ) зазором в Ar или Xe актуальны для
ной амплитуды S2-сигнала.
прямых поисков частиц темной материи [1-3]. В
• По размытию S2-сигнала, связанному с
этих детекторах регистрируются первичная сцин-
диффузией первичной ионизации в жидко-
тилляция (S1-сигнал) и первичная ионизация (S2-
сти, можно измерить z-координату собы-
сигнал), образованные при взаимодействии части-
тия [7].
цы с жидкой мишенью. S2-сигнал регистрируется
при помощи эффекта пропорциональной электро-
• Длительность S2-сигнала соответствует
люминесценции (вторичной сцинтилляции) [4, 5] в
времени дрейфа через ЭЛ зазор, что может
ЭЛ зазоре, расположенном непосредственно над
быть использовано для измерения толщины
поверхностью жидкости.
ЭЛ зазора и мониторинга уровня жидкости и
Понимание формы S2-сигналов необходимо
возможного прогибания электродов.
для корректного анализа и интерпретации данных.
Это особенно важно для поиска ВИМПов малой
• Как дополнительный способ изучения меха-
массы на основе анализа событий типа “S2 only”,
низмов ЭЛ.
где используются только S2-сигналы [6]. Есть
несколько мотиваций для детального изучения
В нашей лаборатории было разработано нес-
формы S2-сигналов в широком диапазоне элек-
колько версий двухфазного детектора для изуче-
трических полей:
ния механизмов ЭЛ в чистом аргоне [8, 9] и в
аргоне с добавкой азота [5, 10]: со считыванием
1)Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН,
матрицей Si-ФЭУ напрямую [11] или с использо-
Новосибирск, Россия.
ванием комбинированного умножителя ТГЭУ/Si-
2)Новосибирский государственный университет, Новоси-
бирск, Россия.
ФЭУ-матрица [11-13]. Также были проведены из-
*E-mail: A.F.Buzulutskov@inp.nsk.su
мерения ионизационных выходов в жидком ар-
**E-mail: geffdroid@gmail.com
гоне [14]. В настоящей работе мы использовали
526
НАБЛЮДЕНИЕ НЕОБЫЧНОЙ ДЛИННОЙ КОМПОНЕНТЫ
527
Результат для ФЭУ (без ТФБ), 82 кэВ γ от 109Cd
E/N = 8.5 Тд, ФЭУ
10-1
τS = 6.0 мкс
Вклад:
Медленной
10-2
Длинной
0.54
0.16
τL = 53 мкс
10-3
10-4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Время, мкс
Рис. 1. Форма S2-сигнала в логарифмическом масштабе для 82 кэВ гамма-квантов, зарегистрированная на четырех
ФЭУ, в детекторе без сместителя спектра при максимальном удельном поле в ЭЛ зазоре 8.5 Тд. Сплошной линией
показано аппроксимирование медленной и длинной компонент в соответствии с формулой (1). Штриховая линия
показывает быструю компоненту, полученную вычитанием аппроксимированных медленной и длинной компонент из
первоначального сигнала.
две версии детектора с оптическим считыванием на
что длительность быстрой компоненты может быть
ФЭУ и на матрицу Si-ФЭУ.
использована для измерения толщины ЭЛ зазора.
В первой версии мы не использовали смести-
тель спектра, т.е. ФЭУ и Si-ФЭУ не были чувстви-
2. РЕЗУЛЬТАТЫ
тельны к ВУФ излучению аргона в районе 128 нм.
Пример формы S2-сигнала, полученной в уста-
Во второй версии сместитель спектра на основе
новке без сместителя спектра от источника гамма-
пленки тетрафенил-бутадиена (ТФБ) был нанесен
квантов с энергией 82 кэВ от109Cd [16], приведен
на пластину перед тремя из четырех ФЭУ, ис-
на рис. 1. Из-за особенностей триггера в нашем
пользовавшихся в нашей установке. При этом Si-
эксперименте форма быстрой компоненты была
ФЭУ по прежнему оставались нечувствительными
искажена. В связи с этим мы аппроксимируем мед-
к вакуумному ультрафиолету ввиду специфической
ленную и длинную компоненту в области сигнала
геометрии детектора.
после быстрой компоненты (>31 мкс на рис. 1)
Формы S2-сигналов были получены гистограм-
следующей формулой, отражающей экспоненци-
мированием фотоэлектронных пиков во всех ото-
альное падение этих компонент:
[
(
)]
бранных событиях для каждого канала регистра-
t-t0
ции, т.е. проводилось усреднение по всем ото-
f (t) = y0 + AS,L
1 - exp
-
×
(1)
τr
бранным событиям. Детально экспериментальная
(
)
установка и процедура анализа описаны в [15].
t-t0
× exp
-
,
τS,L
В результате измерений мы изучили форму сиг-
налов электролюминесценции (S2) в аргоне для
где y0 — это базовая линия, AS,L — амплитуды
устройств с различной спектральной чувствитель-
медленной и длинной компоненты, τr — параметр
ностью в широком диапазоне электрических полей,
времени нарастания медленной и длинной компо-
от 3.4 до 8.5 Тд (1 Тд = 10-17 В см2, что соот-
ненты, τS,L — их постоянные времени, и t0 опреде-
ветствует 0.87 кВ/см в газообразном аргоне при
ляет положение сигнала. Данная формула описы-
87.3 К). Мы наблюдали быструю и две медленных
вает форму S2-сигнала как для установки без, так
компоненты в дополнение к стандартной компонен-
и для установки со сместителем спектра. В случае
те, соответствующей излучению триплетного со-
сигнала с переизлучателем стандартная триплет-
стояния эксимера на 128 нм с постоянной времени
ная компонента уже входит в медленную компонен-
3.1 мкс [5]. В настоящей работе мы обсуждаем
ту, см. [15]. Мы также определяем вклад каждой
свойства одной из этих медленных компонент с
компоненты как отношение ее площади к полной
характерным временем спада около 40 мкс, ко-
площади сигнала. При аппроксимации параметры
торую мы в дальнейшем называем длинной ком-
τS,L являлись свободными, а параметры τr и t0 —
понентой. Кроме того, мы также демонстрируем,
фиксированными.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№6
2020
528
БОНДАРЬ и др.
70
50
Длинная компонента
45
60
τL
40
50
35
30
40
25
30
20
Вклад:
15
20
Матрица Si-ФЭУ
ФЭУ
10
10
5
0
02
3
4
5
6
7
8
9
E/N, Тд
Рис. 2. Зависимость постоянной времени длинной компоненты τL и ее вклада в S2-сигнал от удельного электрического
поля в ЭЛ зазоре в установке без сместителяспектра. τL показано как среднеемежду матрицей Si-ФЭУ и четырех ФЭУ.
50
70
Длинная компонента
45
60
τL
40
50
35
30
40
25
30
20
Вклад:
15
20
Si-ФЭУ
10
10
ФЭУ + ТФБ
5
0
02
3
4
5
6
7
8
9
E/N, Тд
Рис. 3. Зависимость постоянной времени длинной компоненты τL и ее вклада в S2-сигнал от удельного электрического
поля в ЭЛ зазоре в установке со сместителем спектра на основе ТФБ. τL показано как среднее между матрицей Si-ФЭУ
и тремя ФЭУ, перед которыми была нанесена пленка сместителя спектра.
Полученная зависимость τL и вклада длинной
соба считывания; они оказались приблизительно
равными.
компоненты от поля в ЭЛ зазоре для детектора без
сместителя спектра показана на рис. 2. Так как τL
Аналогичные зависимости, полученные для вер-
для матрицы Si-ФЭУ и четырех ФЭУ согласуются
сии детектора, в которой сместитель спектра был
нанесен перед тремя из четырех ФЭУ, приведе-
в пределах их ошибок, на рисунке приведено их
ны на рис. 3. Из сравнения рис. 2 и 3 можно
среднее. Основной неопределенностью как посто-
сделать несколько выводов. Во-первых, наличие
янной времени, так и вклада являются система-
сместителя спектра не влияет на τL. Во-вторых,
тические ошибки, а именно, ошибка, связанная с
учитывая, что ошибки являются систематическими,
числом бинов, ошибка, связанная с отбором со-
τL растет с ростом электрического поля. Наконец,
бытий и, наконец, ошибка, связанная с методом,
если сравнивать данные по ФЭУ, то видно, что
диапазоном и фиксированными параметрами ап-
добавление сместителя спектра уменьшает вклад
проксимации. Все три типа систематических оши-
длинной компоненты на ФЭУ на порядок (с 18
бок оценивались для каждого значения поля и спо-
до 1% при 8.5 Тд). Также то, что вклад длинной
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№6
2020
НАБЛЮДЕНИЕ НЕОБЫЧНОЙ ДЛИННОЙ КОМПОНЕНТЫ
529
Данные без ТФБ: измерение толщины ЭЛ зазора
6
Длительность быстрой компоненты для
матрицы Si-ФЭУ
5
Время дрейфа для 18 мм зазора
Аппроксимация
(толщина ЭЛ зазора = 18.9 ± 0.2 мм)
4
3
2
1
0
8
10
12
14
16
18
20
V0, кВ
Рис. 4. Точками показана длительность быстройкомпоненты (ширина на полувысоте) для матрицы Si-ФЭУ как функция
высокого напряжения V0, задающего ЭЛ поле. Данные приведены для версии детектора без сместителя спектра. Кривые:
штриховая — время дрейфа для расчетной толщины ЭЛ зазора в 18 мм, сплошная — лучшая аппроксимация данных, где
свободным параметром является толщина ЭЛ зазора.
компоненты не изменяется для Si-ФЭУ, подтвер-
постоянная времени которой увеличивается с ро-
ждает наши предыдущие результаты эксперимен-
стом электрического поля в электролюминесцент-
тов и моделирований, где матрица Si-ФЭУ ока-
ном зазоре, от ∼25 мкс при 4.7 Тд до ∼45 мкс
залась нечувствительной к свету, переизлученному
при 8.5 Тд. Природа этой компоненты на данный
сместителем спектра, если он нанесен перед ФЭУ.
момент неясна: проблематично не только объяс-
нить ее длительность, но и необычный рост по-
Другим результатом является то, что мы де-
стоянной времени с возрастанием поля. В любом
монстрируем возможность измерения толщины ЭЛ
случае, необходимо дальнейшее, более детальное,
зазора, используя длительность быстрой компо-
изучение форм S2-сигналов.
ненты, см. рис. 4. Быстрая компонента выделяется
Вторым важным результатом настоящей работы
из экспериментальной формы S2-сигнала вычита-
нием медленной и длинной компонент, как пока-
является то, что мы измерили толщину ЭЛ зазо-
ра, используя быструю компоненту S2-сигнала, и
зано пунктирной линией на рис. 1. В идеальной
показали, что этот метод может достигнуть суб-мм
ситуации, т.е. в отсутствии диффузии и других
искажений быстрой компоненты, ее ширина точно
точности. Измерение толщины ЭЛ зазора пред-
равняется времени дрейфа через ЭЛ зазор, которое
ставляет собой очень важную задачу в двухфазных
детекторах, так как на данный момент отсутствуют
определяется полем и толщиной зазора. Из рис. 4
точные и надежные методы ее измерения, но от
видно, что и в реальной ситуации, даже при про-
нее всецело зависит анализ результатов. Более
стом анализе, время дрейфа очень хорошо опи-
того, пока это единственный известный способ, с
сывает длительность быстрой компоненты, и что
помощью которого можно напрямую измерить про-
можно измерить толщину ЭЛ зазора с точностью
гибание электродов в различных местах ЭЛ зазора,
до 0.2 мм. Отличие полученной толщины зазора от
что, по-видимому, наблюдалось в эксперименте
ожидаемой (18 мм), вероятно, связано с ошибкой
DarkSide [2, 7].
калибровки уровня жидкости в нашем детекторе
и с наличием систематической ошибки измерения
Данное исследование было выполнено при ча-
времени дрейфа по ширине на полувысоте быстрой
стичной поддержке Российского научного фонда
компоненты.
(грант № 20-12-00008).
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. V. Chepel and H. Araujo, J. Instrum. 8, R04001
В настоящей работе мы впервые изучили формы
(2013).
S2-сигналов двухфазного детектора в аргоне в ши-
2. C. Aalseth et al. (DarkSide Collab.), Eur. Phys.
роком диапазоне электрических полей. В резуль-
J. Plus 133, 131 (2018).
тате была обнаружена необычная длинная компо-
3. E. Aprile et al. (XENON Collab.), Phys. Rev. Lett.
нента, спадающая по экспоненциальному закону,
121, 111302 (2018).
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№6
2020
530
БОНДАРЬ и др.
4.
C. Oliveira, H. Schindler, R. Veenhof, S. Biagi,
11. C. E. Aalseth et al. (DarkSide Collab.), arXiv:
C. Monteiro, J. dos Santos, A. Ferreira, and J. Veloso,
2004.02024.
Phys. Lett. B 703, 217 (2011).
12. A. Buzulutskov, J. Instrum. 7, C02025 (2012).
5.
A. Buzulutskov, Europhys. Lett. 117, 39002 (2017).
13. A. Bondar, A. Buzulutskov, A. Dolgov, A. Grebenuk,
6.
P. Agnes et al. (DarkSide Collab.), Phys. Rev. Lett.
E. Shemyakina, A. Sokolov, A. Breskin,and D. Thers,
121, 081307 (2018).
Nucl. Instrum. Methods A 732, 213 (2013).
7.
P. Agnes et al. (DarkSide Collab.), Nucl. Instrum.
Methods A 904, 23 (2018).
14. A. Bondar, A. Buzulutskov, A. Dolgov, E. Grishnyaev,
8.
A. Buzulutskov, E. Shemyakina, A. Bondar,
V. Nosov, V. Oleynikov, S. Polosatkin, L. Shekhtman,
A. Dolgov, E. Frolov, V. Nosov, V. Oleynikov,
E. Shemyakina, and A. Sokolov, J. Instrum. 12,
L. Shekhtman, and A. Sokolov, Astropart. Phys. 103,
C05010 (2017).
29 (2018).
15. A. Bondar, E. Borisova, A. Buzulutskov, E. Frolov,
9.
A. Bondar, A. Buzulutskov, A. Dolgov, E. Frolov,
V. Nosov, V. Oleynikov, and A. Sokolov, J. Instrum.
V. Nosov, V. Oleynikov, E. Shemyakina, and
(in press).
A. Sokolov, Nucl. Instrum. Methods A 958, 162432
16. A. Bondar, A. Buzulutskov, A. Dolgov,
(2020).
A. Legkodymov, V. Nosov, V. Oleynikov, V. Porosev,
10.
A. Bondar, A. Buzulutskov, A. Dolgov, V. Nosov,
E. Shemyakina, and A. Sokolov, Instrum. Exp. Tech.
L. Shekhtman, E. Shemyakina, and A. Sokolov, Nucl.
Instrum. Methods A 845, 206 (2017).
62, 746 (2019).
OBSERVATION OF UNUSUAL LONG COMPONENT
IN ELECTROLUMINESCENCE SIGNAL
OF TWO-PHASE ARGON DETECTOR
A. Bondar1),2), E. Borisova1),2), A. Buzulutskov1),2), E. Frolov1),2),
V. Oleynikov1),2), A. Sokolov1),2)
1)Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2)Novosibirsk State University, Russia
Proportional electroluminescence(EL) in noble gases is used in two-phase detectors for dark matter search
to record ionization signals in the gas phase induced by particle scattering in the liquid phase (S2 signals).
In this work, the EL pulse shapes in a two-phase argon detector have been studied systematically in a wide
reduced electric field range, varying from 3 to 9 Td, and at different readout configurations and spectral
ranges: using cryogenic PMTs and SiPMs, with and without a wavelength shifter (WLS), in the VUV and
visible range. Both fast and slow signal components were observed. In this work we report on observation of
unusual long component in S2 signal with time constant of about 40 μs. The unusual characteristics of this
component are that its time constant increases with the electric field and that its origin can not be expalined
by any known mechanisms. We also show that the fast component may be used to measure the EL gap
thickness with sub-mm resolution. The results obtained can have practical applications in DarkSide dark
matter search experiment.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№6
2020
