Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 1288
Скачиваний: 54
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Рис. 14: Принципиальная схема NTD германиевого болометра, используемого в экс- перименте EDELWEISS. [12]
Болометр изготовлен из сверхчистого германия, имеет вид цилиндра диаметром около 7 см, толщиной около 2 см и массой 300-400 грамм. В детекторе предусмотре- ны меры противодействия радиоактивному фону, возникающему из-за загрязненных оправок детектора, в виде охранного электрода на боковой поверхности болометра. Ввиду данных мер по фоновой изоляции, эффективный объем детектора составляет около 60% от объема кристалла. Алюминиевые электроды толщиной в 60-100 нм,
расположенные сверху и снизу детектора, передают ионизационный сигнал. Между кристаллом детектора и электродом располагается слой из кремния и германия при- близительно в 60 нм, который позволяет избежать эффекта деградации3 детектора и снизить число фоновых поверхностных событий. Из-за работы со сверхнизкими тем-
пературами, напряжение на электродах не превышает 10 В. При таком напряжении, длительность сигнала составляет несколько микросекунд.
Температурный сигнал ∆T позволяет определить энергию, которую частица оста- вила в детекторе:
∆E = C(T )∆T
где C(T ) ∝ T 3 — теплоемкость детектора при низких температурах.
Так, при экспериментальных температурах в 20 мК, частица с энергией 10 кэВ вы-
зывает нагрев на величину ∼1 мкК. Для того чтобы измерить это изменение темпе- ратуру, используют термистор в виде германиевой пластины объемом 7 мм3, которая приклеена к детектору, и через температурную связь сопротивления находят ∆T :
R(T ) = R0e√T0/T
где R0 — параметр термистора (обычно несколько Ом), и T0 — характеристическая температура (порядка нескольких Кельвин).
Для NTD, при рабочей температуре детектора в 20 мК, сопротивление термистора состовляет несколько миллионов Ом. Длительность теплового сигнала значительно превышает ионизационный и составляет десятые доли секунды.
Мы уже говорили выше о том, что регистрация частиц происходит по двум ка- налам одновременно. По разнице ионизационного выхода можно различить рассея- ние на электроне и ядре, что позволяет отделить электронные случаи из общей массы данных. Но данный способ “отчистки” имеет свою опасность. Из-за того, что на по- верхностном слое детектора заряд от проходящей частицы может собираться не пол- ностью, мы можем получить ложный сигнал. Такие ложные события исключаются с помощью позиционно-чувствительных детекторов двух типов:
•
Первый детектор использует двойной слой NbSi. Дискриминировать поверх- ностные сигналы позволяет сравнительная оценка форм температурного сигна- ла с разных сторон детектора.
•
Второй тип это ID детектор — Ge/NTD/INTERDIGIT. При его использовании заряд от поверхностных и объемных событий собирается на противоположных электродах.
Чтобы иметь достоверные данные нужно получить и проанализировать три неза- висимых сигнала от каждого из детекторов. Для этой цели были специально разра- ботаны система методов усиления и оцифровки сигнала. Конфигурация электроники была выбрана с учетом требования к фоновым условиям эксперимента. Энергетиче- ские пороги, с которыми ведется набор данных в
ионизационном и тепловом канале, составляют 1.5-3 кэВ. Поиск вимп осуществляется с порога 10-30 кэВ. Конкретный порог определяется из калибровок с γ-источником и соответствует подавлению 99.9% электронных событий.
3Данный эффект связан с накоплением объемного заряда в детекторе с течением времени, что влечет
за собой ухудшение разрешимости и эффективности сбора заряда детектором.
Рис. 15: Внешний вид NTD германиевого детектора, используемого в эксперименте EDELWEISS. По бокам можно заметить электроды и сверхчувствительный прямо- угольной термометр, наклеенный на кристалл. [24]
·
В результате трехлетней работы EDELWEISS-II (2006-2009) была получена ста- тистика в 240 кг сут. Во время работы, в области поиска вимпов (10-30 кэВ) было зарегистрировано три события. Энергетический спектр и расчетная форма спектра от вимп для сечения рассеяния σ= 10−5 пб представлены на рис.16. Для получения верх- него ограничения на сечение рассеяния вимп-нуклон при неизвестном уровне фона использовался метод оптимальных интервалов. Однако количество фонового излучения в NTD детекторах слишком велико, чтобы достичь необходимого уровня чувствительности для регистрации вимпов. По предска- заниям некоторых SUSY моделей это сечение колеблется в области от 10−8 до 10−9 пб (пикобар).
Рис. 16: Первые результаты измерений c NTD детекторами в EDELWEISS-II. Слева – фитирование кандидатов на роль WIMP. Справа – полученное ограничение на сечение рассеяния WIMP-нуклон.
Синяя и красная линия соответствует анализу данных эксперимента EDELWEISS-II с различными параметрами отбора, черной линией показано ограничение из EDELWEISS-I, сиреневой линией по- казаны результаты эксперимента CDMS, положительный результат эксперимента DAMA обозначен замкнутой зеленой линией. [12]
EDELWEISS-III
На момент написания данной работы, сбор данных EDELWEISS-III еще не закон- чился, эксперимент начался весной 2014 г. и продолжится по предварительным дан-
ным до 2017 года. Он проходит под руководством EURECA (European Research Coordination Agency). Как уже отмечалось выше, на данном этапе количество детекторов возросло
до 40, с массой по 800 грамм.
