文摘

MAJORANADEMONSTRATOR将搜索近年双β同位素的衰变通用电气混合数组的丰富和自然锗探测器。这个稀有衰变的观察表明,中微子是自己的反粒子,证明轻子数不是守恒,并提供信息的绝对大规模中微子。DEMONSTRATOR被聚集在4850英尺的地下研究机构Sanford在铅、南达科塔州。数组将位于低背景环境和周围的被动和主动屏蔽。在这里,我们描述的科学目标EMONSTRATOR和细节的设计。

1。介绍

1.1。近年双β衰变

尽管被发现超过十年前(1- - - - - -3混合,中微子质量的整合和粒子物理学的标准模型(SM)仍然是难以捉摸的。简约的希格斯粒子耦合离开SM微调,中微子质量躺一些6数量级以上低于其他SM轻子。避免不需要新的物理学。提供一个极具吸引力的选项,中微子的电中性,是增加了lepton-number-violating马约喇纳质量术语(4]。马约喇纳中微子有新颖的粒子和反粒子的财产只能由手性是有区别的。马约喇纳质量术语提供了一种自然的解释轻盈的SM中微子通过跷跷板机制(5,6]。马约喇纳中微子也提供可信的场景leptogenesis能够占在可观测宇宙的反物质(7,8]。

近年双β衰变搜索代表唯一可行的实验方法测试中微子的马约喇纳性质(9]。这个过程的观察会立即暗示轻子数是违反,中微子是马约喇纳粒子(10]。衰减率可能会写成 在哪里是一个相空间因素包括耦合,是一个核矩阵元素,是电子质量,是有效的马约喇纳中微子质量。后者是由 在哪里指定中微子质量本征态的外加剂电子中微子。

直到最近,最敏感的限制衰变来自通用探测器丰富^76年通用电气,即Heidelberg-Moscow实验(11)和IGEX实验(12- - - - - -14]。最近外200实验的结果15,16),从KamLAND-Zen实验(17,18)声称强大的中微子质量界限。它是困难的,然而,确定最好的限制,因为不确定性的核矩阵元素。代^76年通用电气实验也产生了索赔的直接观察衰变Klapdor-Kleingrothaus [19]。这种说法并没有被广泛接受的中微子社区(20.- - - - - -22]。虽然外面的200和KamLAND-Zen结果冲突这一说法,格尔达最近的结果(23- - - - - -25)表明,观察到的峰值不是一个的迹象衰变的^76年通用电气实验,比较其结果与Klapdor-Kleingrothaus声称没有根据核矩阵元素。,因近期综合实验和理论综述26- - - - - -35]。

测量衰变率会产生绝对的中微子质量的信息。测量的大气、太阳能和反应堆中微子振荡(36]表明针对发现的大量参数空间下面的衰变超越当前的实验范围~ 50兆电子伏。此外,证据的SNO实验(2的明显背离nonmaximal混合太阳中微子振荡意味着最低有效马约喇纳中微子的质量~ 15兆电子伏倒层次的场景。这个目标是下一代的触手可及搜索。实验能够观察这个最低比率会因此明确确定马约喇纳或狄拉克自然反向层次中微子中微子的质量。

锗探测器技术的最新发展做一个衰变搜索可行的使用^76年通用电气。在本文中,我们描述了MAJORANADEMONSTRATOR作为一个实验努力在建桑福德地下研究设施(冲浪)的目标是演示最终下一代所需的技术衰变实验丰富了通用探测器。DEMONSTRATOR也将测试Klapdor-Kleingrothaus索赔,并将其他非敏感通用电气的物理信号。互补的努力在通用电气与类似的敏感性,惊惶的实验(37),目前操作Laboratori Nazionali del格兰萨索(里)。耶尔达和米AJORANA合作意愿加入tonne-scale实验建设的建议。近background-free tonne-scale^76年通用电气实验会敏感有效马约喇纳中微子质量~ 20兆电子伏以下,可能覆盖与反中微子质量相对应的参数空间的层次结构。

1.2。非物理与米AJORANADEMONSTRATOR

锗探测器设计使用的MAJORANA有一个~ 500电动汽车的能量阈值。这对减少低阈值不仅是至关重要的背景(部分5),但同时,结合低背景,开辟了新的物理规划AJORANADEMONSTRATOR。最近的实验(38- - - - - -41]表明p型的敏感性,点接触型(P-PC)通用探测器光懦夫(< 10 GeV /)通过直接检测暗物质。最近的低能事件报道的CDMS协作(42)提供进一步的动机做这样的测量。DEMONSTRATOR可以改善当前光懦夫限制由两个数量级(43]。

除了光线弱作用大质量粒子,MAJORANA也会敏感太阳能就可以通过几个可能的axion-electron通用晶体的交互耦合机制。这些机制的一个特别感兴趣的AJORANA依赖于普里马科夫就可以转化为光子在通用电气晶格满足布拉格条件时(44,45]。这种技术需要知识的晶体轴方向相对于太阳灵敏度最大化。合作将测量探测器晶体取向。MAJORANADEMONSTRATOR也可以寻找太阳能就可以在阳光下产生的轫致辐射机制(46和被axioelectric效应47]。因为这axion频谱峰值约为0.6 keV和急剧下降一个数量级左右3凯文,这个测量的低阈值和背景的钥匙。

米AJORANA泡利不相容原理也会敏感违反(PEPV)衰变48]。在这个过程中,一个原子的电子在一个通用原子自发转换从一个k层上筒体,导致三地壳电子。在这退激,光子的能量接近k层的x射线(10 keV)发射。能量的细微差别是由于extrascreening细胞核的2 k层电子。这种光子的探测表明PEPV衰变。鉴于大量的原子在40公斤的通用电气,这将是一个敏感的测试PEPV效果。

P-PC探测器最初提出了检测相干散射核反应堆中微子(49),有兴趣使用HPGe与高能量的中微子探测器做类似的测量在橡树岭国家实验室的散裂中子源或类似的来源(50,51]。低温恒温器充满自然锗探测器,类似计划在DEMONSTRATOR,部署在一个浅的地下站点附近的散裂中子源的目标应该有足够的灵敏度的观察这一过程。这样的努力会证明的可行性P-PC反应堆技术监测和核条约验证。

2。MAJORANADEMONSTRATOR:概述

马约喇纳演示是一个数组的丰富和自然搜索锗探测器同位素的衰变^76年通用电气。的具体目标AJORANADEMONSTRATOR是(1)展示一条向前走的道路实现背景速度或低于1问/ (ROI-t-y) 4 keV感兴趣的区域(ROI)在2039 keV值为^76年通用电气衰变。这是所需tonne-scale锗基搜索探针反向层次结构的参数空间衰变;(2)显示技术和工程的可伸缩性向tonne-scale仪器;(3)测试Klapdor-Kleingrothaus声称[19];(4)执行搜索物理学标准模型之外,如寻找暗物质和就可以。

米AJORANA利用丰富的展示效益高纯锗探测器(HPGe)。这些包括内在低背景源材料,理解化学浓缩,优秀的能量分辨率,和复杂的事件重建。主要技术挑战是环境电离辐射背景的减少约100倍低于前取得的实验。

我们设计了一种模块化仪器由两个低温恒温器由超纯电铸成形铜、每个低温恒温器住房超过20公斤的P-PC探测器的能力。P-PC探测器是经过广泛的合作和研发的每个质量约0.6 - -1.0公斤。基线计划要求30公斤的探测器由通用电气材料76年同位素浓缩到86%和10公斤的从自然通用电气(7.8%^76年通用电气)。模块化方法允许我们装配和优化每个独立低温恒温器,提供一个快速部署已经开始实施探测器干扰最小。

从最里面的腔,低温恒温器将被电铸成形铜的内层,外层的氧高导热系数(OFHC)铜、高纯铅,一个活跃的μ介子否决权,聚乙烯,用硼酸处理聚乙烯。低温恒温器、铜和铅屏蔽都将包含在一个氡排斥的盒子。整个实验将位于4850′级别的洁净室(1478米)的地下研究机构Sanford(冲浪)铅、南达科塔州。

3所示。P-PC-Detector技术

的核心AJORANA是它丰富了p型点接触型HPGe探测器(49,52]。这些探测器都哄HPGE探测器用于传统的好处,还拥有一流的脉冲形状分析(PSA)歧视(如单站点之间的交互衰减事件)和多点交互事件(如康普顿散射射线背景),使它们非常适合搜索。他们的小电容导致的能量分辨率和低能量阈值,使它们适合事件关联技术使用x射线。此外,他们是相对稳定和简单的生产。他们的简单的优势减少所需的特性研究和detector-to-detector调优PSA的有效算法。

像通用电气同轴探测器,P-PC探测器中圆柱形状。电子空穴,然而,被收集在一个小,浅接触,而不是加长版的电极同轴探测器。在探测器,MAJORANA不同,这种“点接触”从2到6.5毫米直径,在深度小于一微米(植入联系人)几毫米。因为他们没有长时间的内在联系,P-PC探测器通常是有限的在他们的长径宽高比。如果一个水晶太长,就会导致“封口”岛的中心未用尽的材料,特别是在点接触型的晶体净杂质浓度低于另一端。这可以减轻通过晶体杂质梯度较大,确保年底点接触放置的晶体材料更高的杂质(一般种子)。

MAJORANA合作采购20公斤的natural-germanium modified-BEGe探测器从堪培拉行业53)、修改,以免有薄的前窗,允许对低能外部的敏感性射线。这些探测器通常质量在600 - 700 g和使用一个瘦,植入接触。探测器从丰富^76年通用电气材料是由公司/ ORTEC [54]。这些探测器的质量约1公斤,比这更大的长径比的绒探测器。我们预计大约30公斤的这些探测器将产生MAJORANADEMONSTRATOR41.6公斤的纯度86%^76年通用电气材料提供给公司/ ORTEC。

图1说明了我们的建模样本P-PC探测器,直径5厘米,5厘米长。颜色刻度显示洞漂移速度,在mm / ns,黑色线条显示电荷漂移轨迹和浅灰色行显示“等时线”位点相同的孔漂移探测器大部分时间事件。我们已经适应这种drift-time计算为G创建一个PSA启发式EANT4模拟(见部分5.3米)的背景AJORANADEMONSTRATOR在PSA削减。PSA启发式,内多个交互事件以其相对漂移时间,检查和信息结合每个能量存款PSA算法是否能够拒绝。

从P-PC探测器测量信号如图所示2。电流和电荷脉冲显示,单站点(a)和多点(b)射线的事件。信号形状的差异是显而易见的,在(b)有四个不同的交互作用明显。MAJORANA协作使用两种不同类型的PSA算法来区分这两个类的事件。第一个,格尔达开发的协作(55),比较了电流脉冲的最大高度总能量的事件从电荷脉冲的高度确定。多个相互作用导致多个充电脉冲及时分离,因此减少的价值。

另一种方法(56)使用一个独特的图书馆,测量执行event-by-event单信号拟合实验脉冲形状。构建这个库的方法从大量的测量信号已经开发和测试与仿真和实验研究。PSA结果优化算法P-PC数据如图3,高光谱的所有事件^232年Th源,低频段的事件通过PSA削减。剩下的强峰是2615 keV的双逃逸峰^208年Tl光,这是一个代理单衰变的事件。该算法保留了至少95%的这些事件而拒绝single-escape高达99%,多点事件。一个要比这的A / E的结果(55)双逃逸峰事件在哪里接受89%,single-escape山峰被拒绝在93%。

最近,我们也开发了一个模型的缓慢,偏能锂接触层内的事件交互的外缘P-PC探测器。这一层通常是1毫米厚度,但并非完全不活跃的材料。因此,事件层内可以产生信号上升时间长,偏能集合。我们现在理解这些信号之间竞争的结果洞的李的扩散层与李电子和空穴的复合沉淀(57,58]。因为这些缓慢的事件可能会以非常低的能量产生的背景,详细全面的了解这个过程是至关重要的暗物质,axion,和其他低能量主导物理敏感性。

4所示。的米AJORANADEMONSTRATOR建筑和设施

4.1。降低浓缩,通用电气和细化,探测器生产

DEMONSTRATOR基线计划要求30公斤的丰富通用探测器。协作获得42.5公斤^76年通用电气的形式60.5公斤^76年地理₂,这是由股份公司生产协会电化厂(ECP)在俄罗斯。订单已交付给橡树岭,TN,美国在两个出口。第一个20公斤是2011年9月,,其余的则在2012年10月交付。特种钢容器构建丰富的暴露降到最低^76年通用电气运输期间宇宙射线。计算宇宙射线的生产^68年通用电气和⁶⁰公司减少了10到15倍,分别对样本运输在这个容器。屏蔽存储提供了丰富材料正在处理在橡树岭的山洞位于约8公里的处理和探测器生产设施。洞穴里有40米的上覆岩层的岩石,这比适合屏蔽宇宙射线的丰富材料从强子组件。

电化学系统公司(ESI),在橡树岭,TN,提供了材料制备的第一阶段。在处理任何丰富材料,试验测试与自然地理₂进行资格的程序。交付的^76年地理₂从项目进行了高温还原氢气氛。当降低材料的电阻率大于3Ω厘米,材料是由区域提纯精致的电阻率47厘米。应急服务国际公司的加工提供了丰富材料的收益率为98%适合进一步细化和探测器的制造。除了资格ESI细化的过程,公司/ ORTEC产生两个P-PC探测器制造从自然通用电气已经减少了ESI的和纯化。

从应急服务国际公司进一步纯化精制浓缩材料区炼油公司/ ORTEC之前被用作在Czochralski水晶拉手。探测器空白被削减的晶体(~ 70毫米直径),其次是lithiation的标准探测器制造步骤,植入的p⁺接触和钝化。在每个步骤中,丰富了材料处理的质量记录进行库存控制。生产的浓缩P-PC探测器,料浆从探测器切割和成形过程,以及小样本切把水晶的评价、保存和再加工ESI探测器生产中重复使用。酸类探测器使用的生产过程没有救了。在探测器制造过程的所有阶段,不从事任何丰富材料都回到了存储。

一旦制造丰富探测器,它是安装在PopTop胶囊和检测性能。PopTop探测器胶囊,可以脱离寒冷的手指,提供优越的可移植性和缓解的disassembly-qualities必不可少的传输探测器从胶囊低背景中使用字符串坐骑DEMONSTRATOR。为了减轻污染的安装探测器PopTop胶囊,直接接触的部分,探测器是由只有radiopure材料。例如,联系人取而代之的是黄金或清洁锡铟联系人,和合成炭氡射气率较低的胶囊用于维持真空。

丰富了探测器的生产始于2012年11月。截至2013年4月,十丰富探测器的总质量约9.5公斤用8送到冲浪制作的。探测器是由地面运输冲浪,便携式μ介子计数器(59)是用于记录宇宙射线暴露在旅行。

4.2。探测器阵列配置

D的探测器阵列EMONSTRATOR设计了许多目标。功能需求如下。(我)只有最radiopure材料是用于构造探测器持有人。所有的探测器和字符串组件是由两种材料:地下电铸成形铜(UGEFCu)临时洁净室(TCR)(部分4.3。2)或nxt - 85(一个专门制造聚四氟乙烯在洁净室环境中,部分5)。的UGEFCu最大厚度1.27厘米和nxt - 85部分装配式从15.875厘米长棒,直径3.175厘米。nxt - 85质量最小化和使用只在电气绝缘是必需的。(2)UGEFCu和nxt - 85部分在洁净室机器商店(部分处理4.7),所以设计必须符合机床为这家商店购买。使用丝电火花加工(EDM)作为清洁材料去除技术者优先。(3)5毫米真空间隙或1毫米的nxt - 85需要隔离高压从中性组件。(iv)探测器有变量维度为了最大化的产量丰富锗。独特的部分是最小化,以允许范围广泛的探测器尺寸包装,同时提供一个高填料因子的锗在每个低温恒温器。(v)螺纹连接是很难生产和保持清洁。我们最小螺纹连接的数量,这是不实际的,特别的方法用来确保质量、清洁度、螺纹连接的和可重复性。

每个探测器设在一个框架称为探测器单元(图4)。水晶安装板(CMP)是基础,而3空心六角棒和高压(高压)坚果提供连接到高压环,夹的探测器。水晶绝缘体之间提供电气隔离高压的探测器表面和中性CMP。水晶绝缘体也大小来补偿不同的热膨胀系数的铜和锗,提供等价的夹紧力,当操作温暖和寒冷。

水晶在CMP绝缘体提前到位,销衬套的接触。触针和低质量前端(LMFE)董事会由弹簧夹在一起,提供销和探测器之间的接触压力。弹簧夹在地方举行和张拉parylene-coated 4-40铜螺母数量thread-milled钉在CMP。聚对二甲苯这些坚果涂料提供了一个比nxt - 85高强度连接螺母,同时提供螺纹润滑,防止铜磨损。

五个探测器单位堆积成一个字符串(图5)。字符串与领带棒夹在一起。字符串coldplate适配器板连接字符串。拉杆底部坚果和适配器板坚果,也涂聚对二甲苯,为热接触提供一个强大的锁模力。

LMFE董事会是建立在一个0.025厘米厚石英衬底,与所有的冷电子安装在董事会。LMFE组装然后插入手指上的弹簧夹。然后安装在CMP大会。触针和探测器安装后,弹簧夹张紧螺母将应用适当的接触压力。

探测器单元的设计,以适应各种探测器来自多个供应商的尺寸。探测器对圆柱体的形状,可以有一个直径50 - 77毫米,高65毫米。直径变化,角落清晰度可以通过生产定制水晶绝缘体。销接触的细节变化的整体形状是通过两种不同的占销长度。小于0.5毫米的几何变化可以通过调整弹簧夹张力的起点。

螺纹连接的特殊方法包括使用专用工具,与所有部件加工地下,避免交叉污染。4-40螺栓数量对CMP线程从散装材料研磨,而不是独立的螺丝,螺栓,内表面伸出。内部线程使用roll-form龙头,生产品质一致的线程,没有毛刺。所有内部线程是最小的深度所需的力量,也没有盲目挖掘洞。这使得更容易清洗和干燥部分。所有螺纹部分手工验证之前发布的最终清洗。

4.3。电铸成形铜低温恒温器、热对流系统和真空系统

4.3.1。MAJORANADEMONSTRATOR模块

MAJORANADEMONSTRATOR模块化仪器的检测器字符串是部署在两个铜低温恒温器,每个配备独立的真空和低温系统独立运营。这种模块化方案允许分阶段部署的探测器可用tonne-scale的发展和建议方案^76年通用电气试验;更大的实验可以由部署几个类似低温模块。低温恒温器设计为DEMONSTRATOR每个有能力的住房七前面描述的探测器字符串,总容量的20公斤HPGe探测器。第一个低温恒温器,低温恒温器1,将包含从自然和富集锗探测器产生。第二个低温恒温器,低温恒温器2,只会包含来自富集锗探测器产生。低温恒温器是由铜:一个设计决策动机的能力生产超纯化学电铸铜。低温恒温器1和2从这个超纯铜是捏造的,而一个初始原型低温恒温器是商业采购铜制作的。低温恒温器的原型将只包含两个字符串的探测器产生自然锗。作为试验台机械设计、制造方法和装配程序,将用于建设电铸成形铜低温恒温器1和2。

4.3.2。电铸

中使用的铜的主要要求AJORANADEMONSTRATOR是充分净化。这包括去除天然放射性物质从U和Th,以及改革的消除和预防宇宙发生的放射性同位素的物种。由于其庞大的总质量,放射性纯度的目标使用的铜的盾牌和探测器组件是非常严格的。达到的背景目标3碳纳米管/ (ROI-t-y),所需的纯度含量< 0.3μBq^238年铜(或U /公斤g^238年U / g铜),< 0.3μBq^232年铜(或Th /公斤g^232年/ g铜)。电铸铜精心控制的方式在一个干净的环境中允许生产铜与所需的放射性纯度(60]。

第二个要求电铸成形铜与它的物理属性。电铸成形铜的力学性能可以大幅改变取决于它成立的条件。条件,有利于高纯度可以形成大型机械强度差的晶体结构。小多晶结构可以表现出足够的抗拉强度,但纯度低。这些条件,看似格格不入,要求仔细的操作参数应获得平衡电铸生产流程。

设计考虑承重组件进行了使用保守估计屈服强度等材料特性。设计屈服应力值用于电铸成形铜估计是48 MPa。机械测试和评估是必要的证明镀材料的能力承受负荷条件没有失败。机械评估显示83.2 MPa的屈服强度(61年)与平均应变硬化的重要程度。因此,UGEFCu已经显示符合设计标准。

电铸成形材料DEMONSTRATOR已经制造主要来自圆柱体,直径35.6厘米(低温恒温器的内径)。热虹吸形成芯棒直径1.90厘米。铜生产的范围可以从几十微米厚板附近的1.4厘米。时间限制是主要的生产很厚的电铸时限制。当前镀率示威者铜通常从38 64μ每天,根据各种参数。虽然这速度可以增加,它是纯洁的和镀层材料的力学性能。从镀率表示,1.4厘米厚电大约需要8 - 12个月才能完成。

4.3.3。低温恒温器设计

低温恒温器是真空铜外壳,包括一个electron-beam-welded船组装以及可移动的顶部和底部盖子(见图6)。这些组件之间的真空密封是一个定制的MAJORANA设计使用薄(51μ米厚)聚对二甲苯垫圈夹在锥形表面加工成铜组件。铜铁路部门和夹紧螺栓时用于维护并行装配和泵。真空力量足以保持密封,所以螺栓强度不是有效的密封的一个因素。

铜coldplate检波器串安装,这取决于Vespel别针,提供支持和对齐,同时保持室温真空容器的热破坏。红外(IR)盾安装coldplate背面减少探测器泄漏电流所产生的红外辐射。低温恒温器支持的横木,铜框架(没有显示在图6在导致堆栈)。转换是由不锈钢真空conflat硬件的远端横木管通过铜/不锈钢explosion-bonded过渡法兰。所有的不锈钢真空硬件所在地以外的DEMONSTRATOR被动防护。

4.3.4。真空系统

每一个低温恒温器安装自己的真空系统和由全金属超高真空组件。200行分钟无油隔膜泵提供了粗略的真空,300有限合伙人涡轮分子泵用于初始泵到特高压压力,和1500有限合伙人低温泵用于稳态操作。nonevaporable getter(底片)泵是用来消除组合非冷凝气体。的残余气体分析仪提供了质谱分析真空。所有的活性成分,包括阀门、远程操作,和应用程序已经开发了监测和控制系统,允许完整的远程操作(参见4.5)压力不断上传slow-control数据库历史查看。

4.3.5。低温学

探测器通过coldplate字符串被冷却的热对流系统(62年]。内的热对流系统是一个封闭的管横木,加入coldplate冷凝器体积驻留在盾牌和内部包含液氮杜瓦。热虹吸包含氮液化的冷凝器和运输由重力向下coldplate横木的长度,,蒸发,冷却coldplate。蒸发氮旅行回到冷凝器reliquefied。在这个周期中,热量从coldplate运送至液氮杜瓦。然后液氮杜瓦的蒸发和从外部补充供给。利用氮在热对流系统有一个很大的有效导热系数为D提供所需的冷却能力EMONSTRATOR。工作温度可调通过调整热虹吸氮的数量。通过生产只有一层薄薄的coldplate压缩氮气,从蒸发颤噪效应最小化。

热虹吸系统包括热虹吸器管、自定义液氮杜瓦,气体为氮加载到管管道,外部压载舱。热虹吸器管是由同一年级UGEFCu低温恒温器是捏造的。液氮杜瓦的定制设备,包括电容器体积与热虹吸真空连接管和一个空中连接供应。压载舱外主要是一个安全特性,允许蒸发浓缩thermosyphon-tube氮在液态氮供应的损失的情况下,没有创建一个危险的超压条件。此外,由于压载舱热虹吸管内隔绝,氮可以存储数半衰期(3.8天)之前加载到热虹吸器管。这样我们可以确保氮循环的热虹吸radon-free管。

4.4。探测器验收、鉴定和校准

有很多实验特点,需要监测实验过程中包括:(我)能源规模和线性度;(2)在每个探测器绝对效率双β衰变;(3)能量分辨率和峰的形状;(iv)背景和信号标记效率;(v)脉冲波形的回应。

我们已经开发出一种三相计划确保获得所需的数据。阶段包括验收、鉴定和校准。验收测试是评估探测器性能的初始阶段。这种类型的测试完成在收到探测器从制造商和执行运输低温恒温器的原始制造商提供的前置放大器程式码。测试在此阶段进行相对粗略,意味着完全建立,收到探测器遇到一些最低资格。基本的测试执行能源规模和分辨率,相对效率,泄漏电流或电容损耗、死层的初始估计,探测器质量和尺寸。

表征测量结果进行充分确定探测器的操作行为。这包括能源规模,分辨率,电容测量,单和多次现场事件分离性能,dead-layer测量,晶轴测量。表征测量完成探测器在最后的配置在一个字符串中测试低温恒温器和DEMONSTRATOR低温恒温器操作之前,也就是说,之前调试。

校准测量设计监控系统在运行时的稳定操作。一开始,用一个小时的刻度源将每周进行。这些运行将测量的稳定能源规模和决议,效率,脉冲形状分析(PSA)效率。一旦探测器的稳定性已经建立,源之间的时间校准可以扩展到每月,甚至每月两次。

在探测器和字符串描述阶段,测量与按钮进行来源(,,在一个洁净室环境。一旦探测器字符串加载到低温恒温器,访问将是有限的。每一个庞然大物将有一个低背景来源途径的聚四氟乙烯管在低温恒温器外的螺旋。一条线的来源将远程输入途径,使整个低温恒温器的校准与单一来源最终测试期间或之后的庞然大物放在盾牌。模拟表明,在一个小时的运行我们可以积累必要的统计数据来监控效率,PSA性能,能量,和分辨率的同时保持计数率低于~ 100赫兹的信号堆积阈值。源会停在一个外部车库分开的shield-penetrating部分路径由一个自动阀系统。在校准运行期间,阀将打开,和整个通路将与液氮蒸发被净化。在生产运行期间,shield-penetrating部分路径将被封锁的车库。源本身将包裹在两个塑料管子,以防留下残余通路内的放射性。

4.5。电子产品和数据采集

4.5.1。探测器读出电子学

每两个低温恒温器模块的DEMONSTRATOR包含七个字符串,每个字符串控股五探测器。图7说明了低噪声的基本设计,low-radioactivity signal-readout电子产品。它由LMFE [63年),包含输入场效应晶体管的电路和反馈元件,位于接近探测器为了减少杂散电容输入。它还包括前置放大器,这是在低温恒温器和连接到LMFE长电缆。这个设计的实际实现的主要挑战是采购组件的前端低噪声、放射性和处理反馈回路的长电缆。

LMFE是电阻反馈电路。这种架构有各种好处超过普通脉冲复位替代;即,它更简单,避免了复位脉冲干扰:multiple-detector系统的一个问题。LMFE是毫米²在大小和重量大约80毫克。熔融石英衬底,被选为其放射性纯度高、低介电损失,和较低的导热系数。低导热性意味着一个重要的温度梯度可以维护。通过选择一个合适的底物的几何和热导率,场效应晶体管可以维持在最佳操作温度可调的自热噪声性能的控制漏源电压。选择场效应晶体管是一种裸Moxtek MX-11 JFET低噪声高跨导和非常低投入电容死去。它是附着在硅板用银环氧树脂通过门衬底,而源和排水垫连接与铝导线债券痕迹。反馈电阻是由溅射一层非晶态通用电气(Ge)和阻力~ 10 - 100 G在低温下。~ 0.2 pF的反馈电容形成的痕迹在前端之间的寄生电容。

异常、低噪声水平可以通过使用前面描述的前端设计。等效噪声实现没有探测器是55电动汽车应用,一个检测器,一小P-PC, 85 eV。的噪音水平并不代表将实现DEMONSTRATOR因为探测器电容越大,但是他们表明,产生的噪音前端板的材料和组件不会限制因素。尽量减少材料预算和热耗散在低温恒温器,0.4毫米直径,~ 2米长的小型50Ω同轴电缆用于驱动信号从LMFE前置放大器的第一阶段,基于classic-folded共源共栅晶体管设计。前置放大器。能够增加倍低于10 ns与明智地选择前端组件和短电缆连接前端。长电缆用于DEMONSTRATOR配置,这种上升时间增加~ 40 - 70 ns,取决于电缆的长度。

前置放大器是由字符串在主板上的立场。在主板上,每个探测器有一个低增益和高增益信号输出数字化,导致最多70个频道/低温恒温器。数字化电子产品为每个低温恒温器是在单独的VME板条箱。每箱有单板计算机读出数字转换器的板条箱和整个系统由中央控制计算机采集。的概念图解数据采集电子图给出8。

协作使用GRETINA数字化仪板(64年)开发的一部分GRETINA实验(我们感激地感谢GRETINA协作数字化仪板贷款)。GRETINA卡是一个组合的数字转换器和数字信号处理器,接受10直接从探测器前置放大器和数字化输入标称频率100 MHz的14位ADC精度。现场可编程门阵列(FPGA)执行数字前沿和/或常数分数歧视,梯形成形,pole-zero修正。一些特殊的固件扩展D特别发达EMONSTRATOR。这些修改允许独立配置的10个输入通道,使痕迹摧毁在这样一种方式,同时捕获一个完全采样前后与presummed地区前沿研究慢脉冲的边缘。的能力测量的输入触发率为每个输入通道(触发/秒)是另一个特性添加到卡专门为DEMONSTRATOR。数据记录是固定在2020样本/事件和卡允许将这些样本各种ADC输出值的总和。这种加法功能允许卡实现可选择的时间窗口(20、40、80、160和200μ为获得数据,同时保持一个常数事件的长度。在DEMONSTRATOR,不同的晶体几何图形可以插入相同的卡片,因此必须能够适应不同的时间常数不同的晶体。

控制器卡和主板之间的数字化通信电子产品。控制器卡包含16和单独控制脉冲发生器输出振幅,16个DAC输出水平设置drain-to-source电压的场效应晶体管,和16个ADC输入监控第一阶段输出的前置放大器。控制器的脉冲发生器输出卡用于电子校准监控独立通道的增益稳定性,以及监控触发器效率。控制器卡实现在整个采集系统和slow-control处理器。

4.5.2。其他数据采集和电子系统

被动铅屏蔽周围闪烁体板用于一个反符合(否决)盾牌。否决(见部分4.6)单独的电子的VME箱与一些额外的电子在一个单独的尼姆本。主要否决的读出的数据采集软件和集成到探测器数据流。否决所有事件时间上使用一个标量计算常见的时钟脉冲。

确保准确的时间戳的信号,一个共同的时钟从全球定位系统(GPS)模块分布在数字转换器卡和否决制度。常见的复位是用作系统同步脉冲同时重置计数器在所有数字化和否决董事会,从而提供一个绝对时间参考每个事件。

单独的计算机控制的高压偏见供应系统用于探测器阵列的光电倍增管否决盾牌。每个探测器和光电管是由一个独立的高压通道,允许为每个探测器高压的优化设置,使任何探测器离线不影响其余的数组。

数据从采集计算机转移到地下32结核病RAID系统和从那里地上分析计算机系统。地下RAID存储作为缓冲,以防止数据丢失的一个underground-to-surface网络失败。

4.5.3。数据采集软件

采集软件系统使用的DEMONSTRATOR是面向对象的实时控制和收购(兽人)[65年)应用程序。虎鲸是一种通用,高度模块化、面向对象、采集和控制系统,可以在运行时配置代表不同的硬件配置和数据读出方案通过把物品从一个目录对象的配置窗口。由于每个对象由自己的完全封装的数据结构以及支持和诊断代码,虎鲸可以很容易地支持特定实验,如DEMONSTRATOR。

4.6。保护配置

被动保护由分级保护材料开始在低温恒温器和扩展overfloor表,或基板,组装的实验。这个系统还包括积分校正源跟踪和驱动系统,安装和收回的低温恒温器的传输机制的主要访问的盾,和氡擦洗和氮气输送系统提供净化气体的内部部分盾牌。简要总结屏蔽组件表给出1,完整的屏蔽装置如图9。

伽马射线的内部区域屏蔽为背景。因此,必须使用与极低放射性材料。铜可以购买很纯,超纯通过电铸(见部分4.3。2)符合规范要求的背景预算。最里面的一层盾将5厘米厚,UGEFCu表的建立。实际的厚度上限电铸在我们洗澡约1.40厘米,这保护了四层1.25厘米厚的盘子。

5厘米厚的外铜盾由OFHC铜盘子和加工和螺栓连接在一起,提供机械实验的参考点。该盾牌“盒子”支持overfloor表四OFHC铜腿,以便精确校准和参考独立于铅板砖。铅屏蔽由45厘米厚层厘米³砖头堆在地方和加工。

铜和铅屏蔽将包含在一个semisealed铝框。这个盒子将允许控制清除的内腔内的气体包含探测器模块。铝框采用焊接和螺栓连接结构框架,以0.3175厘米厚螺栓板。所有的接缝和机会都是密封的,除了海豹的庞然大物,垫圈和螺栓,便于移除和替换。

两层否决板环绕氡排斥框。每个小组由一个2.54厘米厚闪烁的亚克力。这片小wavelength-shifting纤维纵向沟槽加工和包装在一个定制的反射层,以弥补光衰减沿纤维。光从纤维宣读由一个1.27厘米光电倍增管。闪烁体组装封闭在一个不透光的铝框。总共有32个否决氡排斥周围的板框,包括一些驻留在overfloor的空缺。表2.54厘米厚的高密度聚乙烯(HDPE)面板、堆叠多达30厘米的总厚度,保利屏蔽结构。内部2层由硼酸HDPE。

4.7。地下设施

霍姆斯塔克矿山是桑福德地下研究设施(冲浪)开发了南达科塔州的状态作为实验要求地下实验室的网站空间。南达科塔州,以及私人捐赠者t·丹尼·桑福德已承诺基金允许翻新和访问地下空间。冲浪的操作是由美国能源部和南达科塔州的状态。

MAJORANA实验室空间包括三个冲浪无尘室在戴维斯校区复杂(图10耶茨轴附近),在4850年(~ 4260 m.w.e′水平。(66年我的])。这些房间由一个探测器的房间,一个通用实验室空间,一台机器商店。图11显示了探测器在冲浪的照片。这个房间可容纳的DEMONSTRATOR和尺寸的。探测器的房间旁边是机器商店。在这里,所有的铜和nxt - 85 D的部分EMONSTRATOR是捏造出来的,从而进一步减少UGEFCu表面暴露在宇宙射线。机器商店大约1000英尺²包括两个车床,两个工厂,一个烤箱,一个丝电火花加工机床,新闻,钻床,激光雕刻师。最后的房间是一个通用实验室,用于测试探测器前安装到DEMONSTRATOR。这个房间大约550英尺²和最初的设计电铸活动;因此,它的正式名称是电铸的房间。

最后米AJORANA实验室是临时洁净室(TCR)(未在图11),它位于同一水平戴维斯校区,大约1公里。它由一个洁净室建筑,如图12,包含10电铸浴室和一个小附件改变进入洁净室服装。建筑的总面积与附件的房间消费的区域。细胞是必需的,有益的入住率戴维斯校区之前,开始缓慢的过程的电铸铜为了装配的零件按时做好准备EMONSTRATOR。

5。背景模型和米AJORANADEMONSTRATOR灵敏度

预计在D背景EMONSTRATOR是在上一代实验显著提高。这是菲尔丁的结果减少共享一个低温恒温器的探测器在大型数组和间质材料的数量最小化。进一步减少背景抑制是通过积极的建筑材料中放射性杂质和暴露在宇宙射线的最小化。米AJORANA还将利用事件签名拒绝背景出现,包括脉冲形状特征、检测器达到粒度,宇宙射线否决标签,和单时间相关性。在本节中,我们描述的这些方面AJORANADEMONSTRATOR设计和对预测物理背景和灵敏度的影响。

5.1。纯粹的材料

丰富的锗探测器生产过程(浓缩、带精炼和晶体生长)有效地去除天然放射性杂质锗。宇宙发生的激活同位素,和,晶体中产生,而在地面上,但可以充分减少最小化时间部署地下和通过使用被动保护在运输和存储。

的主要结构材料的装置,我们选择铜缺乏天然放射性同位素及其优秀的物理性质。从最干净的铜库存我们已经识别出然后电铸地下消除原始放射性和cosmogenically生产削减,我们取得了几个数量级的背景的商业选择。电铸成形铜也将用于最内层的被动,Z-shield高。商业铜库存足够干净用作下一层屏蔽。对所有使用的铜,我们有认证通过测定样品的清洁。现代使用的铅有足够纯度的大部分铜层外的屏蔽材料。

几个干净的塑料可用于电气和热绝缘。探测器的支持中,我们使用一个纯聚四氟乙烯(PTFE),杜邦特富龙nxt - 85。薄层low-radioactivity聚对二甲苯将被用作涂料对铜线程来防止磨损和低温恒温器密封。一些负重塑料组件要求更高的刚度,我们采购纯PEEK(聚醚醚酮)的股票,由Victrex, Vespel,由杜邦公司。

前端电子也设计成低质量和超低背景,因为他们必须位于数组的内部毗邻探测器为了保持信号保真度。电路板是捏造的溅射薄薄的纯金的痕迹和钛硅晶片,在一个光秃秃的场效应晶体管安装使用银环氧树脂。一个G程度的反馈电阻是由沉淀本质上纯粹的无定形通用电气。探测器接触是通过电铸成形铜销低背景锡珠的两端。一个电铸成形铜弹簧提供了接触力。我们的信号——和高压电缆非常低质量微型同轴电缆。我们有与供应商合作,清洁制造最终产品使用纯股票,我们提供导体,绝缘和屏蔽。电缆连接器在低温恒温器是由电铸成形铜、聚四氟乙烯,同样的二氧化硅用于前端电子电路板。

所需的材料纯度高AJORANADEMONSTRATOR需要改进的试验能力的发展。这些功能不仅需要建立所需的纯度可以达到,而且监控施工过程验证清洁维护。我们主要依靠三种分析方法:射线计数、电感耦合等离子体质谱法(icp)和中子活化分析(NAA)。

5.2。背景被拒绝

HPGe探测器的关键优势之一是其固有的优秀的能量分辨率。背景拒绝在我们P-PC探测器不仅明显是由于能量分辨率,而且阵列粒度(interdetector巧合),脉冲形状歧视,和事件时间相关。这些技术依赖的空间和时间分布的差异衰减事件大部分背景事件。从放射性衰变通常包括背景信号和/或一个或多个射线。这样的射线经常接受多个散射在几厘米。自衰变能量沉积通常发生在一个体积小(≈1毫米³),它是一个单能量沉积。这两种不同的拓扑可以隔开PSA(见部分3)。衰变产物系列的拒绝使用单时间关联分析技术也可能在这些超低事件率实验。例如, 衰变只能导致背景如果毁灭的衰变光线在同一晶体包含交互。因此它总是多次现场能源存款和我们拒绝通过PSA的背景。此外,然而,衰变前的电子俘获衰变的父母。P-PC探测器的低阈值允许额外的拒绝通过削减时间相关10 keV K和1 keV L x射线。

5.3。蒙特卡罗模拟

MAJORANA格尔达和合作共同开发了一个仿真软件框架,法师这是基于GEANT4(67年,68年]仿真工具包。米年龄是用来模拟响应超低放射性背景对电离辐射探测器。常用的仿真框架的开发,合作可以减少重复的工作,放松比较模拟数据和实验,简化了添加新的模拟探测器几何图形。M年龄包是更详细地描述69年]。

米年龄与众多的外部包包括软件接口模拟电荷脉冲代HPGe探测器。M年龄框架包含常见的检测器对象的几何模型,实验原型,测试站,DEMONSTRATOR本身。它还实现了定制的事件生成器、GEANT4物理列表,和输出格式。所有这些功能都是可用的类库,通常是编译成一个可执行文件。用户选择特定的实验装置实现在运行时通过宏。在原型阶段,模拟被用作虚拟测试站指导探测器设计,使估计的有效性提出了减背景技术,并提供估计的实验灵敏度。在操作期间,米年龄将用于模拟和描述背景来确定最终的敏感性实验。它还将提供概率分布函数(pdf)基于可能性信号提取分析。

米AJORANA开发了一种D的详细几何EMONSTRATOR在米年龄由以上组件。协作进行了详细的模拟背景的贡献不同的同位素在这些组件需要60 kCPU-hrs不同的Linux集群。模拟包括估计的抑制效率分析章节中讨论5.2。PSA降低效率,特别是,估计使用的启发式计算多个交互在探测器检查等相对漂移时间使用等时线地图,图中描述1。这些信息结合的能量交互确定PSA算法能够拒绝。总结的背景期望毕竟削减在图给出13。这些模拟结果用于当前背景估计和未来将用于分析的数据。

协作还开发了一个自动化验证套件,彻底测试所有的关键物理过程模拟的M年龄和GEANT4对实验数据进行验证。此套件运行每次有重大更新年龄或GEANT4验证关键物理过程不是版本之间的更改。

5.4。预测的敏感性AJORANADEMONSTRATOR

来无中微子双β-衰变的一个搜索的敏感性增加的曝光实验但最终取决于实现背景水平。这种关系体现为DEMONSTRATOR在图14中,我们使用了Feldman-Cousins [70年)灵敏度的定义为了background-free和background-dominated政权之间的平稳过渡。的背景期望DEMONSTRATOR3碳纳米管/ (ROI-t-y)在一个4 keV能量窗口吗能量衰减端点。需要大约30 kg-y最低接触测试最近声称的观察衰变(19]。

6。状态、前景和结论

6.1。米的状态AJORANADEMONSTRATOR项目

MAJORANA协作获得有益的入住率的戴维斯校区地下实验室2012年5月。2013年6月在撰写本文时,协作完成装备的实验室,建立清洁(粒子探测器的房间通常是比500 /英国《金融时报》³直径0.5μ米或更小),并继续与数组的建造和装配。地下电铸实验室,开始在2011年的夏天,已经产生了超过75%的所需的铜。86%纯度的42.5公斤^76年通用电气已经从GeO减少₂和完善电子级通用电气与收益率为98%。十丰富P-PC探测器的总质量由ORTEC 9.5公斤,现在有八个地下冲浪。低温恒温器原型,一样的超净低温恒温器,但伪造商业铜、组装和操作相关的真空系统。自然通用探测器已建成两个字符串的手套箱,在测试之前安装在低温恒温器的原型。低温恒温器1已经从UGEFCu加工。样品从所有的材料被用于获得DEMONSTRATOR正在化验。Slow-control系统及其相关传感器在连续操作在所有UG实验室。数据采集检测验收测试,字符串测试,主要是操作数组。

低温恒温器的原型将在2013年的夏天。低温恒温器,它将包含七弦的丰富和自然的通用探测器,预计在2013年底完成。低温恒温器2,它将包含所有丰富探测器,预计在2014年进行组装。2015年整个数组应该在操作。DEMONSTRATOR将经营了3年为了收集~ 100 kg-years曝光。

6.2。未来大规模实验

MAJORANA格尔达和协作共同努力为single-tonne-scale做准备^76年通用电气试验,将结合两个实验的最佳技术特点。两个实验的结果将被用来确定最佳的前进道路。

目前一代的实验可能会产生的结果与限制低于约100伏。下一代将努力覆盖的反向层次地区有效AJORANA中微子质量。为此,一个实验需要灵敏度下降到20兆电子伏。这么小的中微子质量将显示一个半衰期更长y。见图14观察这么长的半衰期,需要一吨以上的同位素和背景下面1问/ (ROI-t-y)。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认支持核物理的办公室在美国能源部科学办公室批准号。DE-AC02-05CH11231, de - fg02 - 97 er41041 de - fg02 - 97 er41033 de - fg02 - 97 er4104 de - fg02 - 97 er41042 DE-SCOO05054 DE-FG02-10ER41715, de - fg02 - 97 er41020。他们也承认粒子和核天体物理项目的支持美国国家科学基金会的拨款phy - 0919270号,phy - 1003940, 0855314, phy - 1202950, MRI 0923142, 1003399。他们感激地承认俄罗斯基础研究基金会的支持批准号12-02-12112和美国能源部的支持通过LANL / LDRD程序。