双相氙探测器在紫外至红外波段的波长敏感性研究及其在稀有事件探测中的应用

本文报道了一种新型双相氙时间投影室（TPC）的突破性研究成果，该探测器首次实现了170 nm至1700 nm全波段的同步探测。研究团队通过配备紫外（UV）和红外（IR）双敏感光电倍增管（PMT），首次在液态和气态氙中观测到与电致发光（electroluminescence）相关的红外信号，并发现其30 μs的慢成分时间响应特征。这项工作为未来暗物质探测和中微子双β衰变实验提供了新型信号鉴别思路，开辟了利用红外闪烁（IR scintillation）增强背景抑制的新路径。

　　

2 实验装置
研究采用德国海德堡大学开发的HeXe小型双相氙时间投影室（TPC），配备350克液氙靶和5毫米厚气态氙放大区。创新性地使用Hamamatsu R5509-73型红外PMT（敏感波段300-1650 nm）与紫外PMT联用，首次实现170-1700 nm全波段同步测量。探测器在-95°C、2.5 bar条件下运行，漂移电场稳定在400 V/cm，气体放大区电场可调范围9-15 kV/cm。

3 校准与数据采集
采用²²²Rn放射源产生5.5-7.7 MeV的α粒子信号，通过CAEN V1724数字化仪以100 MS/s采样率记录波形。数据分析显示，红外信号以单光子级别被捕获，而紫外通道可检测到数千光子。通过严格筛选条件，成功分离出与S1_UV（液氙闪烁）和S2_UV（气氙电致发光）对应的红外信号。

4.1 信号时间结构
研究发现红外信号呈现独特的三组分衰减特征：

• 快成分（未分辨，可能为ns级）占总量30%
• 中速成分（1.7 μs）与既往气相研究一致
• 新发现的30 μs慢成分占主导（>50%）
  值得注意的是，该慢成分在S1_UV和S2_UV中均存在，暗示共同起源。与紫外信号相比，红外信号尾部强度高出一个数量级，表明存在不同物理机制。

4.2 电场依赖性
当气体放大电场从9 kV/cm提升至15 kV/cm时：

• 红外光子计数率呈单调增长
• 与S2_UV信号的比例关系偏离线性，提示二者非线性关联
• 考虑电子提取效率修正后，仍存在15%信号落在34 μs时间窗外

5 讨论与展望
研究揭示了红外发射的若干未解之谜：30 μs慢成分可能源自绕过最低激基态的退激通道，而1.7 μs成分或与电离密度相关。技术层面，当前红外PMT因放射性本底过高（约100 mBq U/Th）不适用于稀有事件探测，未来需开发新型低本底传感器。

实验还发现诸多待验证现象：PTFE壁材荧光可能贡献慢成分，而InP/InGaAs光电阴极在非理想偏压下的延迟效应也需排除。研究团队计划通过波长过滤（>1 μm）、纯化系统升级和专用气相探测器等后续实验，深入解析红外发射机制。这些发现为下一代氙基探测器设计提供了新维度——通过红外脉冲形状鉴别（pulse shape discrimination）可能实现单电子信号识别和粒子种类区分，这对提升暗物质探测灵敏度和中微子双β衰变实验的能量分辨率具有重要价值。