SuperCDMS SNOLAB 锗高压探测器的校准与性能

《Astroparticle Physics》：Calibration and performance of germanium high voltage detectors for SuperCDMS SNOLAB

　　

摘要

随着SuperCDMS SNOLAB准备使用低温锗（Ge）和硅（Si）探测器搜寻低质量暗物质粒子，六台新型SuperCDMS高压（HV）探测器（四台锗和两台硅）在SNOLAB的低温地下试验设施（CUTE）中进行了测试。这为首次接触这种新型探测器类型并在低本底条件下全面评估其性能提供了机会。本文介绍了SuperCDMS HV探测器的概念，并讨论了一些新开发的分析方法和方法途径。重点针对锗探测器，我们研究了其在电压偏置（高达90 V）下的探测器性能，进行了基于⁷¹Ge衰变产生的电子俘获峰的低能（keV至亚keV范围）校准，评估了探测器分辨率，并展示了这些探测器在高能量（数百keV范围）相互作用中同样具有良好分辨率（356 keV处优于3%）的出乎意料且令人振奋的能力。

引言

SuperCDMS SNOLAB是低温暗物质探测（CDMS）系列实验的最新一代（包括CDMS I [1]、CDMS II [2]和SuperCDMS Soudan [3]），使用低温半导体探测器搜寻暗物质粒子信号。CDMSlite计划[4]、[5]、[6]的成功（作为SuperCDMS Soudan的一部分执行）推动了新型探测器——SuperCDMS高压（HV）探测器的开发，这为搜寻质量远低于1 GeV/c²的暗物质粒子打开了大门。作为探测器测试和表征活动的一部分，一组六台新型探测器在加拿大萨德伯里安大略省附近地下2 km深处的地下实验室SNOLAB的屏蔽良好的低温地下试验设施（CUTE）[7]中，以约12 mK的温度运行，时间从2023年10月至2024年3月。

此次活动的目标是提供首次广泛接触这些新型探测器的机会，评估其在低本底条件下的性能及其对电压偏置下操作的响应，并展示可用于SuperCDMS SNOLAB的电子相互作用能量校准方法。本项目还用于验证从探测器到记录数据的完整实验链；测试新的SuperCDMS数据采集系统（DAQ）、数据传输和处理方案；并为这种新型探测器设计开发数据处理和分析工具与方法。

本文重点关注CUTE探测器测试活动中Ge探测器的校准与性能。第2节讨论了HV探测器的设计和探测器读出方案。第3节描述了校准方法。第4节概述了数据采集和处理细节以及基本分析步骤。第5节描述了校准和探测器性能评估。

章节摘要

HV探测器及其读出

足够能量的粒子与半导体相互作用会产生晶格振动（声子），并将电子从价带激发到导带，生成电子-空穴（或eh）对。通常认为，当荷电粒子复合时，用于产生它们的能量会转化为声子。如果是这种情况，那么声子信号应该反映总相互作用能量。

传统上，CDMS和SuperCDMS探测器基于锗或硅晶体

能量校准方法

使用⁷¹Ge的电子俘获（EC）衰变进行了低能校准，该同位素的半衰期为11.5天[21]、[22]、[23]。该同位素通过中子活化在探测器内原位产生，主要来源于²⁵²Cf源发射的中子激发的⁷⁰Ge。EC衰变产生的特征发射线对应于Ga子核中俘获电子的结合能。最显著的发射对应于K壳层、L1壳层和M1壳层俘获[24]、[25]

测量周期和探测器调试

Tower 3测试活动包含四个独立的降温周期（称为Run 35至38）。Run 35仅持续了几天，因为低温恒温器4 K和60 K阶段之间出现了热短路，使探测器运行变得困难。Run 36在修复热短路后开始，持续了约一个月，因SNOLAB预计的服务中断而终止。然而，载荷仅在约一天内升温至约30 K，随后在Run 37前重新降温。该轮运行结束于

低能校准

对于低能校准，我们使用载荷经²⁵²Cf源中子辐照后数天内采集的数据。在应用所有基本和数据质量筛选标准后，对于HV数据还进行了低半径事件筛选，我们可以在能谱中识别出源于⁷¹Ge衰变的峰。

在0 V时，10.37 keV的K壳层和1.30 keV的L壳层俘获事件在探测器1和3的能谱中清晰可见为峰。

结论

三台新型SuperCDMS Ge HV探测器的性能已在CUTE设施的地下低本底条件下进行了研究，并完成了低能和高能校准。

通过利用⁷¹Ge电子俘获衰变在能谱中产生的峰实现了低能校准，该⁷¹Ge通过²⁵²Cf源发射的中子对探测器进行中子活化在探测器内原位产生。基于此校准，测得的最佳$1\sigma$

CRediT作者贡献声明

M.F. Albakry：撰写 – 审阅与编辑。I. Alkhatib：撰写 – 审阅与编辑。D. Alonso-González：撰写 – 审阅与编辑。J. Anczarski：撰写 – 审阅与编辑。T. Aralis：撰写 – 审阅与编辑。T. Aramaki：撰写 – 审阅与编辑。A. Ashtari Esfahani：撰写 – 审阅与编辑。I. Ataee Langroudy：撰写 – 审阅与编辑。R. Bhattacharyya：撰写 – 审阅与编辑。A.J. Biffl：撰写 – 审阅与编辑。P.L. Brink：撰写 – 审阅与编辑。M. Buchanan：软件。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所述工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

SuperCDMS合作组衷心感谢SNOLAB及其工作人员提供地下空间以及物流和技术支持。资金和支持来自美国国家科学基金会、美国能源部（DOE）、Fermilab URA访问学者（编号15-S-33）、加拿大自然科学和工程研究理事会（NSERC Canada）、通过Arthur B. McDonald研究所（加拿大）提供的加拿大一流研究卓越基金、印度政府原子能部（DAE）、J. C. Bose奖学金

M.F. Albakry|I. Alkhatib|D. Alonso-González|J. Anczarski|T. Aralis|T. Aramaki|A. Ashtari Esfahani|I. Ataee Langroudy|R. Bhattacharyya|A.J. Biffl|P.L. Brink|M. Buchanan|R. Bunker|B. Cabrera|R. Calkins|R.A. Cameron|P. Camus|C. Cartaro|D.G. Cerde?o|Y.-Y. Chang|M.J. Zurowski