摘要：高压性能一直是贵金属探测器面临的挑战。这一挑战之一是施加高压时金属电极会发射电子。这已成为 LUX-ZEPLIN (LZ) 等低背景探测器的主要问题。LZ 是一个液态氙时间投影室 (TPC)，用于寻找弱相互作用大质量粒子 (WIMP)。在这项工作中，我们展示了
高压性能一直是贵金属探测器面临的挑战。这一挑战之一是施加高压时金属电极会发射电子。这已成为 LUX-ZEPLIN (LZ) 等低背景探测器的主要问题。LZ 是一个液态氙时间投影室 (TPC)，用于寻找弱相互作用大质量粒子 (WIMP)。在这项工作中，我们展示了一种通过检测比例闪烁光来测量金属电极网格电子发射的方法。我们发现不锈钢网格经过电抛光处理后，其发射与表面参数 β = 1988 的 FowlerNordheim 发射一致。 一、简介 双相时间投影室 (TPC) 探测器，例如 LUX 和 LUX-ZEPLIN (LZ)，通常使用高压下的金属线栅来形成电场。在 LZ 中，我们在液体体积中施加一个场以使电离电子向上漂移，在气体体积中施加另一个场以从液体中提取这些电子，从而产生成比例的闪烁光。对于专注于研究低能事件的 TPC 来说，在这样的网格上实现高电压一直很困难。困难不仅在于限制网格和其他金属表面上的高压击穿，还在于限制这些表面的电子发射。在这项工作中，我们探讨了电子发射问题。双相 TPC 中的电子和核反冲产生初始闪烁光爆发，即我们的“S1”信号和电离电子，这将形成我们的“S2”信号。电离电子漂移穿过活性体积，流向气体区域，在此区域，较高的电场将电子提取到气体中，产生成比例的闪烁光子。这些 S2 光子通常由光电传感器（如光电倍增管 (PMT)）测量。S2 信号的测量可以实现单个相互作用的精确 3D 位置和能量重建，以及电子反冲和核反冲之间的区分。不幸的是，TPC 内的网格在高压下也会发射电子。低背景 TPC 中的高电子发射率对于检测低能信号是有问题的。虽然关于这个问题的成果很少，但电子发射此前已经阻止了几个 TPC 在其设计电压和电场下运行。漂移和提取场的减少导致电子漂移速度和 S2 信号分辨率降低。它还可能降低电子和核反冲之间的区分能力。电子发射对于仅使用 S2 的分析尤其成问题，这种分析仅使用事件的电子信号来重建位置和能量。这种分析方法用于将灵敏度扩展到更低的能量，从而降低 WIMP 质量。LUX 观测到的事件与网格周围的电子增益相关。网格的电子发射可以同时产生 1-4 个电子的信号，这可能会与真实事件混淆。减少网格的发射也会减少 WIMP 事件信号和电子发射背景之间的偶然巧合事件，从而提高信号质量。它还会降低来自非有趣事件的光子和电子的数据记录率。网格线的电子发射有几种机制。其中，场发射是主要关注点，因为它依赖于电场。这种发射是由于导线表面的电场引起的。这种发射的速率可以由 Fowler 和 Nordheim 估算。单位面积发射电子电流 j 随以下公式变化：其中 F 是金属表面的电场，W 是金属的局部功函数，A ∼ 1.54 × 10^(−6) A eV V^(−2) 和 B ∼ 6.83 eV^(−3/2) V nm^(−1)。然而，这通常会低估实际观察到的电流。为了解释这一点，我们将电场乘以参数 β，该参数描述了表面粗糙度对电场的增强。对于具有不同表面处理的同一种金属，表面参数 β 的值可能会有所不同。在这项工作中，我们测量发射电子产生的比例闪烁光，以有效地计数单个电子。电子发射的其他机制可能来自热发射、光电效应、金属表面的粒子交换以及由于表面附近的离子而引起的电子二次发射等效应。由于这些影响大多与电场无关，因此超出了本文的范围。他们的贡献在参考文献中进行了讨论。二、实验装置为了研究和减少 LZ 的电子发射，我们建造了一个小型气态氙气探测器，用于研究 LZ 网格直径的 10% 和面积的 1% 的网格的发射。图 1 显示了网格和光收集组件。它们被安置在充满纯化氙气的容器中，并在高达 3.6 bara 的压力下运行。该结构复制了“门”和“阳极”网格，它们在 LZ 中位于液体表面的正上方和正下方，用于产生提取场。该场用于从液体表面提取电子，产生闪烁光，构成我们的 S2 信号。阳极和门网格分别由直径为 100 µm 和 75 µm 的 California Fine Wire Co. 304 不锈钢丝编织而成。编织网格允许光和电子穿过两个网格之间的区域。与其他配置（例如平行线）相比，选择编织网格可以增加网格线的刚度，以承受操作过程中库仑力引起的偏转和相对运动。
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图 1.（左）探测器概览。探测器顶部有一个 PMT、一个 PTFE 反射锥（绿色）、阳极栅和栅极栅。（右）用电子显微镜拍摄的导线表面照片。表面上可以看到挤压模具的痕迹。我们使用单个 PMT 测量阳极和栅极栅上不同电压配置下的场发射。PMT 信号使用 SLAC 构建的自定义数据采集 (DAQ) 系统记录。DAQ 以零抑制模式运行，我们记录信号超过阈值前 120 纳秒到信号低于阈值后 2000 纳秒的时间。长后阈值窗口旨在捕获单个漂移电子的所有光子，这些光子可能分散到几微秒。从阴极（栅极）栅极线发射的每个电子都会漂移到阳极栅和栅极栅之间的间隙，沿其轨迹产生闪烁光。这些闪烁光子由安装在阳极网格上方 5 厘米处的 Hamamatsu R11410-20 PMT 测量。光收集效率在 1% 到 2.4% 之间，具体取决于发射事件的位置。由于导线附近的电场较强，电子发射事件的信号脉冲形状在脉冲的开始和结束时有所增强。由于该区域的电场均匀，脉冲的中间部分是平坦的。三、模拟和结果使用 Comsol Multiphysics 模拟网格线表面的电场分布。周期性编织线平面的单元的 3D 几何形状被放置在介电介质中。改变线平面上的电位以及与线平面平行的相距 1 厘米的两个平面上的电位，以模拟不同工作电压的影响。使用有限元法求解导线表面的电场值。图 2 显示了 COMSOL 模拟的栅极线周围空间中的电位和电场分布。不同的曲线显示了栅极线平面顶部和底部空间中电场比例不同的模拟结果。我们发现电场强度的分布并不均匀。编织结处的电场接近于零，而两个编织结之间的中点处的电场具有最大值，比平均值高 16％。
图 2.（左）栅极线电位和表面电场的模拟。红色箭头表示电场的值。（右）栅极线从一个交叉点到下一个交叉点的表面电场的模拟。青色实线是表面场的平均值。蓝色虚线最适合二阶多项式函数。绿色虚线最适合四阶多项式函数。该值是根据直径为 75 µm、编织间距为 5 mm 的栅极线计算得出的，并且栅极平面上方的电场比栅极平面下方的电场大 1 个单位。使用 Garfield 计算了在我们的工作气体密度下从栅极栅极到阳极栅极的电子脉冲形状。脉冲形状估计了漂移时间以及来自导线的每个电子的电子增益和光子增益量。在此模拟中，针对与我们的阳极和栅极栅极线的间距和直径相匹配的两个编织线平面的周期性部分的晶胞求解了静态电场解。使用 LightGuide 软件模拟光传播，以估计 PMT 的光子收集效率。第 2 节中描述的设备对产生闪烁光子的各种过程都很敏感，除了我们希望研究的电子发射之外。这包括来自内部或外部活动的电子和核反冲事件的主要闪烁光，以及来自漂移过高电场区域的电离电子的闪烁光。网格或其他金属表面上的火花也有可能产生光。我们的目标是从数据中去除非发射事件，以表征电子发射信号。为了隔离电子发射事件，我们排除了具有明显预触发光的事件，原因有两个。首先，在大脉冲之后观察到 PMT 单个光电子速率的增加。其次，存在外部辐射源，例如伽马射线，它们将能量沉积在两个网格之间的活动区域之外的探测器中。这种能量沉积可能会在阳极网格和 PMT 之间产生光子和电子。这些电子漂移到阳极网格并在 10-80 µs 后产生闪烁光，看起来像电子发射。可以通过排除前 100 µs 中脉冲面积大于 0.5 phe 的事件来排除这两种事件类型。外部宇宙射线事件通常会在闪烁区域产生 500 多个电子。这些脉冲的持续时间也比电子发射脉冲更长。为了从我们的样本中排除宇宙射线，我们排除了持续时间长且幅度比单个光电子幅度高 40 倍的事件。来自网格线的电子发射事件的特征是均匀分布在有限时间窗口中的光子集合。窗口的持续时间对应于栅极和阳极之间漂移的电子。在我们的探测器中，这个持续时间通常在 1 到 10 µs 之间，取决于气压和工作电压。图 3 显示了来自模拟和数据的样本电子发射事件。此模拟中未包括 PMT 响应时间。时间分布有明显的开始和结束时间，中间部分分布均匀。数据和模拟都表明在脉冲开始时光产生率较高。这可能是由于栅极线表面附近的电子倍增，而该处的电场较高。模拟中看到的脉冲末端的高光产生率在数据中没有观察到。我们认为这在一定程度上是由于电子雪崩导致的电子到达时间分散以及阳极线底部相对较差的 1-2.4% 光收集效率。
图 3. 阳极/栅极电压等于 +6/−6 kV 时电子发射的示例波形。（顶部）：模拟，（底部）：数据。Y 轴为任意单位。将电子发射脉冲的持续时间视为阳极和栅极之间电子的漂移时间，估计了 VA − VG = 8、10、12 kV 时的漂移时间，与模拟的漂移时间合理一致（图 4）。然而，数据显示电子增益比模拟值更高，这可能归因于金属线的表面粗糙度，而模拟中未对其进行建模。
图 4. 电子在 3.6 bara 的氙气中穿过 1.3 cm 间隙的漂移时间（来自模拟和数据测量）。图 5 显示了不同 VA −VG 下的电子发射结果。在 30 kV/cm 下，电子发射事件的发生率并不明显，但我们发现在 60 kV/cm 下可观察到电子发射事件。1/F 和 j/F² 之间的线性回归斜率与 β 成反比。如果使用平均电场，我们从公式 (1.1) 得出 β = 2304 ± 242。如果使用最大电场，我们会发现 β = 1988 ± 209 的结果。这个大的 β 值可能是由于表面粗糙或不干净造成的。
图 5. （顶部）从网格测量的电子发射率。（底部）Fowler-Nordheim 图，其中不锈钢在液态/气态氙气中的局部功函数取为 4.4 eV/3.8 eV。电流 j 是每秒的电子数。该结果表明，如果电子发射率与网格表面面积成比例，则 LZ 在其工作电压下的电子发射率为 6.7 × 10^3 Hz。这个比率相当大，表明表面质量粗糙或较差。此外，我们不能排除电线表面灰尘颗粒对较大β值的贡献。未来的研究将比较灰尘水平和其他表面改进方法的影响。四、结论在这项工作中，我们展示了一种观察网格线电子发射的工作方法，并描述了LZ型编织网格的电子发射。电子发光的结果与模拟的脉冲形状一致，但幅度不一致。我们看到了不锈钢丝在60 kV / cm的表面电场下电子发射（50 Hz）的明显证据。探索各种表面处理和清洁方法的影响有望在未来的研究中改善网格的表面质量并降低电子发射率。东莞市富临塑胶原料有限公司 与 California Fine Wire 合作，为中国客户提供“服务”和供应“California Fine Wire 超细丝”。
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来源：小小兔Ra
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