[发明专利]一种低温环境探测低浓度氡的装置及方法

说明书

本发明公开了一种低温环境探测低浓度氡的装置及方法，该装置包括：液闪容器，其内装有液体闪烁体，液闪容器设有多个探测区域和反射区域，反射区域设有用于氡进入的检测入口；多组硅光电倍增管，多组硅光电倍增管与探测区域一一对应，每组硅光电倍增管铺满一个探测区域，每组内的硅光电倍增管无间隙紧密排列，探测区域用于接收液体闪烁体在氡衰变时产生的光子，反射区域用于反射液体闪烁体在氡衰变时产生的光子，硅光电倍增管用于探测低温环境下，探测区域内的光子；低温环境的温度为‑80～‑50℃，探测下限小于等于0.1mBq/msupgt;3/supgt;。本发明可以在低温环境下，对低浓度氡具有高效的探测灵敏度。

技术领域

本发明属于氡测量领域，尤其涉及一种低温环境探测低浓度氡的装置及方法。

背景技术

目前，中微子质量、暗物质是标准模型没法解决的问题，是新物理研究的突破口，也是目前物理研究的热点之一。而中微子和暗物质与物质发生作用的截面非常小，这就对探测中微子和暗物质的探测器提出了高灵敏度的要求，而极低的放射性本底是实现探测器高灵敏度的关键。现有的实验对放射性本底也提出了极高的要求，要求液体闪烁体对²³⁸U和²³²Th的基本要求为小于10^-15g/g，可以通过测量其衰变子体得到U和Th的含量。

自然界中，放射性核素通常都是U和Th衰变链上的子核，其中最常见的是²³⁸U和²³²Th，²³⁸U和²³²Th的半衰期分别为10⁹和10¹⁰年的量级，²³⁸U和²³²Th将会持续衰变，产生多种衰变子体。在开展低本底实验如中微子和暗物质探测实验，其中，U和Th的衰变子体Rn的放射性含量最难被控制，这是由于氡气是一种惰性稀有气体，环境中的氡气会通过容器、管道泄漏或扩散进入探测器中，也会通过吸附在空气中的尘埃颗粒上而附着在探测器的各个组件上，另外，氡气在液体闪烁体、水、液氮或者液氙中具有较大的溶解系数。而液体闪烁体、水、液氮或者液氙正是我们探测中微子和暗物质有效的探测介质。这也是导致氡气是低本底探测器实验重要本底之一的。

在低本底实验中，本底的控制是实验成功的关键因素之一，而氡是暗物质、中微子等低本底实验的主要本底来源，对氡浓度的测量和除氡是低本底实验运行必不可少的部分，目前对极低氡浓度的探测也是研究热点问题。对氡及其子体的常用测量方法有：电离室法、静电吸附法、液体闪烁体测量法。其中，相比较电离室和静电吸附法，液体闪烁体测量法具有其特有的优势，一方面，液体闪烁体对氡具有较高的溶解系数，可以提升探测器的探测下限到mBq量级；第二，液体闪烁体中铀钍含量低；第三：探测器体积易增大，易实现氡富集；最后，液体闪烁体对α、β、γ具有很好的甄别能力。正因为液体闪烁体特有的优势，现有很多利用液体闪烁体测量法对氡及其子体的放射性进行测量的实验。在对氡及其子体放射性进行测量时，信号的筛选是其关键性技术，而在²³⁸U和²³²Th衰变链中分布存在着特殊的衰变对，²¹⁴Bi—²¹⁴Po和²¹²Bi—²¹²Po，他们可以产生β-α级联衰变。通过测量级联衰变，可以极大的压低本底，减少环境中的γ，宇宙射线等对测量结果的影响。利用β-α级联衰变来对氡的浓度进行测量这种方法能够尽可能地压低环境中本底对信号的影响，提高探测器对极低氡浓度的探测灵敏度。