低溫輻射量熱器用鉬酸鋰單晶研制

陳紅兵,韓永飛,孫志剛,王 欣， 潘建國，蔣岳武,潘尚可， 劉艷豐，姜林文，劉鵬濤

(1.寧波大學材料科學與化學工程學院，新型功能材料及其制備科學國家重點實驗室培育基地,寧波 315211;2.北京濱松光子技術股份有限公司，北京 100070)

無中微子雙貝塔衰變是當前國際上粒子物理與核物理研究領域的重要科學前沿，是可能突破粒子物理標準模型的研究方向之一。為了推動我國在錦屏地下實驗室有效開展無中微子雙貝塔實驗工作，CUPID中國協作組致力于逐步研制應用鉬酸鹽單晶的低溫輻射量熱器。基于鉬酸鹽閃爍單晶的前期實驗研究，鉬酸鋰單晶(Li2MoO4, LMO)被選用作低溫輻射量熱器的關鍵實驗材料，而且要求其中含有高豐度Mo100同位素。另外，為滿足壓低單晶元件的放射性本底的性能要求，所研制LMO單晶應盡可能去除多種金屬元素雜質，特別是較強放射性的232Th和238U等錒系元素雜質。

為了提供建造低溫輻射量熱器所需LMO單晶，本團隊首先應用垂直區熔方法先行制備高純晶塊料，再通過提拉法成功生長出無色透明大尺寸LMO單晶(系列單晶毛坯尺寸達φ(70～75) mm×(140～160) mm)，系統研究了提拉法條件下，LMO單晶的析晶行為和晶體缺陷。經系統閃爍性能表征實驗證實，在宇宙射線或紫外光激發條件下LMO單晶具有甚為顯著的變溫發光特性，在低溫下LMO單晶呈現較強的射線激發閃爍性能，在100 K低溫下具有最強射線激發發光輸出。通過光學冷加工方法從單晶毛坯加工出45 mm×45 mm×45 mm尺寸LMO立方單晶，所研制LMO立方單晶無光學散射等宏觀晶體缺陷。研究表明，LMO單晶具有極易發生晶體開裂的材料習性，在提拉法單晶生長尾期，經較長時間爐內退火處理可充分消除單晶毛坯內熱應力，避免了單晶毛坯在降溫過程和加工過程中發生晶體開裂。通過垂直區熔方法或者重復重結晶生長工藝，可以除去多種雜質離子尤其是232Th和238U等元素，得到更低放射性本底的LMO單晶元件。

按照CUPID中國協作組采用低溫輻射量熱器的基本設計，低溫輻射量熱器裝置主要由晶體塔、屏蔽體、制冷裝置和信號讀出系統四部分組成。以高純金屬銅為立方單晶支撐框架，相當數量的LMO立方單晶將組合為晶體柱，多組晶體柱組裝成晶體塔作為低溫量熱器的核心裝置。目前CUPID中國協作組執行的單晶元件連同低溫量熱器研制正在推進之中，協作組正在研究利用低溫量熱器開展大型物理試驗所涉及的系列關鍵技術，包括設計晶體探測塔、建構極低溫環境、放射本底甄別方法、前置放大微弱信號、屏蔽自然輻射實驗場地等。

圖1 φ70 mm×130 mm LMO單晶毛坯

圖2 45 mm×45 mm×45 mm規格LMO立方單晶