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(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，新型功能材料及其制備科學(xué)國家重點實驗室培育基地,寧波 315211;2.北京濱松光子技術(shù)股份有限公司，北京 100070)

無中微子雙貝塔衰變是當(dāng)前國際上粒子物理與核物理研究領(lǐng)域的重要科學(xué)前沿，是可能突破粒子物理標(biāo)準(zhǔn)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(xié)作組致力于逐步研制應(yīng)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(guān)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(yīng)盡可能去除多種金屬元素雜質(zhì)，特別是較強放射性的232Th和238U等錒系元素雜質(zhì)。

為了提供建造低溫輻射量熱器所需LMO單晶，本團隊首先應(yīng)用垂直區(qū)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(dá)φ(70～75) mm×(140～160) mm)，系統(tǒng)研究了提拉法條件下，LMO單晶的析晶行為和晶體缺陷。經(jīng)系統(tǒng)閃爍性能表征實驗證實，在宇宙射線或紫外光激發(fā)條件下LMO單晶具有甚為顯著的變溫發(fā)光特性，在低溫下LMO單晶呈現(xiàn)較強的射線激發(fā)閃爍性能，在100 K低溫下具有最強射線激發(fā)發(fā)光輸出。通過光學(xué)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(xué)散射等宏觀晶體缺陷。研究表明，LMO單晶具有極易發(fā)生晶體開裂的材料習(xí)性，在提拉法單晶生長尾期，經(jīng)較長時間爐內(nèi)退火處理可充分消除單晶毛坯內(nèi)熱應(yīng)力，避免了單晶毛坯在降溫過程和加工過程中發(fā)生晶體開裂。通過垂直區(qū)熔方法或者重復(fù)重結(jié)晶生長工藝，可以除去多種雜質(zhì)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(xié)作組采用低溫輻射量熱器的基本設(shè)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(tǒng)四部分組成。以高純金屬銅為立方單晶支撐框架，相當(dāng)數(shù)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(xié)作組執(zhí)行的單晶元件連同低溫量熱器研制正在推進(jìn)之中，協(xié)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(guān)鍵技術(shù)，包括設(shè)計晶體探測塔、建構(gòu)極低溫環(huán)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(guī)格LMO立方單晶