室温半导体CdZnTe探测器低本底实验关键技术问题研究

In the ultra-low background experiments for the neutrinoless double beta decay (0υββ), CdZnTe material contains 5 0υββ decay isotopes among the known 35 ones, and some of them have higher decay probability and natural abundance, is considered to be excellent as both the detection object and detector material. Low background CdZnTe detector combined with digital discrimination method is expected to significantly improve the experimental results in the future. This project will try to study the coplanar grid CdZnTe detector and pixelated CdZnTe detector for low background experiment. Combined with digital pulse processing methods, the 2D or 3D information of the event can be obtained, which could be helpful for event discrimination, so that a better spectroscopy results with background suppression can be achieved. Meanwhile, both kinds of detectors will be studied with their background levels, types and sources with the low background HPGe spectrometer at our ground laboratory at Tsinghua University and in China JinPing underground Laboratory (CJPL) which provide ultra-low muon flux. And with Monte-Carlo simulation result, the detector materials will be improved, and the digital discrimination method will be developed for different types of background events. With our studies on the key technological problems of low background experiment with room temperature semiconductor CdZnTe detector, we wish to build a good technical basis for similar experiment in the future.

在极低放射性水平的0υββ衰变测量实验中，探测器自身本底水平和对本底事件的甄别能力直接影响着0υββ半衰期和中微子质量的测量水平，具有十分重要的研究意义。CdZnTe包含5种0υββ衰变同位素,且衰变概率和天然丰度较高,是极佳的0υββ衰变实验探测对象/探测器一体材料。本项目针对Coplanar栅极和像素电极两种CdZnTe探测器开展工作，结合数字脉冲处理方法，除幅度信息，还可分别实现二维或三维位置分辨，有望获得很好的本底事件甄别能力。但新型读出方式可能引入复杂的材料构成，因而需结合锦屏地下实验室低宇宙线环境和良好的低本底高纯锗谱仪，开展实验和模拟研究，理解掌握CdZnTe探测器电子学材料中本底的强度、种类和来源，以优化设计，并依据本底类型和能量特征，改进事件甄别的数字方法，以进一步优化探测器本底水平。本课题希望通过研究低本底CdZnTe探测器的关键技术问题，为未来低本底实验积累技术基础。

在极低放射性水平的0υββ衰变测量实验中，探测器自身本底水平和对本底事件的甄别能力直接影响着0υββ半衰期和中微子质量的测量水平，具有十分重要的研究意义。CdZnTe 包含5 种0υββ衰变同位素,且衰变概率和天然丰度较高,是极佳的0υββ衰变实验探测对象/探测器一体材料。. 本课题结合锦屏地下实验室低宇宙线环境和良好的低本底高纯锗谱仪，完成了CdZnTe探测器在极低本底实验中放射性本底来源的物理分析与实验研究；进而建立了CdZnTe探测器的“Monte Carlo物理模拟—探测器信号仿真”联合计算平台，实现了像素型CdZnTe探测器三维径迹重建算法；并进一步基于无中微子双β衰变物理模型和电子能量沉积过程，开展了无中微子双β衰变的三维径迹拓扑特征Monte Carlo物理模拟计算研究，并开展了像素电极Hybrid探测器单元的物理事件径迹拓扑实验研究；最终在研究中结合图论建立了一种基于物理事件主径迹能量沉积模型的新的甄别方法。. 课题对于极低本底实验中放射性本底来源的研究和对于物理模型的理论推导、模拟计算等，对于未来极低本底CdZnTe 探测器实验相关工作积累了技术基础。课题发展的新的基于物理事件主径迹的能量沉积模型的新的甄别方法，不仅适用于CdZnTe探测器中的三维径迹特征提取和稀有事件甄别，对于诸如NEXT实验等基于液闪TPC探测器的无中微子双β衰变测量实验在特征提取和事件甄别方法上也是适用和有很好参考意义的。此外，本课题研究中提出的基于物理事件主径迹的拓扑特征提取方法，有效反映了电离径迹的延展趋势和能量沉积规律，课题组将该方法应用于天体物理中低能X射线偏振方向重建算法中，大幅提升了已有光电X射线偏振仪的调制度，取得了很好的效果。