基于声子探测的新型低温探测器的研究

The thermal effect from the phonons produced during the particles interact with the detector, is omitted at the common detectors. The detectors based on the simultaneous detection of the thermal effects from the phonons and light from the ionization, with the characteristics of precise measurement for small signal,efficient particle identification and excellent ability for distinguishing background from signal, are equipped on some devices with special purposes. As the application of the novel detection principle and method, based on the mK-cryogenic platform in Key Laboratory of Quantum Information, CAS，we propose a pre-investigation for the novel detection techniques and experimental methods, with the principle of thermal effects from the phonons in the interaction, which will be of service to the forefront of physics projects, such as the search of neutrinoles double beta decay, the direct detection of dark matter, the measurement of stable nuclides rare alpha decay.

射线粒子与探测器介质相互作用过程中发射的声子(phonons)会引起热效应，这一特性往往被常规的射线探测器所忽略。同时探测由声子引起的热效应和电离产生的荧光的双模探测器,具有精确的小信号测量、高效的粒子鉴别和本底区分等常规射线探测器不能达到的特点，在国际上已运用到一些特殊用途的装置上。作为粒子探测的新原理/新方法的运用和发展，我们提出借助中国科学院量子信息重点实验室的mK-低温实验台，开展"基于粒子碰撞声子热效应探测"技术和新型实验方法的预先研究，为我国正在启动的前沿物理课题，如核素无中微子双beta衰变寻找、暗物质的直接探测、"稳定"核素稀有alpha衰变精确测量等，提供新的探测技术和实验方法。

核素无中微子双β衰变的寻找、暗物质的直接探测和“稳定”核素α衰变的测量是当今物理学研究的重大前沿课题，也被认为是新一次物理学革命的重要突破口之一。该类物理信号在实验上的共同特点是：事例率极低（稀有事件），信号弱。虽然该类实验在不同的研究方向，利用不同实验技术和方法进行多年，但是都没有获得突破性进展，急需研发新型的探测技术和实验方法。本项目提出了在mK温度条件下，开展“基于单粒子碰撞声子效应的热效应探测”技术和光热双模读出的新型实验方法。该类技术在国际上的一些特殊用途的装置上开始运用，但是在我国目前还是处于空白，该项目的开展希望为未来我国的地下实验室的建设提供新的探测技术和实验方法。该项目的主要研究内容有钼酸镉(CdMoO4)等晶体的荧光和声子探测的性能、荧光的收集与刻度系统、温度传感器的研发、搭建低温系统、联调双模读出系统等。.本项目以及获取的研究成果有：.1)开发了个闪烁晶体对天然放射性同位素本底响应的模拟软件包，用于模拟研究不同晶体的性能。2）发现钼酸镉(CdMoO4)晶体是一种未来寻找核素无中微子双β衰变理想晶体。3）利用科大物理系的制冷装置，利用激光激发研究CdMoO4晶体在不同温度下的荧光性能。4）开发了新的低温系统，可以利用α或γ源激发研究晶体在不同温度（从常温到10K）的荧光性能。5）从BNL引进两个NTD-Ge低温传感器，目前正在科大微纳中心研究和学习与晶体的耦合和与电子学banding等方法。.该项目的研究为未来我国可能开展的基于晶体低温微量热器探测的无中微子双β衰变的寻找提供了技术支持。