用于 XENONnT 的大流量氡去除系统的设计、建造与调试

我们开发并建造了一套基于低温蒸馏的大流量氡去除系统，以降低 XENONnT 等稀有事件搜寻实验中液氙探测器的氡致本底。需要对 XENONnT 的 8.4 吨液氙存量以高达 71 kg/h（200 slpm）的处理流量进行连续纯化，以实现对探测器内部氡源去除两倍氡的效果。为达到如此高的流量，蒸馏塔的设计具有液氙入口与出口，以及具有高通液化能力的新型定制浸浴式热交换器。蒸馏过程采用改进的 McCabe-Thiele 方法设计，无底部产品抽取。热力学概念基于以相变介质（此处为氙本身）的 Clausius-Rankine 冷却循环。为大幅降低外部冷却功率需求，开发了高能效热泵概念，采用定制四缸磁耦合活塞泵作为压缩机。该蒸馏系统在 (91$\pm$2) kg/h（(258$\pm$6) slpm）的处理流量下以热力学稳定条件运行，超出设计值 30%。在此流量下，鉴于测得的氡源分布，预计 XENONnT 探测器内 $^{222}$Rn 活度浓度 <1 $\mu$Bq/kg。