用于 COSINE-100U 的升级版 NaI(Tl) 晶体封装开发与初步性能

COSINE-100 实验旨在使用低本底 NaI(Tl) 探测器检验 DAMA/LIBRA 年调制主张。对于 COSINE-100U 升级，我们开发了一种新的晶体封装系统，以提高光收集效率，同时保持长期探测器稳定性，从而提高对低质量暗物质的灵敏度。升级后的设计消除了 COSINE-100 中使用的石英光学窗口，并通过 2 毫米厚的硅胶光学垫将光电倍增管 (PMT) 直接耦合到晶体端面，从而减少了光学界面的数量。对于较大的晶体，晶体边缘被倒角，以更有效地将闪烁光引导到 3 英寸高量子效率 PMT 上。性能研究使用了 2462~h (102.6~天) 的室温 COSINE-100U 数据，并为了直接背景比较，使用了 2023 年 3 月运行末期采集的 698~h (29.1~天) COSINE-100 参考数据。所有八块晶体的光产额均高于 COSINE-100，数值范围从 15.8 到 27.7~p.e./keV；六块晶体超过 20~p.e./keV。测量的体-$\alpha$ 速率低于 COSINE-100 的值，并且与内部 $^{210}$Pb 的预期时间演化一致，而 1--2-MeV 表面-$\alpha$ 速率则显著降低。升级还恢复了两个先前因光学性能不佳而被排除在 COSINE-100 物理分析之外的晶体。独立验证测试表明，封装在低温下长期浸入液体闪烁体中时保持机械鲁棒性和光学稳定性。本文介绍了在 Yemilab 设施实现的封装设计、室温探测器性能以及表面相关本底的降低。