处于热扩散极限的电致发光时间投影室

NEXT 实验旨在利用高纯氙时间投影室（TPC）搜寻 ${}^{136}$Xe 同位素假想的无中微子双贝塔衰变。通过对原电离径迹拓扑的模式识别来高效甄别事件是实验的一项主要要求。然而，这受到电子扩散的限制。已知向氙中加入少量分子气体可降低电子扩散，但另一方面，电致发光（EL）产额会下降，可实现的能量分辨率可能受损。我们研究了向氙（CO${}_{2}$、CH${}_{4}$ 和 CF${}_{4}$）中添加若干分子气体对无漂移气体正比 scintillation 计数器小型原型中所获 EL 产额和能量分辨率的影响。我们将 scintillation 特性（EL 产额和能量分辨率）的结果与微观模拟进行了比较，并在这些条件下获得了扩散系数。据此，使用分别约 0.05%、0.2% 和 0.02% 的 CO${}_{2}$、CH${}_{4}$ 和 CF${}_{4}$ 添加浓度，电子扩散可从纯氙的约 10 mm/$\sqrt{\mathrm{m}}$ 降至 2.5 mm/$\sqrt{\mathrm{m}}$。我们的结果表明，在这些条件下 CF${}_{4}$ 添加物具有最高的 EL 产额，但由于在 EL 形成中观测到的巨大涨落，能量分辨率很差。CH${}_{4}$ 的 EL 产额虽最低，却呈现最佳能量分辨率。将氙添加物所得结果外推至 NEXT-100 TPC 的运行条件：CO${}_{2}$ 和 CH${}_{4}$ 在大型氙 TPC 中作为分子添加剂具有潜力，其中 CH${}_{4}$ 在 NEXT-100 TPC 中使用时表现出最佳性能与稳定性，在 2.45 MeV 处外推能量分辨率于浓度低于 0.4% 时为 0.4%。