面向超洁净稀有事件探测器的活性炭氡减排系统性能研究

由于探测器材料中微量铀和钍的持续析出，氡被引入低本底稀有事件搜索探测器的有效探测体积。$^{222}$Rn通过其子核$^{214}$Pb的“裸”β衰变在物理感兴趣区产生特别棘手的本底。虽然活性炭吸附阱有望在以慢速流率$(0.5-2\;SLPM)$服务于当前吨级探测器温组件的外辅循环回路中有效减排氡，但在高速流率$\mathcal{O}({100s\;SLPM})$下对整个循环回路进行氡减排，是未来一代实验达到高灵敏度所必需的。本文探讨了时间投影室探测器主循环回路中基于活性炭的氡减排系统的氡动力学。我们发现，即便对于完美氡阱，也需要$2,000\;SLPM$的循环速度才能将10吨探测器的氡浓度降低90%。这比当前暗物质探测器达到的最高循环速度快四倍。我们进一步发现，在洁净室中非常成功地用于降低大气氡水平的真空 swing 吸附（vacuum swing adsorption, VSA）系统，在超低氡环境中其有效性受限于活性炭吸附剂固有的氡活度。要构建用于稀有事件搜索实验、在室温下运行的有效VSA系统，需要固有氡活度显著低于当前可用活性炭的吸附剂。如果将此类VSA系统冷却至约$190\,K$，这一要求将大幅放宽。