CN110770603B - 中微子探测器装置、中微子探测器系统和探测中微子的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于探测中微子的中微子探测器装置(100)，包括至少一个目标探测器(10)，其包括目标晶体(11)和目标温度传感器(12)，目标晶体(11)用于响应于待探测的中微子与目标晶体(11)的相互作用而产生声子，目标温度传感器(12)用于响应于在目标晶体(11)中产生的声子的吸收而感测温度变化；内否决探测器(20)，其包括具有内否决温度传感器(23)的至少一个内否决组件(21)，其中，所述至少一个内否决组件(21)适于支撑所述至少一个目标探测器(10)，并且适于通过响应于背景相互作用事件而产生声子并利用内否决温度传感器(23)响应于声子的吸收而感测温度变化，来进行基于反符合的α和β背景相互作用事件的判别；以及用于容纳内否决探测器(20)的外否决探测器(30)，其中，所述外否决探测器(30)包括至少一个外否决组件(31)，其响应于与γ和中子背景的相互作用而产生声子并具有外否决温度传感器(33)，外否决温度传感器(33)用于响应于在所述至少一个外否决组件(31)中产生的声子的吸收而感测温度变化，其中，所述中微子探测器装置(100)被配置用于在低温下操作，所述至少一个目标探测器(10)的目标晶体(11)的晶体体积和目标温度传感器(12)的尺寸被选择为使得所述至少一个目标探测器(10)的地上灵敏度阈值低于180eV，并且所述至少一个内否决组件(21、26)包围所述至少一个目标探测器(10)，使得所述至少一个目标探测器(10)布置在内否决探测器(20)内。此外，描述了一种包括中微子探测器装置的中微子探测器系统和探测中微子的方法，其中，使用了中微子探测器装置(100)。

Description

中微子探测器装置、中微子探测器系统和探测中微子的方法

技术领域

本发明涉及一种中微子探测器装置，用于根据中微子与在低温下操作的目标晶体中的重核的相互作用来探测中微子。

此外，本发明还涉及一种包括至少一个中微子探测器装置的中微子探测器系统，并且涉及一种使用中微子探测器装置探测中微子的方法。本发明的应用可用于研究中微子，特别是在地上环境中、例如在监测核电站、研究实验或地质构造中研究中微子。

背景技术

在本说明书中，参考以下现有技术来说明本发明的技术背景：

[1]E.Christensen等在“Phys Rev.Lett.”卷113，2014年，第042503页；

[2]EP 0 102 398B1；

[3]A.Drukier等在“Phys Rev.D”卷20，1984年，第2295页；和

[4]R.Strauss等在“Nuclear Instruments&Methods in Physics Research A”卷845，2017年，第414–4172016页；以及

[5]F.等在“J.Low.Temp.Phys.”卷100(12)，1995年，第69–104页。

众所周知，中微子仅经由弱相互作用与物质发生反应，弱相互作用是自然界中四种已知的基本相互作用中的一种。因此，中微子离开源各向同性，不受周围物质的影响。这使它们成为例如用于监测核反应等信息的理想源。作为监测人工核反应的一个示例，在文献[1]中已经提出了用于重水反应堆的反中微子监测。然而，由于中微子没有电荷且质量基本为零，因此探测中微子具有挑战性。

在基础研究中，例如用于研究来自外层空间的中微子通量或加速器中的核反应的基础研究中，使用了具有数百吨巨大目标质量的中微子探测器。作为示例，通过中微子与目标(target)物质的相互作用，产生了光子，这些光子由光传感器感测。这些探测器在地下操作以屏蔽背景辐射，例如宇宙辐射。由于尺寸和地下操作的原因，这种类型的中微子探测器不适合于例如在核电站中利用时间分辨率监测人工核反应。

在文献[2]和[3]中，已经提出了一种紧凑的中微子探测器，该探测器包括超导半导体目标材料。通过中微子与目标材料的相互作用，引起目标材料的电阻率的变化，其可以被感测为中微子相互作用事件的标识。虽然这种类型的中微子探测器将允许在地上进行操作，甚至允许进行移动操作，例如用于研究放射性的地质源，但它在有限的灵敏度阈值(能量阈值)方面将具有很大的缺点。

不仅中微子探测需要具有低灵敏度阈值的探测器，而且例如在暗物质搜索中也需要具有低灵敏度阈值的探测器。在[4]中公开的暗物质探测器包括尺寸为20mm×20mm×10mm的CaWO₄目标晶体和温度传感器。温度传感器是过渡边缘传感器(文献[5])。响应于中微子或暗物质粒子与目标晶体的相互作用，在温度传感器中产生了诱导可测量的温度变化的声子。目标晶体由CaWO₄棒支撑，该棒也设有温度传感器。CaWO₄棒沿着相对于目标晶体的单一的空间方向排列。CaWO₄棒用于基于反符合的背景相互作用事件的判别(否决探测器)。通过在低温下操作，获得190eV的地上灵敏度阈值。此外，在文献[4]中估计了50eV的灵敏度阈值，这将提供对中微子的探测。然而，这一能量阈值只能在文献[4]中公开的探测器的地下操作中获得，因此它不适合于地上中微子探测。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种改进的中微子探测器装置和方法，其能够避免常规探测器技术的限制，特别是提供一种改进的灵敏度阈值，例如允许在地上的中微子探测，和/或提供改进的背景抑制。此外，本发明的目的是提供一种改进的中微子探测器系统，其包括至少一个中微子探测器装置，能够避免常规探测器系统的限制，特别是允许在研究环境中进行移动操作。

发明概要

这些目的通过分别包括独立权利要求的特征的一种中微子探测器装置、一种中微子探测器系统和一种探测中微子的方法相应地实现。本发明的优选实施例和应用从从属权利要求中产生。

根据本发明的第一总体方面，上述目的通过一种中微子探测器装置来实现，所述中微子探测器装置包括至少一个目标探测器、内否决探测器和外否决探测器，其中，所述至少一个目标探测器容纳在内否决探测器中并且内否决探测器容纳在外否决探测器中。所述至少一个目标探测器、内否决探测器和外否决探测器是低温探测器，即它们被配置用于在低温操作温度下操作，特别是在低于200mK、例如在5mK到100mK的范围内操作。

每个目标探测器包括目标晶体和与目标晶体接触的目标温度传感器。目标晶体是包括重核(质量数大于50的原子核)的单晶。响应于待探测的中微子与目标晶体、特别是与重核的相互作用，在目标晶体中产生声子。术语“中微子”是指基本粒子中微子及其反粒子、反中微子。相互作用事件包括用物理学的标准模型描述并且已经在基础研究实验中进行了实验研究的中微子-核相干散射(CNNS：Coherent Neutrino-Nucleus Scattering)。优选地，在一个目标晶体上设置一个目标温度传感器。目标温度传感器能够吸收在目标晶体中产生的声子，其中，所吸收的声子引起温度变化，该温度变化通过电阻测量来探测。目标探测器的输出信号表示中微子相互作用事件和可能的背景事件的发生，背景事件使用内否决探测器和外否决探测器抑制。

目标晶体具有晶体体积，目标温度传感器具有与晶体体积匹配的传感器尺寸。根据本发明，晶体体积和传感器尺寸被选择为使得所述至少一个目标探测器的地上灵敏度阈值低于180eV、优选低于100eV、特别优选低于50eV。所选择的晶体体积是目标晶体尺寸，在该晶体中，声子密度足够大并且同时呈现出用于中微子相互作用事件的足够质量的重核，从而当目标晶体被内否决探测器和外否决探测器包围时，获得灵敏度阈值。目标晶体尺寸可以根据待探测的中微子的能量和通量例如通过实际测试或数值计算来估计。与常规探测器相比，例如根据文献[4]，通过减小晶体体积获得了改进的灵敏度阈值。此外，根据晶体体积来选择作为目标温度传感器的几何特征的传感器尺寸。根据晶体体积，目标晶体中产生的声子具有特定的寿命。目标温度传感器的传感器尺寸、特别是声子吸收区段的面积被选择为使得光子的寿命不受目标温度传感器的影响或可忽略地受其影响。

内否决探测器(或：内反符合探测器)适于探测背景事件，特别是β和α辐射，和/或任选地由目标晶体产生的光。内否决探测器包括至少一个内否决组件，每个内否决组件都设有内否决温度传感器。背景事件在至少一个内否决组件中产生声子，从而导致内否决温度传感器的温度变化，该温度变化通过电阻测量来探测。内否决探测器的输出信号可以与目标探测器的输出信号进行比较，从而提供了反符合背景抑制。同时包括在目标和内否决输出信号中的信号分量作为背景信号被丢弃。

此外，根据本发明，至少一个内否决组件具有包围至少一个目标探测器的形状，使得所述至少一个目标探测器被布置在内否决探测器内。术语“包围”所述至少一个目标探测器指示所述至少一个内否决组件沿着至少两个不同的空间方向邻近所述至少一个目标探测器布置。至少一个目标探测器由所述至少一个内否决组件支撑，所述至少一个内否决组件提供目标探测器保持器(或：仪器保持器)。优选地，内否决探测器的所述至少一个内否决组件包括单晶晶片，例如硅或蓝宝石晶片。在另外的优选实施例中，所述至少一个内否决组件是厚度在10μm至1mm范围内的平面板。

根据本发明，设置外否决探测器(或：外反符合探测器)，用于探测另外的背景事件，特别是γ辐射和中子辐射。它包括至少一个外否决组件(或：外否决容器组件)，每个组件都具有外否决温度传感器。同样，背景事件在所述至少一个外否决组件中产生声子，从而导致外否决温度传感器的温度变化，该温度变化通过另外的电阻测量来探测。将外否决探测器的输出信号与目标探测器和内否决探测器的输出信号进行比较，从而提供了一种反符合背景抑制。同时包括在目标和内和/或外否决输出信号中的信号分量作为背景信号被丢弃。此外，外否决探测器优选地沿着所有空间方向包围内否决探测器。至少一个、优选至少两个外否决组件成形出包括内否决探测器的容器。优选地，至少一个外否决组件由单晶材料、例如Ge或CaWO₄制成。

优选地，内否决探测器和/或外否决探测器可以被分段，即它们可以分别包括多个内否决探测器组件和/或外否决探测器组件。将内否决探测器和/或外否决探测器分段可以具有用于使内否决组件和/或外否决组件的尺寸和形状适合至少一个目标探测器的尺寸和/或适合制造内否决组件和/或外否决组件的优点。

有利地，与常规技术相比，减小目标晶体的尺寸提供了以下优点，其结合起来使得能够探测目标晶体中的中微子-核相干散射。第一，获得改进的灵敏度阈值。第二，有利于将至少一个目标探测器布置在内否决探测器和外否决探测器内，从而大大改善了背景抑制。第三，探测中微子散射事件的绝对速率被限制为低于0.5Hz、特别是0.1Hz的总速率(中微子脉冲背景事件)。由于代表散射事件的目标温度传感器的输出信号具有约10ms至100ms的持续时间，因此，优选地目标晶体的尺寸被选择为使得探测中微子散射事件的绝对速率低于0.5Hz、特别是0.1Hz。因此，具有三个嵌套探测器的本发明结构允许在地上探测中微子。获得了具有改进的精度和再现性的中微子探测的优点，同时提供了紧凑的设计。随着紧凑的设计，新的应用是可行的，如核电站的监测。

根据本发明的第二总体方面，上述目的通过一种中微子探测器系统来实现，所述中微子探测器系统包括根据本发明的上述第一总体方面的至少一个中微子探测器装置和适于运行所述至少一个中微子探测器装置的操作设备。所述操作设备包括用于将所述至少一个中微子探测器装置冷却至低温操作温度的冷却装置，用于排空所述至少一个中微子探测器装置的真空装置、特别是容纳目标探测器、内否决探测器和外否决探测器的真空室，以及与每个目标探测器的目标温度传感器、每个内否决探测器组件的内否决温度传感器和每个外否决容器组件的外否决温度传感器耦合的控制装置。优选地，冷却装置包括可商购的低温恒温器，如稀释低温恒温器。控制装置优选地接收来自传感器的输出信号并对其进行分析，包括背景判别和识别中微子散射事件。

由于中微子探测器装置的紧凑尺寸和其在地上操作的能力以及紧凑型冷却和真空装置的可用性，中微子探测器系统在灵活性和用于监测待研究的环境的新的应用方面具有特别的优点。

根据本发明的第三总体方面，上述目的通过一种探测中微子的方法来实现，其中，根据本发明的上述第一总体方面的至少一个中微子探测器装置和/或根据本发明的上述第二总体方面的至少一个中微子探测器系统被用于待研究的环境中。探测中微子的方法包括以下步骤：收集来自每个目标温度传感器、内否决温度传感器和外否决温度传感器的传感器输出信号的时间序列，以及分析所收集的输出信号以识别在所述至少一个目标探测器中的中微子散射事件。

根据本发明的一个优选实施例，所述至少一个目标探测器的目标晶体具有立方体形状，其在长方体的最大体积-表面比率方面具有优势。优选地，目标晶体具有低于10mm、特别是低于6mm、和/或大于1mm、特别是大于3mm的边缘长度。替代性地，可以使用长方体形状的目标晶体。

如果根据另一优选实施例，探测器中的至少一个的温度传感器，特别是每个目标探测器的目标温度传感器是过渡边缘传感器(TES：Transition Edge Sensor)，则获得降低灵敏度阈值的优点。TES包括沉积在目标晶体的表面上的声子吸收膜，例如由W制成。通过调节探测器温度，TES在声子吸收膜的超导状态与正常导电状态之间过渡地进行操作，从而响应于温度变化而提供大的电阻率变化。替代性地或附加性地，探测器中的至少一个的温度传感器可以包括NTD探测器。

本发明的中微子探测器装置可以仅包括单一的目标探测器，从而以有利的方式使装置结构的尺寸最小化。在距离在约10m至15m之间、热功率为5GW的热核反应堆处，使用单个目标探测器，每天可以探测到例如10个中微子散射事件的实际测量结果。根据一个替代性的优选的设计，在内否决探测器内设置多个目标探测器的阵列(或：探测器阵列)。本发明的该实施例提供了通过增加灵敏的探测器体积来增加探测中微子的概率的优点。与使用单个目标晶体相比，可以缩短用于监测研究的环境的测量时间。多个目标探测器的阵列优选地包括并排布置但彼此分离开并且由内否决探测器共同保持的至少两个目标探测器。特别优选地，目标探测器的阵列包括目标探测器的至少一个平面矩阵布置结构。

作为本发明的另一优点，探测器阵列的所有目标晶体都可以由共同的晶片组件制成。有利地，所有目标晶体都由相同的材料组成。目标温度传感器可以利用共同的薄膜沉积工艺同时设置在晶片上。所有目标温度传感器都可以提供相同的热特性和电特性(特别是热容量、热导率、与外散热器的热耦合、电阻)，从而提高了声子感测的再现性。即使利用大量的目标晶体、例如每个阵列至少9个、或甚至至少100个，也能获得这一优点。

根据另一优选实施例，可以在内否决探测器内布置至少一个参考目标探测器。参考目标探测器包括至少一个参考目标晶体，其与目标晶体相比具有不同的组分。参考目标晶体的组分被选择为用于响应于背景相互作用事件而产生声子。每个参考目标晶体都设有参考目标温度传感器，所述参考目标温度传感器被布置用于响应于在参考目标晶体中产生的声子的吸收而感测温度变化。有利地，参考目标探测器提供背景的统计特征。特别地，至少一个参考目标探测器提供有关中子背景的能量分布的信息，所述信息可以用于中微子信号速率的估计，从而增加了中微子探测的显著性。替代性地，可以简单地从所述至少一个目标探测器的能谱中减去所述至少一个参考目标探测器的能谱。

优选地，目标晶体和参考目标晶体都由不同的晶体材料制成，如CaWO₄和蓝宝石、Al₂O₃，但是两者都包括轻核(质量数等于或低于50的原子核)，例如由两种晶体类型的晶格内的氧原子提供。有利地，轻核散射中子和/或γ光子。通过比较目标探测器和参考目标探测器的输出信号，可以附加地抑制特别是中子和/或γ散射信号。

特别优选地，可以在内否决探测器内设置多个参考目标探测器的阵列，特别是与目标探测器的阵列结合。优选地，参考目标探测器的阵列具有与目标探测器的阵列相同的尺寸和几何配置。

根据本发明的一个特别优选实施例，内否决探测器的所述至少一个内否决组件被配置成使得其沿着所有空间方向包围所述至少一个目标探测器。所述至少一个目标探测器(以及可选地，所述至少一个参考探测器)被所述至少一个内否决组件完全包围。如果设置单一的内否决组件，则其形成容纳至少一个目标晶体的容器。如果设置多个内否决组件，则它们被布置成使得从每个目标晶体中的任何位置到周围的任何直线(视线)都与一个内否决组件交叉。有利地，通过内否决探测器的完全包围结构提供了最大的背景抑制。

如果内否决探测器的至少两个板状或厚片状的内否决组件(或：内否决保持组件)被布置在所述至少一个目标探测器的相反侧上，则实现保持目标探测器和反符合背景抑制的双重功能的优点。内否决保持组件具有突出的第一支撑元件，所述第一支撑元件具有与目标探测器的目标晶体接触的暴露端。优选地，第一支撑元件与内否决保持组件整体形成。内否决保持组件、特别是第一支撑元件，将所述至少一个目标探测器夹持在其间。优选地，板状的内否决组件中的至少一个是柔性晶片，即使在低温下也提供可弹性变形的弹簧。可弹性变形的晶片吸收可能在变化的温度下发生的机械应力。

此外，除了所述至少一个内否决组件之外，内否决探测器还可以包括至少一个无源支撑组件，所述至少一个无源支撑组件适于经由第二支撑元件支撑所述至少一个内否决组件。第二支撑元件是与至少一个内否决组件接触的另外的突出结构。

有利地，所述第一支撑元件和/或第二支撑元件提供比所述组件的延伸更小的接触表面，其中，被支撑的组件被机械地接触，从而减少了热耦合。优选地，第一支撑元件的接触表面被尺寸设置为使得与从目标晶体经由目标温度传感器到周围的热浴结构(中微子探测器装置的周围部分)的热耦合相比，每个目标晶体与内否决组件之间的热耦合是可以忽略的。此外，第二支撑元件的接触表面被尺寸设置为使得与从至少一个被支撑的内否决组件经由内否决温度传感器到周围的热浴结构的热耦合相比，每个被支撑的内否决组件与无源支撑组件之间的热耦合是可以忽略的。特别优选地，第一支撑元件和第二支撑元件提供点状接触表面。

可选地，内否决探测器可以适于经由光吸收来探测光子、适用于声子产生和利用内否决温度传感器的声子探测。在这种情况下，获得了进一步背景抑制的优点。优选地，至少一个目标探测器的目标晶体适于响应于目标晶体中的背景相互作用事件而产生光子。光子由目标晶体周围的内否决探测器探测。目标温度传感器和内否决温度传感器的输出信号可以用于进一步的反符合背景抑制。

有利地，所有内否决组件都可以由相同的晶片组件制成，并且优选地，所有内否决组件都由相同的材料组成。内否决温度传感器可以用共同的薄膜沉积工艺同时设置在晶片上。与目标温度传感器类似，内否决温度传感器可以具有相同的热特性和电特性，从而提高了声子感测的再现性。因此，使用可用的半导体加工工艺，制造内否决探测器的复杂性并不取决于内否决组件的数量。

有利地，本发明的中微子探测器装置对于背景稳健，从而允许中微子探测器系统的地上应用。整个中微子探测器系统(包括基础设施)仅需要很小的空间。因此，它可以被布置在固定的容器中，例如，在建筑物中或在建筑物外或在移动载体装置、例如小巴、运输车、可移动容器上。

根据本发明的一个特别优选实施例，中微子探测器系统包括发电机装置，所述发电机装置被布置用于独立于固定电网供电和操作中微子探测器系统。因此，在包括发电机装置的中微子探测器系统位于移动载体装置上的情况下，中微子探测器系统可以相对于待研究的环境中的目标地点(中微子源)移动。

根据本发明的一个优选应用，待研究的环境中的目标地点是核电站。至少一个本发明的中微子探测器系统可以被布置在距核电站例如长达100m或甚至更长、例如长达500m的距离处。有利地，不必进入核电站的地带。

可以根据时间监测核电站。由于中微子通量取决于核电站的操作功率，因此可以识别核电站的操作阶段，例如包括用于发电的常规操作阶段，或为转移裂变物质用于钚浓缩而频繁关闭的操作阶段。

利用本发明的中微子探测器系统，可以测量中微子的能谱，从而提供有关裂变物质的组成的信息。在这种情况下，单个监测动作是足够的，并且可以省略连续监测。

根据探测方法的另一优选实施例，本发明的中微子探测器系统可以被定位在具有距待研究的环境中的目标地点不同距离的不同的探测位置处。收集在所述不同的探测位置处的传感器输出信号并分析所收集的传感器信号允许通过分析所收集的在所述不同的探测位置处的传感器信号的差异来进一步表征背景条件。

总之，本发明提供了一种对中微子-核相干散射(CNNS)敏感的中微子探测器，面临两个主要挑战：极低的能量阈值连同非常小的背景电平。本发明的探测器结合了低温探测器可达到的最低核-反冲阈值(≤10eV)的可能性与基准体积装置的优点。内否决探测器和外否决探测器可有效屏蔽最外部区域免受外部辐射，从而降低最内部目标体积(基准体积)中的背景电平。由于很难在热探测器中实现事件的精确空间位置重建，因此到目前为止，这一潜力还尚未得到利用。这里呈现了一种低温探测器，它通过将三个3个单独的探测器(热量计)组合在一起来实现基准体积：1)具有极低的阈值(≤10eV)的目标探测器(基准体积)，2)内否决探测器，优选地作为4π否决探测器，例如，对抗表面β和α衰变，以及3)大型外否决探测器，例如，对抗外部γ/中子辐射。此外，内否决探测器充当目标晶体的仪器保持器，以判别保持器相关的事件(例如来自应力松弛的事件)。

附图说明

下面参考附图描述本发明的其他细节和优点，在附图中示出：

图1：本发明的中微子探测器装置的一个优选实施例的示意性剖视图；

图2：本发明的中微子探测器装置的目标探测器和内否决探测器的剖视图；

图3：目标探测器的放大的阵列的示意性透视图；

图4：本发明的中微子探测器装置的一个实施例的进一步细节的示意性透视图；

图5：本发明的中微子探测器系统的一个优选实施例的示意图；

图6A和6B：将中微子探测器系统布置在待研究的环境中的示意图；以及

图7和8：示出了本发明的优点的模拟结果的曲线图。

具体实施方式

下面参考中微子探测器装置的细节，特别是其探测器的结构和布置，描述本发明的优选实施例的特征。没有描述包括中微子探测器装置的中微子探测器系统的特征，例如冷却和真空装置的细节，这是因为它们是例如从现有技术中已知的。在下文中将对用于监测核电站的中微子探测器系统进行示例性参考。本发明不限于此应用，而是还可以用于监测其他人造或自然来源的中微子源，例如在实验室实验或其他测试中，或在包括放射性地质构造的地质地点处或在天体粒子探测中。在下文中将对包括基于CaWO₄的目标探测器的中微子探测器系统进行示例性参考。本发明不限于此材料，而是可以用包括重核、特别是W或Mo、例如PbWO₄、ZnWO₄、CsI、CdWO₄、CaMoO₄、CdMoO₄或ZnMoO₄的其他晶体来实施。

图1示出了本发明的中微子探测器装置100的示意图，所述中微子探测器装置100包括三个单独的低温探测器10、20和30，每个低温探测器都被作为热量计来操作。内目标探测器10与探测表面α和β衰变的内否决探测器20和探测中子和γ光子的外否决探测器30两者的组合，显著降低了目标探测器10中的背景电平。这样，实现了基准体积低温探测器。内否决探测器20附加性地充当目标探测器10的仪器保持器，以抗拒可能的应力相关的松弛事件。

目标探测器10包括设有目标温度传感器12的单一的目标晶体11(图1)或多个目标晶体11的阵列13(图2、图3、图4)。目标晶体11是具有例如5mm的边缘长度的立方晶体。它由包括W作为重核的单晶CaWO₄(例如，质量0.76g)组成。

目标温度传感器12是沉积在目标晶体11的一个表面上的TES，例如从文献[4]中已知。它包括声子收集器膜14(由Al制成，例如，厚度1μm，例如，面积0.15mm²)和传感器膜15(由W制成，例如，厚度200nm，例如，面积0.0061mm²)。声子收集器膜14增加了声子的收集面积，而没有增加传感器的热容量[4]的代价，从而产生增加的输出脉冲高度。目标温度传感器12经由条带16(由Au制成，例如，尺寸为0.01×7.0mm²，厚度：20nm)弱耦合到周围的热浴结构(散热器)。该条带经由Au引线键合到下面描述的内否决探测器20的无源支撑组件中的一个，并且提供约10pW/K(在10mK的温度下)的热导率。直径为例如25μm的引线键合(由Al制成)，分别用于为目标温度传感器12(键合在声子收集器上)以及欧姆加热器17(单独的键合焊盘)提供电触点。通常，在目标温度传感器12上施加100nA至50μA之间的偏置电流。目标温度传感器12的电阻变化可以用SQUID(超导量子干涉装置：Superconducting QuantumInterference Device)系统进行测量，如例如文献[4]中描述。

由发明人准备的性能模型预测针对CaWO₄目标晶体的目标探测器10的能量阈值约为6.5eV。为了获得更有效的总目标质量，可以预见如图2和图4所示的3×3探测器阵列13。这对应于CaWO₄的总目标质量为6.84g。

内否决探测器20包括内否决组件21，其包围目标探测器10并提供对围绕目标晶体11的体积的表面上的β和α衰变的主动判别。这种衰变的典型Q值在约10keV至10MeV之间，通常在2、3或更多个产品粒子之间共享。在目标晶体11被4π主动否决所包围的配置中，探测到反应的总能量(减去在β衰变中传输到中微子的能量)。这样，可以通过内否决探测器20中的符合事件来抗拒这种背景的高分数。特别是在接近超低能量阈值时，表面背景的抗拒是至关重要的。

内否决组件21包括例如厚度为例如400μm的单晶Si晶片。每个内否决组件21具有内否决温度传感器23，其设置在相应的内否决组件21的表面上。优选地，内否决温度传感器23的结构类似于上述的目标温度传感器12，但是其尺寸适于相应的内否决组件21的尺寸。特别地，内否决温度传感器23经由引线键合到内否决探测器20的无源支撑组件中的一个的条带弱耦合到周围的热浴结构(散热器)。内否决组件21经由第一支撑元件24支撑目标探测器10，内否决组件21经由第二支撑元件(图1中未示出)由无源支撑组件支撑，如下面参考图2所述。

外否决探测器30包括外否决组件31，其包围内否决探测器20并提供对中子散射事件和γ辐射的主动判别。在一个优选示例中，提供了两个由单晶Ge或CaWO₄制成的外否决组件31，形成了容纳内否决探测器20的盒形或空心圆柱状的容器(参见图4)。外否决探测器30的壁厚度为例如30mm至60mm。每个外否决组件31具有外否决温度传感器33，其设置在相应的外否决组件31的表面上。优选地，外否决温度传感器33的结构类似于上述的目标温度传感器12，但是适于外否决组件的较大尺寸。

根据图2，目标探测器10包括多个相同的目标晶体11的阵列13，每个目标晶体都如参考图1所述设置。图2是示意性剖视图。完整的阵列13包括3×3个目标晶体11，它们排列在垂直于绘图平面的阵列平面中。目标晶体11被内否决组件21A、21B、26A、26B(以黑色显示)包围，内否决组件21A、21B、26A、26B由无源支撑组件22(阴影线)保持。

每个目标晶体11是具有TES(未示出)的例如5×5×5mm³的热量计立方体。内否决组件21A、21B、26A、26B是配备有TES(如参考图1所述)并提供4π表面否决的Si晶片。内否决组件中的两个21A、21B(平行于阵列平面的平板)具有高度例如为200μm的第一支撑元件24，如棱锥或截棱锥，其优选通过这些内否决组件21A、21B的湿化学蚀刻来产生。这些第一支撑元件24直接保持目标晶体11。与目标晶体直接接触的内否决组件中的一个(例如21B)由于仅200μm的厚度而是柔性的。内否决组件21B起弹簧的作用。压在目标晶体11上，它实现了一种弹簧加压的保持结构，该保持结构可以补偿内否决探测器20的各个组件的热收缩。由内否决探测器20(例如由热应力松弛)引起的可能事件可被对抗，所述可能事件在内否决组件21A、21B的TES中诱导声子。与目标晶体直接接触的另一个内否决组件(例如21A)不是柔性的，并且它具有用于通过引线键合的开口27A。其余的内否决组件26A、26B与目标晶体11没有直接接触，而是被设置为完全包围阵列13。

无源支撑组件22是没有温度传感器的Si或蓝宝石晶片，其厚度例如为2mm。平行于阵列平面的内否决组件21A、21B、26A经由第二支撑元件25、例如直径例如为1mm的蓝宝石球通过无源支撑组件22支撑。第二支撑元件25可以粘附地连接到相应的无源支撑组件22，或者它们可以容纳在比第二支撑元件25直径更小的贮器孔中。无源支撑组件22将内部件压在一起。垂直于阵列平面的另外的内否决组件26B被布置成与无源支撑组件22相距一定距离，从而封闭了从目标晶体11的侧视线并允许其压制功能。为此，内否决组件26B由附加的柔性保持器(未示出)支撑。在无源支撑组件22中设有开口27B，用于通过目标温度传感器(未示出)的引线键合18。此外，无源支撑组件22承载连接到引线键合18的电线。

内否决组件21A、21B、26A、26B和无源支撑组件22利用机械连接器28(图4中所示)保持在一起，所述机械连接器28包括例如螺杆，仅作用在无源支撑组件22上。内否决组件21A、21B、26A、26B经由无源支撑组件22间接地通过机械连接器28保持。

目标探测器的阵列13可以包括更多的目标晶体11，如图3中示意性地示出的均具有目标温度传感器12的15×15个目标晶体11的布置结构。优选地，所有目标晶体11具有相同的组成，例如通过从一个共同晶片制造它们。如参考图2所述，目标晶体11由第一支撑元件(未示出)保持在内否决组件21A、21B之间。上方的内否决组件21A被示出为具有用于通过键合引线的开口27A(如图2所示)。

图4示出了本发明的处于打开状态的中微子探测器装置100的更多细节，该中微子探测器装置100具有目标探测器10的阵列13、内否决探测器(部分示出)和外否决探测器。目标探测器10的阵列13包括如上所述的3×3个目标晶体。此外，提供了参考目标探测器40的阵列43(示意性地示出)。阵列43包括3×3个参考目标晶体，每个参考目标晶体都像具有TES(未示出)的目标晶体一样被设置，但相比于目标晶体、例如CaWO₄，还包含另一种材料，例如蓝宝石。优选CaWO₄(例如0.76g)和蓝宝石(例如0.49g)晶体的立方体，这是因为它们具有优异的低温探测器性能。蓝宝石阵列43的总质量为例如4.41克。参考目标晶体布置在平行于目标探测器10的阵列平面的参考阵列平面中。两个探测器阵列13、43和内否决探测器20安装在具有至少两个具有直径例如10cm和高度例如5cm的杯状的外否决组件31的Ge或CaWO₄外否决探测器内，每个组件都配备有外否决温度传感器，并作为低温探测器操作。

利用目标探测器10和参考目标探测器40，提供了一种具有多种敏感晶体的多目标方法，所述方法对于通过特征相互作用强度分离信号和背景具有特别的优势。在下面描述的图7中进一步说明了该优势。

图5中示意性地示出了本发明的中微子探测器系统200的示意图。中微子探测器系统200包括本发明的中微子探测器装置100、冷却装置210、真空装置220、控制装置230和发电机装置240。冷却装置210是例如稀释制冷机低温恒温器，其能够将中微子探测器装置100的温度调整到例如5mK。真空装置220包括与由冷却装置210冷却的真空室222连接的真空泵221，例如涡轮分子泵。中微子探测器装置100布置在真空压力低于10^-7至10^-8hPa的真空室222中。发电机装置240是例如输出功率为例如10kW的柴油发电机。

控制装置230包括计算机电路，所述计算机电路被布置用于接收来自每个探测器10、20、30的温度传感器的输出信号。输出信号可以通过有线或者通过无线通信来传输。每个温度传感器都提供一个单独的输出通道。在(参见图1、图4)目标晶体11的阵列和所述数量的内否决组件21A、21B、26A和外否决组件31的情况下，例如多达20个输出信道与控制装置230连接。更详细地，控制装置230被布置用于存储每个输出信道的输出信号的时间序列，并且对该时间序列进行符合分析。仅在目标温度传感器的输出信号中发生的信号事件被分配给中微子散射事件。控制装置230还被布置用于控制组件210、220和240。

图6示意性地示出了本发明在监测核电站310(反应堆堆芯是待监测的目标地点)中的应用。一个或两个以上中微子探测器系统200位于至少一个可以在核电站310的环境300中移动、例如在距离反应堆堆芯15m至100m或更大、例如高达500m的范围内移动的移动载体装置250上(图6A)，或位于至少一个布置在建筑物320中和/或在核电站310中的固定容器260中(图6B)。有利地，建筑物320附加地屏蔽了宇宙背景。图6示出了在地上操作的中微子探测器系统200。替代性地，中微子探测器系统200也可以在地下操作。

通过移动移动载体装置250和/或通过使用在不同位置处的多个固定中微子探测器系统200(图6B)，可以在不同的探测位置探测中微子。由于中微子与材料的相互作用极低，因此探测器10至30在不同探测位置处的输出信号根据不同的背景条件和已知的中微子通量关于距中微子源的距离的平方反比定律而不同。因此，对不同探测位置处的输出信号进行符合分析允许附加的背景抑制。

图7示出了包括如图4所示的目标探测器和参考目标探测器的阵列13、43的中微子探测器装置100的输出信号的示例。示出了从例如4GW的核电站预期的中微子散射事件计数率。黑色虚线表示来自测量和模拟的背景电平的示例。曲线A示出了基于CaWO₄的目标探测器的计数率，而曲线B示出了基于中微子反冲能量的基于Al₂O₃的参考目标探测器的计数率。有利地，在CaWO₄的情况下，在低中微子反冲能量下的输出信号比背景高2至3个数量级，而在Al₂O₃的情况下，信号与背景的比率则小得多(1-5倍)。图7显示，计数率的强材料依赖性是用于区分中微子信号和不可约背景的有力工具。CaWO₄和Al₂O₃的信号比率显著不同，例如在10eV时，该比率约为50：1。相反，来自外部γ辐射的背景计数是可比较的(在大约2倍之内)。此外，中子背景会产生类似的光谱，这是因为在这两种材料中-对于中子诱导散射-由于运动学，主导的O散射高于能量阈值。

图8的曲线A示出了利用基于似然性分析的、灵敏度阈值为10eV的图4的中微子探测器装置100根据测量时间来探测中微子散射事件(CNNS事件)的显著性。该模拟结果表示在如图6B所示的核电站310中的测量。虚线示出了科学实验中使用的CNNS事件的统计显著性探测水平。有利地，在探测器操作的约2天之内，可以获得显著的中微子探测。考虑到使用具有总质量约10g的探测器，与常规探测技术相比，这代表了重大进步。特别地，图8示出了本发明用于在短测量时间内可靠地探测中微子的潜力。

在以上说明书、附图和权利要求中公开的本发明的特征可以单独地、组合地或子组合地对本发明在其不同的实施例中的实施具有重要意义。

Claims (30)

1.一种被配置用于探测中微子的中微子探测器装置(100)，所述中微子探测器装置(100)包括

-至少一个目标探测器(10)，其包括目标晶体(11)和目标温度传感器(12)，目标晶体(11)适于响应于待探测的中微子与目标晶体(11)的相互作用而产生声子，目标温度传感器(12)被布置用于响应于在目标晶体(11)中产生的声子的吸收而感测温度变化，以及

-内否决探测器(20)，其包括具有内否决温度传感器(23)的至少一个内否决组件(21、21A、21B、26A、26B)，其中，所述至少一个内否决组件(21、21A、21B、26A、26B)适于支撑所述至少一个目标探测器(10)，并且适于通过响应于背景相互作用事件而产生声子并利用内否决温度传感器(23)响应于声子的吸收而感测温度变化，来进行基于反符合的背景相互作用事件的判别，其中

-中微子探测器装置(100)被配置用于在低温下操作，

其特征在于

-所述至少一个目标探测器(10)的目标晶体(11)的晶体体积和目标温度传感器(12)的尺寸被选择为使得所述至少一个目标探测器(10)的地上灵敏度阈值低于180eV，

-所述至少一个内否决组件(21、21A、21B、26A、26B)包围所述至少一个目标探测器(10)，使得所述至少一个目标探测器(10)布置在内否决探测器(20)内，以及

-外否决探测器(30)被设置用于容纳内否决探测器(20)，其中，外否决探测器(30)包括至少一个外否决组件(31)，所述至少一个外否决组件(31)适于响应于与背景辐射的相互作用而产生声子并具有外否决温度传感器(33)，外否决温度传感器(33)被布置用于响应于在所述至少一个外否决组件(31)中产生的声子的吸收而感测温度变化。

2.根据权利要求1所述的中微子探测器装置，其中

-所述至少一个目标探测器(10)的目标晶体(11)的晶体体积和目标温度传感器(12)的尺寸被选择为使得所述至少一个目标探测器(10)的地上灵敏度阈值低于100eV。

3.根据权利要求1所述的中微子探测器装置，其中

-所述至少一个目标探测器(10)的目标晶体(11)的晶体体积和目标温度传感器(12)的尺寸被选择为使得所述至少一个目标探测器(10)的地上灵敏度阈值低于50eV。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中，

-所述至少一个目标探测器(10)的目标晶体(11)具有立方体形状。

5.根据权利要求4所述的中微子探测器装置，其中

-目标晶体(11)具有低于10mm的边缘长度。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中

-所述至少一个目标探测器(10)的目标温度传感器(12)是过渡边缘传感器。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中

-多个目标探测器(10)的阵列(13)设置在内否决探测器(20)内。

8.根据权利要求7所述的中微子探测器装置，其中

-目标探测器(10)的目标晶体(11)由共同的晶片组件制成。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中，所述中微子探测器装置还包括

-至少一个参考目标探测器(40)，其被布置在内否决探测器(20)内，并且包括参考目标晶体和参考目标温度传感器，参考目标晶体适于响应于背景相互作用事件而产生声子，参考目标温度传感器被布置用于响应于在参考目标晶体中产生的声子的吸收而感测温度变化。

10.根据权利要求9所述的中微子探测器装置，其中

-目标晶体(11)和参考目标晶体都包括轻核。

11.根据权利要求9所述的中微子探测器装置，其中

-多个参考目标探测器(40)的阵列(43)设置在内否决探测器(20)内。

12.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中

-内否决探测器(20)的所述至少一个内否决组件(21、21A、21B、26A、26B)沿着所有空间方向包围所述至少一个目标探测器(10)。

13.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中

-内否决探测器(20)的所述至少一个内否决组件(21、21A、21B、26A、26B)包括单晶晶片。

14.根据权利要求13所述的中微子探测器装置，其中

-内否决探测器(20)的所述至少一个内否决组件(21、21A、21B、26A、26B)具有在10μm至1mm范围内的厚度。

15.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中

-内否决探测器(20)的所述至少一个内否决组件(21、21A、21B、26A、26B)包括硅或蓝宝石晶片。

16.根据权利要求15所述的中微子探测器装置，其中

-内否决探测器(20)的所述至少一个内否决组件(21、21A、21B、26A、26B)具有在10μm至1mm范围内的厚度。

17.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中

-内否决探测器(20)的至少两个内否决组件(21A、21B)被布置在所述至少一个目标探测器(10)的相反侧，其中，内否决组件(21A、21B)具有将所述至少一个目标探测器(10)夹持在之间的第一支撑元件(24)。

18.根据权利要求17所述的中微子探测器装置，其中

-内否决探测器(20)包括至少一个无源支撑组件(22)，所述至少一个无源支撑组件(22)适于经由第二支撑元件(25)支撑所述至少一个内否决组件(21A、21B、26A、26B)。

19.根据权利要求18所述的中微子探测器装置，其中，第一支撑元件(24)和第二支撑元件(25)提供接触表面，接触表面的尺寸被设置为使得

-与从所述至少一个目标探测器(10)的目标晶体(11)经由目标温度传感器(12)到周围的热浴结构的热耦合相比，所述至少一个目标探测器(10)的目标晶体(11)与内否决组件(21A、21B)之间的热耦合是能够忽略的，和/或

-与从内否决探测器(20)的至少一个内否决组件(21A、21B)经由内否决温度传感器(23)到周围的热浴结构的热耦合相比，内否决探测器(20)的至少一个内否决组件(21A、21B)与无源支撑组件(22)之间的热耦合是能够忽略的。

20.根据权利要求19所述的中微子探测器装置，其中

-第一支撑元件(24)和第二支撑元件(25)提供点状接触表面。

21.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中，-外否决探测器(30)的所述至少一个外否决组件(31)由单晶材料制成。

22.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中，-外否决探测器(30)包括形成包围内否决探测器(20)的容器的至少两个外否决组件(31)。

23.根据权利要求1至3中的任一项所述的中微子探测器装置，其中

-所述至少一个目标探测器(10)的目标晶体(11)适于响应于目标晶体(11)中的背景相互作用事件而产生光子，以及

-内否决探测器(20)适于探测光子。

24.一种中微子探测器系统(200)，所述中微子探测器系统(200)包括

-根据权利要求1至23中的任一项所述的至少一个中微子探测器装置(100)，

-冷却装置(210)，其被布置用于冷却所述至少一个中微子探测器装置(100)，

-真空装置(220)，其被布置用于排空所述至少一个中微子探测器装置(100)，以及

-控制装置(230)，其与至少一个目标探测器(10)的目标温度传感器(12)、内否决探测器(20)的至少一个内否决温度传感器(23)和外否决探测器(30)的至少一个外否决温度传感器(33)耦合。

25.根据权利要求24所述的中微子探测器系统，其中，所述中微子探测器系统还包括

-发电机装置(240)，其被布置用于独立于固定电网来供电并且操作中微子探测器系统。

26.根据权利要求24或25所述的中微子探测器系统，其中，所述中微子探测器系统被包括在移动载体装置(250)上或在固定容器(260)中。

27.一种探测中微子的方法，所述方法包括以下步骤：

-在待研究的环境(300)中提供根据权利要求1至23中的任一项所述的中微子探测器装置(100)，

-根据时间收集至少一个目标探测器(10)的目标温度传感器(12)、内否决探测器(20)的至少一个内否决温度传感器(23)和外否决探测器(30)的至少一个外否决温度传感器(33)的传感器信号，以及

-分析所收集的传感器信号，以识别所述至少一个目标探测器(10)中的中微子散射事件。

28.根据权利要求27所述的方法，其中

-中微子探测器装置(100)在地上操作。

29.根据权利要求27或28所述的方法，其中

-待研究的环境(300)包括核电站(310)。

30.根据权利要求27或28所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

-在具有距待研究的环境(300)中的目标地点不同距离的至少两个不同的探测位置处设置中微子探测器装置(100)，

-收集在所述不同的探测位置处的传感器信号，以及

-分析所收集的传感器信号，其中，背景条件通过收集的在所述不同的探测位置处的传感器信号的差异表征。