通过Ag9+、O5+和Li2+辐照离子调控Fe2O3薄膜的结构相、形态以及光学、电学和磁学性质

《Radiation Physics and Chemistry》：Modulation of structural phase, morphology, optical, electrical and magnetic properties of Fe 2O 3 films by Ag9+, O5+ and Li2+ irradiated ions

液态有机闪烁体在大型中微子实验中作为探测介质和靶材料，其性能与LAB（线性烷基苯）和n-十二烷混合比例密切相关。本研究系统表征了LAB/n-十二烷体系的光输出与发光动力学，发现n-十二烷基闪烁体在光输出较低（约纯LAB的40%）时具有更快的发光动力学，适用于时间分辨率要求高的Baksan大型中微子望远镜等实验。

　　液态有机闪烁体在大规模粒子物理实验中扮演着双重角色，既是靶材料，也是探测介质，尤其是在中微子研究领域。这些闪烁体的性能高度依赖于其组成成分的含量与比例，因此为了满足特定实验的需求，需要找到最佳的配比方案。本文主要探讨了一种由线性烷基苯（Linear Alkylbenzene，简称LAB）和正十二烷（n-dodecane）组成的液态闪烁体混合物，并对其关键性能特征进行了系统研究。

在中微子物理和天体粒子物理实验中，基于液态有机闪烁体的探测器至关重要。大体积的有机液态闪烁体被广泛应用于高效记录和精确测量中微子的特性，例如KamLAND、Borexino、Daya Bay、RENO和Double Chooz等实验。这些实验通常利用逆β衰变（Inverse Beta Decay，简称IBD）反应来探测反中微子，其反应式为：反中微子与质子相互作用，产生正电子和中子。这种反应会形成两个具有时间关联性的信号，一个是正电子快速湮灭产生的瞬时信号，另一个是中子在热化后与氢核发生捕获反应产生的延迟信号。这种独特的延迟信号是识别背景的重要工具，使得液态闪烁体成为中微子实验中首选的靶材料。

液态闪烁体的性能直接影响探测器的整体表现。在某些情况下，为了适应特定实验需求，需要对光产额、质子数、衰减长度或密度等参数进行调整。一种常见的方法是使用矿物油进行稀释，这种方法不仅改变了碳和氢的比例，还会影响用于IBD反应的潜在靶质子数量。矿物油基的闪烁体已经被用于KamLAND和Double Chooz等实验，其中使用了约80%的正十二烷和20%的芳香组分作为靶材料。而LSND实验则使用了不含芳香溶剂的矿物油基闪烁体。

虽然正十二烷作为稀释剂的应用已较为成熟，但在以往的实验中，其优化过程往往受到特定、非公开的技术要求、成本或原料可得性等因素的影响，而非基于系统的、公开的研究。例如，KamLAND的配方（80%正十二烷，20%伪 cumene）是一种成功的折中方案，但其光产额显著低于纯芳香溶剂。近期的实验，如SNO+，则进行了更为公开的优化研究，通过调整正十二烷的比例来平衡光产额与其他性能，如衰减长度。Choi等人（2024）的一项全面综述进一步强调了为下一代实验定制闪烁体性能的重要性。

然而，对于LAB/正十二烷混合物的系统研究仍存在不足，尤其是在从纯LAB到纯正十二烷的整个范围内，缺乏对光产额与发射动力学之间关系的量化分析。发射动力学对于某些实验，如计划中的Baksan大型中微子望远镜（Ushakov等人，2021）尤为重要，因为脉冲形状判别和事件时间分辨能力是关键因素。本文旨在填补这一空白，通过提供该二元系统的完整经验研究，明确光产额、发射动力学以及正十二烷含量之间的关系，从而为Baksan大型中微子望远镜和类似未来项目提供新的闪烁体选择方案。

Baksan大型中微子望远镜是计划安装在俄罗斯科学院核研究所的Baksan中微子观测站（BNO）的一台多功能探测器。它被设计用于多种任务，包括测量地中微子通量、探测来自碳氮氧循环（CNO cycle）的太阳中微子、研究超新星爆发以及监测来自核反应堆的反中微子通量。目前，该望远镜的原型使用的是以LAB为溶剂、2,5-二苯基恶唑（PPO）为荧光物质、以及1,4-双（2-甲基苯乙烯）苯（bis-MSB）为波长转换剂的闪烁体。

在选择闪烁体组成时，是一个关键的设计决策，需要在相互竞争的性能之间进行权衡。对于像Baksan大型中微子望远镜这样的多功能探测器，两个关键指标是：（1）高光产额，这对于实现中微子能谱的高能量分辨率至关重要；（2）快速的发射动力学，这有助于提高事件时间分辨能力，并支持强大的脉冲形状判别（Pulse Shape Discrimination，简称PSD）技术，从而有效排除背景。此外，闪烁体的衰减长度直接影响探测器的能量分辨率均匀性和扩展性。

本文研究了基于正十二烷、LAB和PPO的闪烁体混合物。结果显示，仅含正十二烷的混合物的光产额约为纯LAB基闪烁体的40%，这一表现令人满意。正十二烷基闪烁体的主要优势在于其更快的衰减时间，相较于含有LAB的混合物。此外，当使用正十二烷作为溶剂时，发射动力学中的快速成分并不依赖于PPO的浓度。这一特性使得正十二烷基闪烁体在某些实验中具有独特的优势，特别是在需要高时间分辨能力的场景中。

本文的系统研究为Baksan大型中微子望远镜提供了重要的数据支持，同时也为其他未来项目提供了新的思路。通过详细分析不同比例的LAB/正十二烷混合物，我们不仅能够更好地理解其性能特征，还能够优化其应用，以满足不同实验的需求。研究结果表明，正十二烷基闪烁体在保持较高光产额的同时，能够显著提升发射动力学性能，这为提高探测器的灵敏度和精度提供了新的可能性。

在实验过程中，我们通过制备一系列LAB和正十二烷的混合物，测量了其关键性能指标，包括发射光谱、光产额和发射动力学。这些数据为我们提供了全面的参考，帮助我们进一步优化闪烁体的组成，以适应未来的实验需求。此外，我们还对PPO在不同溶剂中的吸收和发射特性进行了研究，为理解其在闪烁体中的作用提供了理论支持。

实验中使用的设备包括石英比色皿，直径为20毫米，厚度为10毫米，通过紫外LED（波长为280纳米）进行激发。这一波长的选择是为了与PPO荧光物质的吸收峰（通常在芳香溶剂中为290至300纳米）相匹配。通过这种激发方式，我们能够准确测量PPO在不同溶剂中的发射光谱，从而进一步分析其在闪烁体中的表现。

本文的研究不仅限于理论分析，还包括实验数据的收集与处理。通过系统地比较不同比例的LAB/正十二烷混合物，我们能够量化其在光产额、发射动力学和衰减长度等方面的变化趋势。这些数据对于未来的中微子实验设计具有重要意义，尤其是在需要高精度和高灵敏度的场景中。

此外，本文还探讨了正十二烷基闪烁体在不同实验条件下的应用前景。由于正十二烷具有较高的光学透明度，这在以往的实验中已经被证明。因此，在未来的实验中，使用正十二烷作为溶剂可能带来更优的性能表现。这为提高探测器的效率和精度提供了新的选择，同时也为其他类似项目提供了参考。

在实验设计和数据处理过程中，我们采用了多种方法，以确保结果的准确性和可靠性。通过精确测量不同混合比例的性能指标，我们能够识别出最佳的组合方案。这些方案不仅能够满足当前实验的需求，还能够适应未来实验的发展方向。因此，本文的研究成果对于推动中微子实验技术的进步具有重要的意义。

本文的成果不仅对Baksan大型中微子望远镜的建设提供了支持，也为其他未来项目提供了新的思路。通过系统研究LAB/正十二烷混合物的性能特征，我们能够更好地理解其在不同实验条件下的表现，并据此优化其应用。这些优化方案不仅能够提高探测器的灵敏度和精度，还能够提升其在复杂背景下的识别能力。

在实验过程中，我们还关注了闪烁体的稳定性问题。通过长期测试，我们能够评估不同混合比例的闪烁体在不同环境下的表现。这一研究为未来的实验提供了重要的参考，确保闪烁体在长期运行中能够保持稳定的性能。此外，我们还研究了闪烁体在不同温度和压力条件下的表现，以评估其在实际实验环境中的适应性。

本文的研究成果表明，正十二烷基闪烁体在某些方面具有显著的优势，尤其是在发射动力学和光学透明度方面。这些优势使得正十二烷基闪烁体在未来的实验中具有广阔的应用前景。通过进一步优化其组成，我们能够使其在保持较高光产额的同时，提升其在复杂实验条件下的性能表现。

在实验数据的分析过程中，我们采用了多种方法，以确保结果的全面性和准确性。通过对比不同混合比例的性能指标，我们能够识别出最佳的组合方案，并据此优化闪烁体的应用。这些优化方案不仅能够提高探测器的效率，还能够提升其在不同实验条件下的适应性。

本文的研究成果对于推动中微子实验技术的进步具有重要意义。通过系统研究LAB/正十二烷混合物的性能特征，我们能够更好地理解其在不同实验条件下的表现，并据此优化其应用。这些优化方案不仅能够提高探测器的灵敏度和精度，还能够提升其在复杂背景下的识别能力。此外，本文的研究也为其他类似项目提供了重要的参考，确保其在未来的实验中能够保持稳定和高效的性能。

总的来说，本文的研究成果表明，正十二烷基闪烁体在某些方面具有显著的优势，尤其是在发射动力学和光学透明度方面。这些优势使得正十二烷基闪烁体在未来的实验中具有广阔的应用前景。通过进一步优化其组成，我们能够使其在保持较高光产额的同时，提升其在复杂实验条件下的性能表现。本文的研究不仅为Baksan大型中微子望远镜的建设提供了支持，也为其他未来项目提供了新的思路，确保其在长期运行中能够保持稳定的性能。