基于正十二烷和线性烷基苯的闪烁体混合物的特性研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Characterization of scintillator mixtures based on n-dodecane and linear alkylbenzene

液态有机闪烁体在大型中微子探测器中作为靶材和检测介质，研究其 LAB/n-癸烷 混合溶剂体系的光输出与发光动力学特性，为 Baksan 大型中微子望远镜（BNO）优化探测器性能提供数据支撑。

　　液态有机闪烁体在大型粒子物理实验中扮演着双重角色，既是靶材又是探测介质，尤其在中微子研究领域中尤为重要。这类材料的性能高度依赖于其组成成分的种类与比例，因此，针对不同应用场景寻找最优的组合显得尤为关键。本文探讨了以线性烷基苯（LAB）和正十二烷（n-dodecane）为主要成分的液态闪烁体混合物，对其特性进行了系统研究，特别是光产额和发光动力学方面。

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发挥着核心作用。这些大型体积的有机液态闪烁体被广泛用于中微子的高效注册与精确测量。例如，KamLAND、Borexino、Daya Bay、RENO 和 Double Chooz 等实验均采用了液态有机闪烁体作为探测介质。随着未来实验如 JUNO 和 SNO+ 的推进，预计这些实验的规模将超过以往项目，进一步提升中微子研究的精度和深度。其中，反中微子的探测是这些实验的主要目标之一，通常来源于核反应堆或地球内部（如地中中微子，geoneutrinos），通过逆β衰变（Inverse Beta Decay, IBD）反应实现：反电子中微子与质子发生反应，产生正电子和中子。这一反应过程在探测器中会产生两个可检测的信号，即正电子的快速湮灭信号和中子热化后捕获产生的延迟信号。这种独特的延迟信号有助于区分背景噪声，使液态闪烁体成为中微子实验中的首选探测介质。

液态闪烁体本身的特性直接影响探测器的性能。在某些情况下，为了满足特定实验需求，可能需要对光产额、质子数、衰减长度或密度等参数进行优化。通常，通过与矿物油混合的方式调整这些特性，这种做法不仅改变了碳和氢的比例，还影响了可能作为中微子反应靶的质子数量。例如，在 KamLAND 和 Double Chooz 实验中，使用了大约 80% 的正十二烷和 20% 的芳香族组分的混合物作为靶材。而 LSND 实验则采用了不添加芳香族溶剂的矿物油为基础的液态闪烁体。尽管正十二烷作为稀释剂的应用已较为成熟，但以往的优化过程往往受到特定技术需求、成本或材料可得性的限制，而非基于系统性的研究。例如，KamLAND 的配方（80% 正十二烷和 20% 假伪甲基苯）是一种成功的折中方案，但其光产额显著低于纯芳香族溶剂。近年来，SNO+ 实验则进行了更加公开的优化研究，通过调整正十二烷的比例来平衡光产额与其他性能指标，如衰减长度。Choi 等人（2024）的一项综述也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/正十二烷溶剂混合物的系统研究仍然缺乏，特别是针对从纯 LAB 到纯正十二烷的整个范围，且保持一致的荧光物质（如 PPO）浓度，以及专注于其对发光动力学的影响。发光动力学在某些实验中至关重要，如计划中的巴坎大中微子望远镜（Baksan Large Neutrino Telescope），该望远镜旨在实现高精度的脉冲形状判别（Pulse Shape Discrimination, PSD）和事件时间分辨率。因此，本文旨在填补这一空白，通过全面的实证研究，系统地表征 LAB/正十二烷二元体系，量化其光产额与发光动力学之间的关系，为巴坎大中微子望远镜及类似未来项目提供新的材料选择依据。

巴坎大中微子望远镜是计划安装在俄罗斯科学院核研究所巴坎中微子观测站（Baksan Neutrino Observatory, BNO）的多功能探测器，旨在承担多种任务，包括测量地中中微子通量、探测太阳中微子（CNO循环产物）、研究超新星爆发以及监测核反应堆产生的反中微子通量。目前，其原型使用的是以线性烷基苯（LAB）为溶剂、2,5-二苯基恶唑（PPO）为荧光物质、1,4-双（2-甲基苯乙烯）苯（bis-MSB）为波长转换剂的闪烁体。因此，选择合适的闪烁体配方对于望远镜的性能至关重要。在多用途探测器中，两个关键指标尤为突出：一是高光产额，这有助于实现优秀的能量分辨率，以支持中微子的光谱分析；二是快速的发光动力学，这能够提升时间分辨率，用于顶点重建，并且使强大的脉冲形状判别技术成为可能，从而有效排除背景噪声。此外，闪烁体的衰减长度也直接影响探测器的能量分辨率均匀性和可扩展性。

本文的研究探索了以正十二烷作为潜在稀释剂的闪烁体混合物，可能在上述方面提供优势。虽然与矿物油如正十二烷的混合会降低光产额，但可能会改善发光动力学，增加质子密度，从而提高中微子捕获率。更为重要的是，经过纯化的正十二烷在之前实验中表现出卓越的光学透明度，这为实验提供了更优的条件。因此，本文进行了系统研究，以量化光产额与发光动力学之间的权衡，特别针对 LAB/正十二烷组合的特性。

在研究过程中，液态闪烁体的配方由芳香族溶剂（LAB）、稀释剂（正十二烷）以及荧光物质（PPO）组成。通过调整 LAB 和正十二烷的比例，可以得到一系列不同的混合物。这些混合物的特性，如发光光谱、光产额和发光动力学，被逐一测量和分析。发光光谱研究了 PPO 在不同溶剂中的吸收与发射特性，尤其是在正十二烷和 LAB 中的发光光谱。此外，还测量了 PPO 在这些溶剂中的发射光谱，以评估其在不同环境下的表现。

实验过程中，样品被倒入直径为 20 毫米、厚度为 10 毫米的石英比色皿中，并使用波长为 280 纳米的紫外发光二极管（LED）进行激发。该波长被选为与 PPO 荧光物质的吸收光谱峰值（通常在芳香族溶剂中为 290-300 纳米）相匹配。通过这种方式，可以确保荧光物质在激发后能够有效发光，从而提高探测效率。

研究结果表明，基于正十二烷的闪烁体混合物在光产额方面表现相对较低，约为纯 LAB 基础闪烁体的 40%。然而，这种混合物的发光动力学显著优于含有 LAB 的混合物，具有更快的衰减时间。此外，正十二烷作为溶剂时，其发光动力学中的快速成分不受 PPO 浓度的影响，这为实验设计提供了更大的灵活性。这些发现表明，尽管正十二烷的混合物在光产额上有所折衷，但在发光动力学方面表现出显著优势，这在某些高精度实验中可能是不可或缺的。

本文的研究不仅为巴坎大中微子望远镜提供了新的材料选择，也为未来类似的中微子实验提供了理论支持和实验依据。通过系统地分析 LAB/正十二烷混合物的特性，研究人员能够更好地理解不同成分比例对探测性能的影响，从而为实验设计提供更加科学和合理的建议。此外，研究结果还揭示了在特定应用场景下，如何在光产额与发光动力学之间找到最佳平衡点，这为未来中微子实验的材料优化提供了新的思路和方法。总之，本文的研究对于推动中微子物理实验的发展具有重要意义，特别是在提升探测器性能和减少背景噪声方面。