latex
تُسْتَخْدَم أَجْهِزَةِ الكَشْفِ عَن الزينون السائِل ذاتِ الخَلْفِيَّةِ المُنْخَفِضَة فِي التَحْقِيقِ فِي الأَحْداثِ النادِرَةِ، بِما فِي ذٰلِكَ المادَّةُ المُظْلِمَة وَالتَحَلُّل البِيتا المُزْدَوِجِ الخالِي مِن النيوترينو. لَمُعايَرَتها، يُمْكِن اِسْتِخْدامِ الرادون الغازِيّ \(^{220}\)Rn. بُعْدَ إِدْخاله فِي الزينون، يَحْفِز نَظِيرِهِ الاِبْنُ \(^{212}\)Pb تَفاعُلاتٌ الاِرْتِداد الإِلِكْترُونِيّ مُنْخَفَضه الطاقَةِ (<30keV) المُوَزَّعَة بِشَكْلٍ مُتَجانِسٍ. نَحْنُ نُقَدِّم تَقْرِيراً عَن تَوْصِيف مِثْلَ هٰذا المَصْدَرُ لَاِسْتِخْدامه فِي تَجْرِبَةِ XENONnT. يَتَكَوَّن مِن أَرْبَعَةِ مَصادِرُ \(^{228}\)Th مُتاحَةٍ تِجارِيّاً بِنَشاطِ 55kBq. تُوَفِّر هٰذِهِ المَصادِرُ مُعَدَّلِ تُحَرِّر \(^{220}\)Rn عالِياً يَبْلُغ حِوالِي 8kBq. لَم نَجِد دَلِيلاً عَلَى إِطْلاقِ \(^{228}\)Th طَوِيلٍ العُمْرِ فَوْقَ 1.7mBq. عَلَى الرَغْمِ مِن مُلاحَظَةُ مُعَدَّلِ تُحَرِّر غَيْرِ مُتَوَقَّعٌ لِ \(^{222}\)Rn يَبْلُغ حِوالِي 3.6mBq، فَإِنَّ هٰذا المَصْدَرُ لا يَزال يَتَماشَى مَعَ مُتَطَلَّباتِ تَجْرِبَةِ XENONnT.
لَقَد شَهِدَت أَجْهِزَةِ الكَشْفِ الَّتِي تُسْتَخْدَم الزينون السائِل لِلبَحْثِ عَن النيوترينو وَالأَحْداث النادِرَةِ نُمُوّاً سَرِيعاً فِي كُلِّ مِن الكُتْلَةِ وَالنَقاء الإِشْعاعِيّ خِلالَ العَقْدِ الماضِي (XENONCollaboration:2022kmb, LZ:2022ufs, PandaX-4T:2021bab, EXO-200:2019rkq). تُسْتَخْدَم غُرَفِ الإِسْقاط الزَمَنِيِّ (TPCs) فِي هٰذِهِ التَجارِبِ خاصَّيْهِ الزينون ذاتِ العَدَدَ الذَرِّيِّ العالِي لِحِمايَةِ الحَجْمِ الفَعّالَ مِن النَشاطِ الإِشْعاعِيّ المُحِيطِ. وَمَعَ ذٰلِكَ، هٰذا يَعْنِي أَنَّ أَيّ مَصْدَرٌ تَحْقِيقِ خارِجِيٍّ لَن يَصِل إِلَى مَرْكَزِ غُرْفَةِ الإِسْقاط الزَمَنِيِّ، حَيْثُ أَنَّ المَسارُ الحُرِّ المُتَوَسِّطِ لَأَشِعَّة غاما ميغا إِلِكْترُون فَوَلَّت هُوَ مِن النِظامِ (O(cm)) وَبِالتالِي أَصْغَرِ بِكَثِيرٍ مِن قَطَرِ غُرَفِ الإِسْقاط الزَمَنِيِّ ذاتِ المِقْياسُ المِتْرِيّ.
فِي هٰذِهِ الوَرَقَةَ، نَدْرُس مَصْدَراً داخِلِيّاً لَمَعايِره اِسْتِجابَةً الاِرْتِداد الإِلِكْترُونِيّ ذاتِ الطاقَةِ المُنْخَفِضَة (مِقْياسِ كِيلُو إِلِكْترُون فَوَلَّت) لِغُرْفَةِ الإِسْقاط الزَمَنِيِّ لِ(XENONnT) (XENON:2020kmp, XENON:2023). يَنْبَعِث الرادون-220 مِن الثُورِيُوم-228 وَيُحَمِّله تَدَفُّقِ غازِ الزينون وَيَخْتَلِط مَعَ الهَدَفَ السائِل. تُنْتِج سِلْسِلَةٍ تَحْلِل الرادون-220 مَجْمُوعَةِ مُتَنَوِّعَةٍ مِن الإِشْعاعات: \[\begin{aligned} &\isotope{228}{Th} \decay{5.5}{1.9\,y} \isotope{224}{Ra} \decay{5.8}{3.6\,d} \isotope{220}{Rn} \decay{6.4}{56\,s} \isotope{216}{Po} \decay{6.9}{145\,ms} \isotope{212}{Pb}\nonumber\\ &\decayb{0.6}{11\,hrs} \isotope{212}{Bi} \begin{array}{l} {}^{36\%}\nearrow~\decay{6.2}{61\,min} \isotope{208}{Tl} \decayb{5.0}{3.1\,min}~\searrow\\ \\ {}_{64\%}\searrow~\decayb{2.3}{61\,min} \isotope{212}{Po} \decay{9.0}{294\,ns}~\nearrow \end{array} \isotope{208}{Pb} \qquad \boxed{ \begin{array}{l} \xLongrightarrow{\mathrm{\upalpha-decay}}\\ \xlongrightarrow{\mathrm{\upbeta-decay}} \end{array} } \label{eq:228_th_decay_chain}\end{aligned}\] فِي سِلْسِلَةٍ تَحْلِل الثُورِيُوم-228، يُعْتَبَر الرَصاصِ-212 طَوِيلٍ العُمْرِ نِسْبِيّاً بِعُمْر نِصْفِ يَبْلُغ 10.6 ساعَةً، مِمّا يُوَفِّر طَيْفِ بَيْتا مُوَحَّداً أَقَلَّ مِن 200 كِيلُو إِلِكْترُون فَوَلَّت لَطاقَة الاِرْتِداد الإِلِكْترُونِيّ، وَمُعَدَّل حَدَثَ عالِي فَوْقَ هٰذِهِ الطاقَةِ. يَعُد هٰذا المَصْدَرُ ضَرُورِيّاً لَتَقْدِير الخَلْفِيَّةِ الإِلِكْترُونِيَّةِ لِلاِرْتِداد الَّتِي تُساهِم فِي مِنْطَقَةِ الاِهْتِمامِ بِالبَحْث عَن المادَّةُ المُظْلِمَة (XENON:2018voc). بُعْدَ الاِخْتِباراتِ فِي جِهازِ صَغِيرٍ (Lang:2016zde)، تَمَّ تَنْفِيذِ أَوَّلِ مَعايِره بِاِسْتِخْدامِ مَصْدَرٌ الرادون-220 فِي (XENON100) (XENON:2016rze). نَظَراً لِأَنَّ كُتْلَةِ المادَّةُ المُظْلِمَة النَشِطَةِ قَد زادَت مُنْذُ ذٰلِكَ الحِينِ بِمِقْدارِ 2 أَوامِر مِن حَيْثُ الحَجْمِ، فَإِنَّ مُعَدَّلِ اِنْبِعاث الرادون المَرْغُوب فِيهِ قَد زادَ لِإِنْتاجِ الإِحْصائِيّات المَطْلُوبَةِ لِلمُعايَرَة؛ فِي الوَقْتِ نَفْسِهِ، اِنْخَفَضَ مُعَدَّلِ الخَلْفِيَّةِ الإِلِكْترُونِيَّةِ لِلاِرْتِداد (الأَحْداثِ لِكُلِّ كِيلُو إِلِكْترُون فَوَلَّت × طُنٍّ × سَنَةً) بِمِقْدارِ 2 أَوامِر مِن حَيْثُ الحَجْمِ، مِمّا يَضَع حَدا صارِما عَلَى نَقاء الإِشْعاع لِلمَصْدَرِ مَعَ تَقْدِيرٍ أَكْثَرَ دِقَّةٍ لِلخَلْفِيَّة الإِشْعاعِيَّة. هٰذِهِ المُتَطَلَّباتِ لِلمَصْدَرِ حاسِمَةً لِلتَطْبِيقات لِلقِياسات ذاتِ الخَلْفِيَّةِ المُنْخَفِضَة.
يَتِمّ وَصَفَ تَصْمِيمِ مَصْدَرٌ الثُورِيُوم-228 فِي ، بَيْنَما يَتِمّ الإِبْلاغ عَن قِياسات مُعَدَّلِ اِنْبِعاث الرادون-220 والرادون-222 فِي وَ . لِمَنْعِ تَلَوُّثٍ التَجْرِبَةِ بِالثُورِيُوم-228 طَوِيلٍ العُمْرِ، تَمَّ اِسْتِبْعادِ إِطْلاقه بِواسِطَةِ قِياسُ يَتِمّ تَقْدِيمُهُ فِي . مُجْتَمِعَةً، تُؤَكِّد هٰذِهِ القِياسات أَنَّ هٰذا المَصْدَرُ يُلَبِّي أَو يَتَجاوَز مُتَطَلَّباتِ تَجْرِبَةِ ذاتِ خَلْفِيَّةِ مُنْخَفَضه مِثْلَ (XENONnT).
[sec:source] تَمَّ الحُصُولِ عَلَى أَرْبَعَةِ أَقْراص مَصْدَرٌ مِن الثُورِيُوم-228 مِن شَرِكَةِ ايكرت وزيغلر (EZAG)، بِنَشاطِ اِسْمَيْ يَبْلُغ حِوالِي 13.8 كيلوبكريل لِكُلِّ مِنها، فِي أَبْرِيل 2022. تَمَّ تَرْسِيب أُكْسِيد الثُورِيُوم-228 كَهْرَبائِيّاً عَلَى مِنْطَقَةِ نَشِطَةً بِقُطْرِ 5 مِمَّ فِي وَسَطَ كُلِّ قُرْص بلاتِين بِقُطْرِ 25.5 مِمَّ. لَم يَتِمّ إِضافَةً الغِطاءُ الذَهَبِيِّ المُعْتادُ عَلَى المِنْطَقَةِ النَشِطَةِ لِتَعْزِيزِ تُحَرِّر الرادون. تَمَّ وَضْعِ الأَقْراص الأَرْبَعَةِ فِي وِعاء تُحَرِّر مَعَ شفات مِن الفُولاذِ المُقاوِمَ لِلصَدا مِن نَوْعٍ كونفلات CF-50. تَمَّ تَثْبِيتُ المَصْدَرُ بِواسِطَةِ غَسّالات وَصَوامِيل كَبِيرَةٍ الحَجْمِ تَمَّ تَرْكِيبها عَلَى ثَلاثِ قُضْبانِ ملولبه مِن الفُولاذِ المُقاوِمَ لِلصَدا M6 تَمَّ تَثْبِيتها عَلَى شَفَةٍ عَمْياءَ CF-50. تَمَّ تَرْكِيبِ الأَقْراص بِحَيْثُ تَكُون الجَوانِبِ النَشِطَةِ مُتَقابِله، كَما هُوَ مُوَضِّح فِي الشَكْلِ المحذوف. لِتَقْلِيلِ التَلَوُّثِ، تَمَّ تَنْظِيفِ جَمِيعِ أَجْزاءِ هَيْكَلِ الدَعْمِ جَيِّداً قِبَلَ التَجْمِيع وِفْقاً لِلإِجْراء المُوَضِّح فِي (XENON:2021mrg).
خِلالَ القِياس، تَمَّ وَضْعِ التجميعه المُوَضِّحَة فِي الجِهَةِ اليُمْنَى مِن مُباشَرَةً داخِلَ حَجْمِ الكَشْفِ لِجِهازِ مُراقَبَةِ الرادون الكهروستاتيكي (Brunner:2017xsu)، وَالَّذِي يُظْهِر مَبْدَأ عَمَلِهِ فِي . يَتِمّ مِلْءِ حَجْمِ الكاشِف الكُرَوِيِّ الَّذِي يَبْلُغ أَرْبَعَةِ لِتْرات بِالنِيترُوجِين تَحْتَ ضَغْطِ زائِدَ قَلِيلاً يَبْلُغ 1050 مليبار وَيَتِمّ تَجْهِيزه بِثُنائِيّ أَقْطابُ سيليكون-بَيِّنَ مُثَبِّت عَلَى الحافَة العَلَوِيَّة. مِن خِلالَ تَطْبِيقِ جُهْدٍ سَأَلُبّ قَدَّرَهُ -1 كِيلُو فَوَلَّت، يَتِمّ جَمْعِ أُيُونات نَسْلِ الرادون المَشْحُونَة إِيجابِيّاً عَلَى سَطْحِ الثُنائِيِّ. يُمْكِن بُعْدَ ذٰلِكَ اِكْتِشافِ الجَسِيمات أَلْفاً المُنْبَعَثَةِ أَثْناءَ تَحْلُلها اللاحِقِ، فِي حالِ تَمَّ تَوْجِيهُها نَحْوَ الثُنائِيِّ. يُظْهِر طَيْفِ طاقَةِ الجَسِيمات أَلْفاً لَنَسْل الرادون المَجْمَعُ، مَعَ خُطُوطِ اِنْبِعاث واضِحَةٍ مِن \(^{216}\)Po، \(^{212}\)Bi وَ \(^{212}\)Po، كَما هُوَ مُتَوَقَّعٌ مِن سِلْسِلَةٍ الرادون \(^{220}\)Rn (). بَيْنَما تَتَطابَق مُعَدَّلاتِ الجَسِيمات أَلْفاً المَلْحُوظَةِ مَعَ التَوَقُّعاتِ مِن نِسْبَةَ التَفَرُّع المَعْرُوفَةِ لِ \(^{212}\)Bi، يُلاحِظ أَنَّ مُعَدَّلِ \(^{216}\)Po (المِنْطَقَةِ المشطبه بِاللَوْن الأَزْرَق) مَكْبُوت. وَهٰذا نَتِيجَةَ لِعُمَر النِصْفِ القَصِيرِ لِلنَظِير (145 مَلَلِي ثانِيَةً)، وَالَّذِي يَكُون مِن نَفْسِ تَرْتِيبَ الحَجْمِ كَمُدَّة عَمَلِيَّةِ الجَمْع الوَسِيطَة. لِذٰلِكَ، تَتَحَلَّل نِسْبَةَ مُعَيَّنَةٍ مِن أُيُونات \(^{216}\)Po أَثْناءَ طَرِيقِها، قِبَلَ الوُصُولِ إِلَى ثُنائِيٍّ السيليكون-بَيِّنَ. لاحَظَ أَنَّ هٰذا لا يُؤَثِّر عَلَى \(^{212}\)Po ذُو العُمْرِ الأُقْصُر، حَيْثُ يَتِمّ جَمْعِ نَظائِره الأُمُّ عَلَى الثُنائِيِّ مُباشَرَةً. الذُرْوَة الثانَوِيَّةِ عِنْدَ 10.8 ميغا إِلِكْترُون فَوَلَّت تَتَوافَق مَعَ اِنْتِقالات أَلْفاً طَوِيلَةٍ المَدَى النادِرَةِ بَيِّنَ \(^{212}\)Bi وَالحالَة الأَساسِيَّةِ لِ \(^{208}\)Pb الَّتِي تَحَدَّثَ فِي 0.014% مِن تَحَلُّلات أَلْفاً لِ \(^{212}\)Bi (Rytz:1951, Bertolini:1962, leang1965).
لِمَنْعِ عَدَمِ اليَقِينِ فِي مُعَدَّلِ \(^{216}\)Po بِسَبَبِ تَحْلُله أَثْناءَ الاِنْجِرافِ، يَتِمّ تَحْدِيدِ مُعَدَّلِ اِنْبِعاث الرادون \(^{220}\)Rn لِلمَصْدَرِ فَقَط مِن مُعَدَّلِ التَوازُنِ لَتَحَلُّلات \(^{212}\)Po. يَتِمّ اِخْتِيارُها ضِمْنَ المِنْطَقَةِ المشطبه بِاللَوْن الأَخْضَرِ المُوَضِّحَة فِي . يُقَدَّر جُزْء الأَحْداثِ الَّتِي تَقَع خارِجَ هٰذا الاِخْتِيارُ مِن تُناسِب لَلَطِيف وَيَبْلُغ 2%. بِسَبَبِ عُمَر النِصْفِ الطَوِيلِ البالِغِ 11 ساعَةً لَنَظِير \(^{212}\)Pb السابِقِ، تُظْهِر تَطَوُّرِ نَشاطِ \(^{212}\)Po زِيادَةِ مُتَأَخِّرَةٍ نَحْوَ قِيمَتُهُ التوازنيه. لِذٰلِكَ، يَجِب تَحْجِيم النَشاطِ الأُولَى \(A_\text{init}\big({}^{212}\text{Po}\big)\) الَّذِي يَتِمّ تَحْدِيدِهِ مِن فَتْرَةٍ زَمَنِيَّةٍ \([t_1, t_2]\) فِي بِدايَةِ القِياس، بِواسِطَةِ الجُزْء \(f_\text{eq}\big({}^{212}\text{Po}\big)\) الَّذِي تَمَّ الوُصُولِ إِلَيهِ لَنَشاطه التوازني (أَنْظُر ). نُحَدِّد هٰذا الجُزْء مِن حِسابِ تَحْلِيلِيٍّ (moral2003) مَعَ مُراعاةِ دِينامِيكِيّات سِلْسِلَةٍ التَحَلُّلُ الكامِلَةِ. لِتَقْلِيلِ تَأْثِيرِ تَراكُمِ الشَحْنَةِ المَحَلِّيِّ الناجِمِ عَن النَشاطِ العالِي لِلمَصْدَرِ، تَمَّ اِخْتِيارِ فَتْرَةٍ زَمَنِيَّةٍ تَقْرِيباً 6 ساعاتٍ (\(t_1=20\,\text{min}, t_2=240\,\text{min}\)) مِن فَتْرَةٍ القِياس الَّتِي اِسْتَمَرَّت أَرْبَعَةِ أَيّامٍ. بِسَبَبِ الزِيادَةِ الحادَّةِ فِي مُعَدَّلِ \(^{212}\)Po فِي بِدايَةِ القِياس، فَإِنَّ التَأْخِيرِ بَيِّنَ بَدْء جَمْعِ نَسْلِ الرادون وَبَدْء اِكْتِساب البَياناتِ قَد يُؤَدِّي إِلَى تُغَيِّر يَصِل إِلَى 8% مِن النَتِيجَةُ النِهائِيَّةِ. تَمَّ تَقْدِيرٍ ذٰلِكَ مِن خِلالَ تَحْوِيلِ نافِذَةٍ الزَمَنِ المُخْتارَة \([t_1, t_2]\) بِمِقْدارِ \(\pm\)5 دَقائِقِ فِي كُلّاً الاِتِّجاهَيْنِ.
أَخِيراً، يَجِب أَخَذَ كَفاءَةِ الكَشْفِ الكُلِّيَّةِ للرادون \(^{220}\)Rn فِي الاِعْتِبارِ. نَظَراً لِعَدَمِ تُوَفِّر مَصْدَرٌ مَرْجِعَيَّ للرادون \(^{220}\)Rn، لَم يَتِمّ قِياسه مُباشَرَةً. لِذٰلِكَ، تَمَّ اِتِّباعِ النَهْجِ المُطْبَقَ فِي (Lang:2016zde)، وَتَمَّ تَقْدِيرٍ الكَفاءَة بِاِسْتِخْدامِ الكَفاءَة لَنَظِير الرادون \(^{222}\)Rn. تَمَّ قِياسُ الأَخِيرِ لَجِهازنا تَحْتَ ظُرُوفٍ مُماثِلَةٍ لِيَكُون \(\epsilon\big({}^{222}\mathrm{Rn}\,\big|\,{}^{214}\mathrm{Po}\big) = (35\pm2)\%\) (Jorg:2022tli, Jorg:2022spz)، عِنْدَ اِسْتِخْدامِ مُعَدَّلِ الكَشْفِ لَنَظِير الرادون الأُمُّ \(^{214}\)Po حَصْرِيّا. نَظَراً لِأَنَّ \(^{212}\)Po وَ \(^{214}\)Po يُظْهَرانِ فِي نَفْسِ المَوْقِعِ عَلَى طُولِ سِلْسِلَةٍ التَحَلُّلُ الخاصَّةِ بِهِما، يَجِب أَنَّ تَكُون اِحْتِمالَيْهِ جَمَعَهُما مُتَشابِهَةً جِدّاً. بُعْدَ مُراعاةِ نِسْبَةَ التَفَرُّع البالِغَةِ 64% لِ \(^{212}\)Bi (أَنْظُر سِلْسِلَةٍ التَحَلُّلُ فِي )، يُمْكِن اِفْتِراضِ كَفاءَةِ كَشَفَ قَدْرُها \(\epsilon\big({}^{220}\mathrm{Rn}\,\big|\,{}^{212}\mathrm{Po}\big) = (22.4 \pm 1.3)\%\) للرادون \(^{220}\)Rn. نَعْزُو عَدَمِ اليَقِينِ الإِضافِيّ البالِغِ 1.4% لِلمَناطِقِ الخالِيَةِ مِن الحَقْل الَّتِي تُوَلِّدها وُجُودِ مَصْدَرٌ الرادون \(^{220}\)Rn (عَلَى سَبِيلِ المِثالِ، أَسْفَل تَجْمِيعه المَصْدَرُ)، حَيْثُ لا يُمْكِن جَمْعِ أَيّ أُيُونات.
يُعْطَى مُعَدَّلِ اِنْبِعاث الرادون \(^{220}\)Rn \(R\big(\mathrm{^{220}Rn}\big)\) لِلمَصْدَرِ بِواسِطَةِ \[\begin{aligned} R\big(\mathrm{^{220}Rn}\big) = \frac{1}{\epsilon\big({}^{220}\mathrm{Rn}\,\big|\,{}^{212}\mathrm{Po}\big)}\cdot \frac{A_\text{init}\big({}^{212}\text{Po}\big)}{f_\text{eq}\big({}^{212}\text{Po}\big)} \,,\label{eq:rn220_conversion}\end{aligned}\] وَيَتِمّ الحُصُولِ عَلَى قِيمَةَ \(R\big(\mathrm{^{220}Rn}\big) = (8.2\pm0.8)\,\mathrm{kBq}\). تَتَوافَق الشُكُوكَ مَعَ مَجْمُوعُ مُرَبَّعاتٍ المُساهَماتِ المُناقَشَةِ أَعْلاه، حَيْثُ وَجَدَ أَنَّ عَدَمِ اليَقِينِ الإِحْصائِيّ ضَئِيلٍ. كَفاءَةِ اِنْبِعاث الرادون المقاسه هِيَ 15%، وَالَّتِي تُشِير إِلَى نِسْبَةَ الرادون \(^{220}\)Rn الَّذِي يَنْبَعِث مِن المَصْدَرُ مُقارَنَةً بِالكَمِّيَّة الإِجْمالِيَّةُ المُنْتِجَةِ مِن تَحْلِل \(^{228}\)Th. هٰذِهِ النَتِيجَةُ متوافقه مَعَ تِلْكَ الخاصَّةِ بِمَصْدَر الرادون فِي المَرْجِعِ (Chott:2022lnc)، ثَلاثِ مَرّاتٍ أَكْثَرَ مِن المَصْدَرُ الَّذِي أَنْتَجَتْهُ PTB (أَلْمانِيا) لِ XENON1T (Lang:2016zde)، وَثَلاثَةٌ أَوامِر مِن حَيْثُ الحَجْمِ أَعْلَى مِن مَصادِرُ المَرْكَباتِ الثَوْرِيَّةِ الطَبِيعِيَّةِ (Ma:2020kll). يُعْزَى هٰذا التَحَسُّنِ إِلَى زِيادَةِ مِساحَةِ السَطْحِ، الَّتِي تَمَّ تَحْقِيقِها مِن خِلالَ تَوْزِيعِ النَشاطِ الإِجْمالِيِّ بَيِّنَ أَرْبَعَةِ أَقْراص فَرْدِيَّةٍ، مِمّا أَدَّى إِلَى الحُصُولِ عَلَى إِطْلاقِ رادون أَكْثَرَ كَفاءَةِ.
نَظَراً لَطُول عُمَر النِصْفِ لِلنَظِير \(^{222}\)Rn (\(\mathrm{T_{1/2}}=3.8\)أَيّامٍ)، يَجِب مَنْعِ تَبَعْثَرَ هٰذا النَظِير بِشَكْلٍ مُفْرِط إِلَى جِهازِ الكَشْفِ XENONnT. لَقِياس مُعَدَّلِ تَبَعْثَرَ النَظِير \(^{222}\)Rn، تَمَّ مِلْءِ وِعاء المَصْدَرُ بِالهِيلِيُوم وَتَرْكُ لِتَراكُم الرادون لِعِدَةِ أَيّامٍ. ثُمَّ نَقْلِ الغازِ إِلَى وِعاء تَوَسُّعه مُفْرَغ مِن الهَواءِ بِسَعَةِ 20 لِتَرَ، حَيْثُ تَرَكَ النَظِير \(^{220}\)Rn قَصِيرٍ العُمْرِ لِيَتَحَلَّل إِلَى مُسْتَوَى يُمْكِن إِهْماله خِلالَ 4.5 ساعاتٍ. ثُمَّ تَمَّ اِسْتِخْراج النَظِير \(^{222}\)Rn المُتَبَقِّي، وَتَنْقِيَته وَجَمَعَهُ بِواسِطَةِ فَخِّ الكَرْبُون المُنَشِّطِ الَّذِي يَبْرُد إِلَى دَرَجَةِ حَرارَةُ النِيترُوجِين السائِل (Aprile:2020rn).
يَتِمّ بُعْدَ ذٰلِكَ نَقْلِ هٰذا الرادون مَعَ خَلِيطِ غازِ العَدّ الَّذِي يَتَكَوَّن مِن 90% أَرْجُون وَ 10% ميثان (P10) إِلَى عِدادِ نِسْبِيٍّ مُصَغَّر (Aprile:2020rn, Zuzel:2009). عَلَى الرَغْمِ مِن أَنَّ هٰذِهِ العَدّاداتِ النَقِيَّةِ إِشْعاعِيّا لا تَسْمَح بِإِعادَةِ بِناءَ طَيْفِي كامِلٍ لَطِيف أَلْفاً الرادون، يُمْكِن فَصْلِ تَحَلُّلات أَلْفاً بِوُضُوحٍ عَن الأَحْداثِ الخَلْفِيَّةِ الناتِجَةِ عَن الميونات، أَو أَشِعَّة بَيْتا أَو أَشِعَّة غاما. وَبِالتالِي، نَسْتَخْدِم هٰذِهِ الأَجْهِزَةِ كَعَدّادات بَسِيطَةً بِعَتَبَة طاقَةِ ثابِتَةٍ تَبْلُغ 50 كِيلُو إِلِكْترُون فَوَلَّت. نَقُوم بِمَعايِره إِجْمالِيِّ نَقْلِ النَظِير \(^{222}\)Rn وَكَفاءَة العَدّ بِاِسْتِخْدامِ مَحْلُول قِياسِيٌّ حَمْضِي مِن النَظِير \(^{226}\)Ra الَّذِي يُنْتِج كَمِّيَّةِ مَعْرُوفَةٍ مِن النَظِير \(^{222}\)Rn. مِن جَمِيعِ تَحَلُّلات أَلْفاً لِسِلْسِلَةٍ تَحْلِل النَظِير \(^{222}\)Rn، يَتِمّ تَسْجِيلِ (1.48\(\pm\)0.06) حَدَثَ أَلْفاً لِكُلِّ ذَرَّةٍ رادون، فِي المُتَوَسِّطِ (Aprile:2020rn).
تَمَّ إِجْراءِ قِياسَيْنِ مِن هٰذا النَوْعِ، وَكَشَفا بِاِسْتِمْرارٍ عَن مُعَدَّلِ تَبَعْثَرَ النَظِير \(^{222}\)Rn يَبْلُغ (3.62\(\pm\)0.14) مَيْلِي بيكريل. بِما أَنَّ المَصْدَرُ السابِقِ لِلنَظِير \(^{228}\)Th الَّذِي أَنْتَجَتْهُ PTB (أَلْمانِيا) لَم يُظْهِر أَيّ تَبَعْثَرَ مَلْحُوظٍ لِلنَظِير \(^{222}\)Rn فَوْقَ <50\(\upmu\)Bq (Lang:2016zde)، كانَ هٰذا الاِكْتِشافِ غَيْرِ مُتَوَقَّعٌ. بِما أَنَّ المَرْجِعِ (Chott:2022lnc) أَبْلَغَ عَن تَبَعْثَرَ مُماثِلٍ لِلنَظِير \(^{222}\)Rn مِن مَصْدَرٌ مُشابِهٍ تَمَّ تَصْنِيعِهِ بِواسِطَةِ Eckert & Ziegler، مِن المُحْتَمَلِ أَنَّ يَتِمّ إِطْلاقِ النَظِير \(^{222}\)Rn بِواسِطَةِ شَوائِبُ ضَئِيلَةً تَمَّ إِدْخالُها خِلالَ عَمَلِيَّةِ الإِنْتاجِ. تَحْتَ اِفْتِراضِ أَنَّ كُلّاً مِن نَظائِر الرادون لَهُما نَفْسِ نِسْبَةَ التَبَعْثُر، يُمْكِن تَقْدِيرٍ مُسْتَوَى شَوائِبُ النَظِير \(^{226}\)Ra فِي إِيداع النَظِير \(^{228}\)Th بِأَنَّهُ 350 جُزْء فِي المِلْيُونِ.
بَيْنَما يُمَثِّل تَبَعْثَرَ النَظِير \(^{222}\)Rn مِن هٰذا المَصْدَرُ حِوالِي 10% مِن إِجْمالِيِّ تَبَعْثَرَ النَظِير \(^{222}\)Rn لِتَجْرِبَةِ XENONnT (XENON:2021mrg)، مِن المُتَوَقَّعِ أَنَّ يُصْبِح تَأْثِيرِهِ ثانَوِيّا تَقْرِيباً بُعْدَ أُسْبُوعٍ واحِدٍ مِن نِهايَةِ مَعايِره النَظِير \(^{220}\)Rn. يَتِمّ تَقْلِيلِ هٰذا الوَقْتِ الانتظاري أَكْثَرَ بِواسِطَةِ نِظامِ إِزالَةِ الرادون لِتَجْرِبَةِ XENONnT (Murra:2022mlr) وَبِالتالِي لَن يُؤَثِّر بِشَكْلٍ مَلْحُوظٍ عَلَى كَفاءَةِ جَمْعِ البَياناتِ. وَمَعَ ذٰلِكَ، قَد لا يَكُون هٰذا صَحِيحاً بِالضَرُورَةِ بِالنِسْبَةِ لِلتَجارِبِ الكَبِيرَةِ المُسْتَقْبَلِيَّةِ، مِثْلَ DARWIN/XLZD (DARWIN:2016hyl, Aalbers:2022dzr) وَ nEXO (nEXO:2021ujk)، نَظَراً لِمُتَطَلَّباتِ الخَلْفِيَّةِ الأَكْثَرَ صَرامَةٍ. لِذٰلِكَ، سَيَكُون مِن المُفِيدِ التَحْقِيقِ فِي إِمْكانِيّات تَحْدِيدِ مَصْدَرٌ هٰذِهِ الشَوائِبِ مِن أَجْلِ التَخْفِيفِ مِنها فِي إِنْتاجِ المَصادِرُ المُسْتَقْبَلِيَّةِ.
يَجِب تَجَنُّبِ التَلَوُّثِ بِالثُورِيُوم \(^{228}\)Th وَمُنْتَجات اِضْمِحْلاله فِي جَمِيعِ مُكَوِّناتِ تَجْرِبَةِ XENONnT. لِذٰلِكَ، يَجِب ضَمانِ عَدَمِ إِطْلاقِ الثُورِيُوم مِن المَصْدَرُ. لِاِخْتِبارِ ذٰلِكَ، تَمَّ شَطَفَ المَصْدَرُ لِمُدَّةِ 9 أَيّامٍ بِالأَرْجُون بِمُعَدَّلِ تَدَفُّقِ 700 SCCM بِاِسْتِخْدامِ التَرْتِيبِ المُوَضِّح فِي autoref. تَمَّ جَمْعِ المُكَوِّناتِ غَيْرِ الغازِيَّةِ فِي تَيّارِ الأَرْجُون بِواسِطَةِ فَلِتَرَيْنَ مِن غِشاء PTFE بِحَجْمِ 0.2 \(\upmu\)m. لِلتَحَقُّقِ مِن التَلَوُّثِ المُحْتَمَلِ بِالثُورِيُوم \(^{228}\)Th، تَمَّ قِياسُ الفلترين السُفْلِيَّيْنِ (F1 وَ F2) بِاِسْتِخْدامِ مطيافات الجرمانيوم عالِيَةٍ النَقاء (HPGe) المَوْجُودَةِ تَحْتَ الأَرْضِ عَلَى عُمْقِ 15 مِتْراً مِن الماءِ المُكافِئ (Laubenstein:2004). تَمَّ تَقْيِيمِ النَشاطِ عَلَى كُلّاً الفلترين مِن خِلالَ نَسْلِ الثُورِيُوم \(^{228}\)Th، الرَصاصِ \(^{212}\)Pb. لِهٰذا، تَمَّ اِسْتِخْدامِ مُتَوَسِّطُ مُرَجِّح لَخَطّ اِنْبِعاث غاما الخاصِّ بِهِ عِنْدَ 238.6 keV بِالإِضافَةِ إِلَى خَطَّيْنِ مِن نَسْلِ النَظِير \(^{208}\)Tl (583.2 keV وَ 2614.5 keV)، وَالَّذِي يُشار إِلَيهِ فِيما يَلِي بِنَشاطِ الرَصاصِ \(^{212}\)Pb.
يُظْهِر تَطَوُّرِ النَشاطِ مَعَ الزَمَنِ فِي autoref. النَشاطِ عَلَى الفلتر الرَئِيسِيُّ (F1) يُهَيْمِن عَلَيهِ فِي البِدايَةِ الرَصاصِ \(^{212}\)Pb المُتَراكِم فِي طَبَقَةٌ خارِجِيَّةِ مِن نَسْلِ الرادون \(^{220}\)Rn. يَتَلاشَى هٰذا الإِسْهامِ بِسُرْعَةٍ مَعَ عُمَر نِصْفِ يَبْلُغ حِوالِي 11 ساعَةً (الخَطِّ المُتَقَطِّع بِاللَوْن الأَزْرَق الفاتِحِ فِي autoref). بُعْدَ ذٰلِكَ، يَتْبَع التَطَوُّرِ اِضْمِحْلال الرادِيُوم \(^{224}\)Ra، الَّذِي يَتِمّ إِطْلاقه عَن طَرِيقِ الاِرْتِداد مِن المَصْدَرُ وَلَهُ عُمَر نِصْفِ يَبْلُغ 3.6 أَيّامٍ (الخَطِّ المُتَقَطِّع بِاللَوْن الأَزْرَق المُتَوَسِّطِ). أَخِيراً، سَيَتَسَبَّب إِسْهامٌ مِن الثُورِيُوم \(^{228}\)Th فِي نَشاطِ مُسْتَمِرٍّ وَثابِت. نَظَراً لِعَدَمِ وُجُودِ نَشاطِ قابِلٌ لِلكَشْفِ بُعْدَ 42 يَوْماً، يُمْكِن وَضْعِ حَدٍّ أَعْلَى يَبْلُغ \(\leq\) 1.7 mBq بِنِسْبَةِ 90% C.L. كَما هُوَ مُوَضِّح بِالمِنْطَقَةِ المُظَلِّلَة بِاللَوْن الأَزْرَق أَلَدّاكُنَّ. هٰذا كافٍ بِالنَظَرِ إِلَى مُتَطَلَّباتِ تَجْرِبَةِ XENONnT. تَطَوُّرِ النَشاطِ للفلتر الخَلْفِيِّ (F2) يَتْبَع اِضْمِحْلال الرَصاصِ \(^{212}\)Pb دُونِ أَيّ دَلالَةٍ عَلَى وُجُودِ الرادِيُوم \(^{224}\)Ra. هٰذا يُشِير إِلَى أَنَّ جَمِيعِ المُكَوِّناتِ غَيْرِ النَبِيلَةِ قَد تَمَّ جَمَعَها بِالفِعْلِ بِواسِطَةِ الفلتر الرَئِيسِيُّ (F1). يَتِمّ بُعْدَ ذٰلِكَ جَمْعِ نَسْلِ الرادون \(^{220}\)Rn المُنْتِجِ بَيِّنَ F1 وَ F2 عَلَى الفلتر الخَلْفِيِّ.
مَصادِرُ المُعايَرَة الداخِلِيَّةِ هِيَ أَداةٌ أَساسِيَّةٍ لَمَعايِره أَجْهِزَةِ الكَشْفِ عَن الزينون السائِل ذاتِ الحَجْمِ الكَبِيرِ المُسْتَخْدَمَةِ فِي البَحْثِ عَن الأَحْداثِ النادِرَةِ. فِي هٰذا العَمَلِ، قُمْنا بِتَوْصِيف مَصْدَرٌ جَدِيدٍ مِن \(^{228}\)Th، وَالَّذِي تَمَّ تَرْكِيبَة بُعْدَ ذٰلِكَ وَتَطْبِيقه بِنَجاحٍ فِي تَجْرِبَةِ XENONnT. يُنْتِج هٰذا المَصْدَرُ الغازِيّ \(^{220}\)Rn، الَّذِي يُمْكِن إِدْخاله وَخَلْطه فِي الزينون السائِل وَيُسْمَح بِمَعايِره مُتَجانِسه مِن خِلالَ إِشاراتٍ الاِرْتِداد الإِلِكْترُونِيّ ذاتِ الطاقَةِ المُنْخَفِضَة الناتِجَةِ عَن تَحْلِل \(^{212}\)Pb.
المَصْدَرُ الجَدِيدِ يَتَكَوَّن مِن أَرْبَعَةِ أَقْراص مُطِلَّيْهِ ب \(^{228}\)Th مُتَوَفِّره تِجارِيّاً. أَظْهَرَ هٰذا التَصْمِيمِ تَحْسِينا فِي مُعَدَّلِ اِنْبِعاث \(^{220}\)Rn مُقارَنَةً بِمَصادِرِ مُماثِلَةٍ المُسْتَخْدَمَةِ فِي تَجارِبِ أُخْرَى (Lang:2016zde, Ma:2020kll). عَلَى الرَغْمِ مِن وُجُودِ مُعَدَّلِ اِنْبِعاث \(^{222}\)Rn غَيْرِ مُتَوَقَّعٌ وَكَبِيرِ، إِلّا أَنَّ المَصْدَرُ لا يَزال متوافقا مَعَ التَطْبِيقِ فِي تَجْرِبَةِ XENONnT. عِلاوَةً عَلَى ذٰلِكَ، تَمَّ اِسْتِبْعادِ إِطْلاقِ \(^{228}\)Th طَوِيلٍ العُمْرِ مِن المَصْدَرُ تَجْرِيبِيّا. نَحْنُ نُلَخِّص نَتائِجِ قِياساتنا فِي . سَتَكُون المَصادِرُ الغازِيَّةِ الَّتِي تُوَفِّر اِنْبِعاث \(^{220}\)Rn أَداةٌ مُهِمَّةً أَيْضاً لِلجِيلِ القادِمِ مِن أَجْهِزَةِ الكَشْفِ عَن الزينون السائِل مِثْلَ nEXO (nEXO:2021ujk) وَ DARWIN/XLZD (Aalbers:2016jon).
تَمَّ دَعْمِ هٰذا العَمَلِ مِن قِبَلَ المُؤَسَّسَةِ الوَطَنِيَّةِ لِلعُلُومِ مِن خِلالَ المِنْحَةِ #2112803 بِالإِضافَةِ إِلَى مُؤَسَّسَةِ بُحُوثٍ بُورْدُو. نَحْنُ نُقَدِّر دَعْمِ مُجْتَمَعٍ ماكْس بَلّانكَ وَنَوَدّ أَنَّ نَشْكُر فَنِّيَّيَّ MPIK، جوناس ويسترمان وَمايْكِل ريسفيلدر، عَلَى مُساعَدَتُهُم.