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暗物质探测器用液氙低温精馏系统的研制与结果分析 CoNSTRUCTIoNANDRESULTINGANALYSIS0FCRYoGENICDISTILLATIoNoF XENoNFoRDARKMATTERDETECToR LIQUID 王舟鲍磊郝熙欢巨永林。 上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240 educn }通讯作者：联系电话：021E—mail：yju@sjtu 摘要：针对如何降低暗物质探测器的探测介质液氙中放射性氪一85含量，从而获得高纯度氙的问题，设 计并研制出一种将氪从氙中提取出来以获得高纯度氙气的高效低温精馏系统。该精馏系统中的主要结构精 9m， 馏塔采用填料塔形式，填料为高效新型规整填料PACK一13C，塔高4m，直径80mm，其中精馏段1 提馏段2 10。9降低到10。12，这对要求高精度、高灵敏度、低本底的大型暗物质探测器的研制至关重要。该精馏塔系 统己顺利连续运行并成功提纯了400ks液氙，提纯出的液氙将作为探测介质用于中国暗物质探测器研制 fPandaX项目)中。 关键词：低温精馏，氪去除，高纯度氙，暗物质探测器 0前言 的氪以满足暗物质探测器的高精度需求。本文根据 低温精馏系统的设计原理，设计并研制了一套低温 氙具有极高的发光强度、低能量阈和高能分辨 精馏系统，可将氙中氪的浓度从10-9降低到10-12， 率的特点，故液氙常被用作航空航天及粒子物理探 用以满足暗物质探测器对其介质液氙的要求。 54) 测器中的介质材料『1—4]。氙的原子序数较高(Z 且液氙的密度较高(39／cm3)般有长期存在的放 射性同位素，这有助于减少环境污染(如铀和钍污 1精馏系统的结构设计 染中的，射线和∥射线)，故是暗物质探测实验中 在1个大气压下，氙的沸点为165K，而氪的沸 点为120K。在原理上可以通过精馏实现氪和氙的分 的优质探测介质。 离。本文采用精馏塔的经典设计方法 氙是通过空气提取获取的，在空气中，氙气的 浓度为～10-7mol／mol，氪的浓度是～10-6mol／mol。 达到暗物质探测器对其介质的要求，所设计的精馏 用蒸馏或吸附方法生产的氙气，可满足一般的应用 塔需满足以下条件： 要求，其氙中氪的含量为10-9～10-6mol／mol。85Kr (1)产品氙中氪的浓度应当小于原料氙中氪的浓度 是一种放射性原子核，半衰期是1076年，衰减后 3个数量级，即。。：』一。。。，其中原料氙中氪与氙 成为铷一85，会放射出∥射线，其放射能量最大可达 687keV，且其放射比为9957％。85Kr在空气中的的摩尔比x。：3×10。m。f／m。f错误!未找到引用源。， 浓度测量值大约是1Bq／m3『5]，相当于85Kr 故产品氙中氪与氙的摩尔比应为错误!未找到引用 ／Kr=10-1 1左右。而在暗物质探测器中，在85Kr的 源。。 含量低于～10-23mol／mol的情况下，才可探知暗物