低本底热中子探测技术研究与应用

发布时间：2020-09-15 19:02

　　地下实验室由于其出色的宇宙线屏蔽能力,成为诸如暗物质直接探测、无中微子双β衰变等重大基础性前沿课题的理想实验场所。这些课题所探测的对象具有极低的事例率,对系统本底的理解和控制成为这类实验的关键。中子是众多本底来源中非常重要的一种,本论文的核心研究问题是低本底热中子探测技术。~3He正比管是一种非常适合用于低本底热中子测量的探测器,但商业~3He正比管难以直接满足通量在10~(-7)cm~(-2)s~(-1)以下的热中子测量需求。论文围绕降低热中子探测下限(MDA)这一目标,提出了两种方法:沉积能量-上升时间方法和电流波形甄别方法。沉积能量-上升时间方法在优化探测器沉积能谱的基础上,结合上升时间法进一步降低系统MDA。论文首先对影响该方法MDA的因素进行分析,并给出它们之间的定量关系。然后围绕这些因素,以沉积能谱优化为目标完成探测器的设计。为了对正比管本底的特性及其分布位置进行研究,论文提出了位置灵敏正比管以及~4He对比管相结合的探测器设计方案。电子学读出系统同时获取时间和能量信息,以便运用上升时间法进一步降低本底。基于沉积能量-上升时间方法而研制的低本底热中子探测系统的MDA比商业~3He正比管低约十倍,但~3He用量不到后者的四分之一。论文基于~3He正比管中子事例的双峰现象,还提出了一种基于电流波形的甄别方法。论文首先对电流波形甄别方法的原理、影响甄别效果的探测器关键指标等展开理论分析。在此基础上,选择一款合适的商业~3He正比管构建了一套基于电流波形甄别方法的低本底热中子探测系统。论文对电流波形甄别方法的效果及其理论分析进行了实验验证,还同时从实验结果和理论分析两方面研究了上升时间法的局限性,并对论文提出的两种方法进行了对比。实验结果表明,电流波形甄别方法能够将MDA降低一个量级以上。论文最终将设计的低本底热中子探测系统应用于中国锦屏地下实验室(CJPL)的热中子本底测量,并给出了CJPL I期、II期,以及中国暗物质实验(CDEX)多级屏蔽体内部热中子通量的测量结果。这不仅对本论文研究的低本底热中子探测技术进行了实验验证,对CDEX实验和CJPL的建设也有着重要的积极意义。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：O571.53
【部分图文】：

μ子,通量,宇宙线,本底

背景介绍地下实验室子探测系统的本底按照来源可以分为两类：宇宙线直接或者间接产，环境、建筑材料所含放射性核素产生的电离辐射。在地面实验室，本底是探测系统本底最主要的来源[1]。宇宙线大约 90%的成分是质α粒子，剩下的是少量的电子和更重元素的原子核[2]。宇宙线进入地与大气分子相互作用产生大量的次级粒子，如μ子，γ光子，中子，电级粒子抵达地面构成了地面主要的辐射本底。上述次级粒子在穿越被不同程度地衰减，因此在设计对本底高度敏感的实验（低本底实们将目光投向了地下。下实验室一般依靠山体隧道或者矿井而建设，由于被厚厚的岩层覆的本底比地面要低得多。图 1.1 表明具有很强穿透能力的μ子，其通室深度的增加而迅速降低，图中横坐标单位为等效水深，采用该单位不同岩石成分、山体形状和深度的地下实验室对宇宙线的屏蔽能力

位置分布,位置分布,低本底,物理学前沿

第 1 章引言众多物理学的前沿问题所探测的信号具有非常低的预期计数率，比如暗物质探测、无中微子双β衰变测量、中微子振荡和质子衰变等[4-7]，这些实验对探测系统的本底都有很高的要求。地下实验室由于具有良好的宇宙线屏蔽能力，能够为这些低本底粒子物理实验提供良好的低本底实验环境。作为众多物理学前沿问题的重要研究场所，地下实验室实际上已经成为一项重要的科研基础设施。目前，国际上正在运行的地下实验室一共有十几处，主要地下实验室的分布情况如图 1.2 所示。这些实验室的岩层覆盖厚度从几百到两千多米不等，地下实验空间相差也很大，从几百个立方米到十几万立方米均有。在这些实验室当中所开展的实验研究，不仅包括前文所提到的受益于地下实验低辐射水平的粒子物理实验，还涵盖了诸多其他领域：岩土力学、地球科学等等[8]。接下来分别简要介绍颇具代表性的几处地下实验室。

岩土施工,垂直岩层,隧道,凉山州

第 1 章引言年建成并投入使用。实验室位于四川省凉山州锦屏山隧道中部，垂直岩层覆盖达2400 m，是世界上最深的地下实验室，有着最低的宇宙线μ子通量水平（2.0 0.410 cm s ）[3]。二期（CJPL-II）从 2014 开始建设，目前已经完成了全部的岩土施工。CJPL-II 由四个14 m 14 m 130 m的实验大厅和连接隧道组成，容积从一期的 4000 m3扩大到了 96000 m3[11]。图 1.3 是 CJPL-I 和 CJPL-II 的结构简图。

【参考文献】