地下實驗室由于其出色的宇宙線屏蔽能力,成為諸如暗物質(zhì)直接探測、無中微子雙β衰變等重大基礎(chǔ)性前沿課題的理想實驗場所。這些課題所探測的對象具有極低的事例率,對系統(tǒng)本底的理解和控制成為這類實驗的關(guān)鍵。中子是眾多本底來源中非常重要的一種,本論文的核心研究問題是低本底熱中子探測技術(shù)。~3He正比管是一種非常適合用于低本底熱中子測量的探測器,但商業(yè)~3He正比管難以直接滿足通量在10~(-7)cm~(-2)s~(-1)以下的熱中子測量需求。論文圍繞降低熱中子探測下限(MDA)這一目標(biāo),提出了兩種方法:沉積能量-上升時間方法和電流波形甄別方法。沉積能量-上升時間方法在優(yōu)化探測器沉積能譜的基礎(chǔ)上,結(jié)合上升時間法進(jìn)一步降低系統(tǒng)MDA。論文首先對影響該方法MDA的因素進(jìn)行分析,并給出它們之間的定量關(guān)系。然后圍繞這些因素,以沉積能譜優(yōu)化為目標(biāo)完成探測器的設(shè)計。為了對正比管本底的特性及其分布位置進(jìn)行研究,論文提出了位置靈敏正比管以及~4He對比管相結(jié)合的探測器設(shè)計方案。電子學(xué)讀出系統(tǒng)同時獲取時間和能量信息,以便運用上升時間法進(jìn)一步降低本底。基于沉積能量-上升時間方法而研制的低本底熱中子探測系統(tǒng)的MDA比商業(yè)~3He正比管低約十倍,但~3He用量不到后者的四分之一。論文基于~3He正比管中子事例的雙峰現(xiàn)象,還提出了一種基于電流波形的甄別方法。論文首先對電流波形甄別方法的原理、影響甄別效果的探測器關(guān)鍵指標(biāo)等展開理論分析。在此基礎(chǔ)上,選擇一款合適的商業(yè)~3He正比管構(gòu)建了一套基于電流波形甄別方法的低本底熱中子探測系統(tǒng)。論文對電流波形甄別方法的效果及其理論分析進(jìn)行了實驗驗證,還同時從實驗結(jié)果和理論分析兩方面研究了上升時間法的局限性,并對論文提出的兩種方法進(jìn)行了對比。實驗結(jié)果表明,電流波形甄別方法能夠?qū)DA降低一個量級以上。論文最終將設(shè)計的低本底熱中子探測系統(tǒng)應(yīng)用于中國錦屏地下實驗室(CJPL)的熱中子本底測量,并給出了CJPL I期、II期,以及中國暗物質(zhì)實驗(CDEX)多級屏蔽體內(nèi)部熱中子通量的測量結(jié)果。這不僅對本論文研究的低本底熱中子探測技術(shù)進(jìn)行了實驗驗證,對CDEX實驗和CJPL的建設(shè)也有著重要的積極意義。
【學(xué)位單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：O571.53
【部分圖文】：

背景介紹 地下實驗室子探測系統(tǒng)的本底按照來源可以分為兩類：宇宙線直接或者間接產(chǎn)，環(huán)境、建筑材料所含放射性核素產(chǎn)生的電離輻射。在地面實驗室，本底是探測系統(tǒng)本底最主要的來源[1]。宇宙線大約 90%的成分是質(zhì)α粒子，剩下的是少量的電子和更重元素的原子核[2]。宇宙線進(jìn)入地與大氣分子相互作用產(chǎn)生大量的次級粒子，如μ子，γ光子，中子，電級粒子抵達(dá)地面構(gòu)成了地面主要的輻射本底。上述次級粒子在穿越被不同程度地衰減，因此在設(shè)計對本底高度敏感的實驗（低本底實們將目光投向了地下。下實驗室一般依靠山體隧道或者礦井而建設(shè)，由于被厚厚的巖層覆的本底比地面要低得多。圖 1.1 表明具有很強(qiáng)穿透能力的μ子，其通室深度的增加而迅速降低，圖中橫坐標(biāo)單位為等效水深，采用該單位不同巖石成分、山體形狀和深度的地下實驗室對宇宙線的屏蔽能力

第 1 章 引言眾多物理學(xué)的前沿問題所探測的信號具有非常低的預(yù)期計數(shù)率，比如暗物質(zhì)探測、無中微子雙β衰變測量、中微子振蕩和質(zhì)子衰變等[4-7]，這些實驗對探測系統(tǒng)的本底都有很高的要求。地下實驗室由于具有良好的宇宙線屏蔽能力，能夠為這些低本底粒子物理實驗提供良好的低本底實驗環(huán)境。作為眾多物理學(xué)前沿問題的重要研究場所，地下實驗室實際上已經(jīng)成為一項重要的科研基礎(chǔ)設(shè)施。目前，國際上正在運行的地下實驗室一共有十幾處，主要地下實驗室的分布情況如圖 1.2 所示。這些實驗室的巖層覆蓋厚度從幾百到兩千多米不等，地下實驗空間相差也很大，從幾百個立方米到十幾萬立方米均有。在這些實驗室當(dāng)中所開展的實驗研究，不僅包括前文所提到的受益于地下實驗低輻射水平的粒子物理實驗，還涵蓋了諸多其他領(lǐng)域：巖土力學(xué)、地球科學(xué)等等[8]。接下來分別簡要介紹頗具代表性的幾處地下實驗室。

第 1 章 引言年建成并投入使用。實驗室位于四川省涼山州錦屏山隧道中部，垂直巖層覆蓋達(dá)2400 m，是世界上最深的地下實驗室，有著最低的宇宙線μ子通量水平（2.0 0.410 cm s ）[3]。二期（CJPL-II）從 2014 開始建設(shè)，目前已經(jīng)完成了全部的巖土施工。CJPL-II 由四個14 m 14 m 130 m的實驗大廳和連接隧道組成，容積從一期的 4000 m3擴(kuò)大到了 96000 m3[11]。圖 1.3 是 CJPL-I 和 CJPL-II 的結(jié)構(gòu)簡圖。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 程建平;吳世勇;岳騫;申滿斌;;國際地下實驗室發(fā)展綜述[J];物理;2011年03期

2 王瑞光;戴長江;;質(zhì)子衰變實驗進(jìn)展[J];物理;2011年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 黃土琛;CPHS中子小角散射譜儀設(shè)計及探測器系統(tǒng)預(yù)制研究[D];清華大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 陳Pr;涂硼稻草管中子探測器若干問題的理論模擬與實驗測試[D];清華大學(xué);2014年

本文編號：2819344