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暗物质实验中探测器性能实验研究和模拟分析

作　者: 何道
导　师: 李玉兰
学　校: 清华大学
专　业: 核科学与技术
关键词: 暗物质 WIMP 超低能量阈值HPGe
分类号: P145.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

暗物质是宇宙质量的重要组成部分,对非重子暗物质候选者WIMP的寻找是当今的热点问题。清华大学和韩国汉城大学以及台湾中央研究院合作,提出了采用超低能量阈值HPGe探测器测量低质量WIMP的研究计划。该研究计划使用1kg极高纯度锗晶体作为探测材料,在能量阈值100eV的基础上探测质量范围1-10 GeV的WIMP,这是目前世界上WIMP探测实验的最低能量区域。为了降低本底水平,该研究的实验系统采用低放射性的铅和铜作为被动屏蔽体,CsI(Tl)晶体反符合探测器作为主动屏蔽体,并放置于韩国东北部最小深度700m的Y2L地下实验室进行。目前,一个5g的HPGe探测器原型正在用于初步的测试。在分析了实验室可能的本底来源及其与屏蔽体和探测器的相互作用后,论文采用基于Geant4的蒙卡模拟程序对系统屏蔽体进行了模拟计算。计算结果表明,铅和铜组成的屏蔽体能够很好的屏蔽来自外部环境中的γ射线,而屏蔽材料内部的γ射线可以被CsI晶体探测器很好地反符合掉。宇宙线能量很高,在穿过探测器时会产生很大的信号,因而很容易区分出来。中子由于不带电,屏蔽体的效果稍差;但是由于实验室本身的中子本底通量非常小,其影响可以忽略。模拟计算表明,所用屏蔽体屏蔽效率符合要求,能够很好地开展WIMP探测实验。论文还对探测器的性能进行了实验研究,实验证明HPGe探测器具有极低的能量阈值,目前测得值约为300eV,这已经是目前WIMP探测实验的最低能量阈值;深入的研究仍在进行,希望达到100eV的预期目标。CsI(Tl)晶体探测器具有很好的波形甄别和反符合能力,可以有效地降低HPGe探测器的计数率水平。由于CsI晶体体积较大,不同的粒子入射位置对探测器的响应有一定影响,但是基本不改变CsI的反符合能力。CsI晶体的内部放射性是影响本底水平的一个重要因素,实验测定和理论计算结果综合表明,CsI(Tl)探测器对内部放射性的吸收与反符合能够将其影响降低到满足我们对本底水平的要求。总之,探测系统已经工作在良好状态,目前实验已经进入数据采集阶段。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
主要符号对照表  8-9
第1章引言  9-17
  1.1 暗物质  9-11
  1.2 WIMP 的探测  11-14
  1.3 低能量WIMP 探测  14-15
  1.4 论文结构与内容安排  15-17
第2章低能量WIMP 探测系统介绍  17-24
  2.1 实验地点介绍  17-18
  2.2 实验探测系统结构  18
  2.3 硬件系统介绍  18-22
  2.4 GEANT4 模拟程序  22-24
第3章屏蔽体性能模拟分析  24-35
  3.1 实验本底总述  24
  3.2 环境本底  24-29
  3.3 中子  29-32
  3.4 宇宙射线  32-34
  3.5 结论  34-35
第4章探测器性能实验研究  35-49
  4.1 HPGE 探测器  35-38
  4.2 CSI(TL)晶体探测器  38-48
  4.3 结论  48-49
第5章结论  49-51
  5.1 研究总结  49-51
参考文献  51-54
致谢  54-55
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  55

暗物质实验中探测器性能实验研究和模拟分析

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