大亚湾中微子探测器能量刻度的相关实验研究

摘要

目前进行的大亚湾中微子测量实验中，中国原子能科学研究院承担了中微子载钆液体闪烁体探测器的光响应测量和对探测器的能量刻度源的研制工作。我在中国原子能科学研究院联合培养的一年多时间里，主要负责了对高能所试验载钆液体闪烁体探测器(GdLS)的光响应测量工作，同时利用解反冲质子谱法测量了GdLS能量刻度所用中子源-PuC源的中子能谱。本论文主要介绍了这两个方面的工作。 GdLS(5cm×5cm)的光响应测量工作是在中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器上的常规快中子飞行时间(NTOF)谱仪完成的，利用20MeV的脉冲D束轰击厚Be靶产生的白光中子源并同时结合了中子飞行时间技术一次性测量了1～14MeV能区的探测器对质子的光响应函数。在实验过程中，首先利用22Na和137Cs等源对GdLS进行了γ刻度，然后将探测器放在与氘束成30度角的地方对源中子进行测量。该实验采用CAMAC多参数数据获取系统，所有读出插件采用CAMAC标准，非读出插件采用NIM标准。在数据分析过程中，采用了蒙卡程序模拟并与实验数据不断迭代拟和的方法来处理实验数据，具体采用的主要程序是德国PTB开发的GRESP和NRESP，最后解出了GdLS的质子光响应函数。同时利用闪烁体探测器发光响应的半经验公式，并根据最后解出的探测器对质子的光响应函数求出了该探测器光响应的半经验公式中的参数kB，然后根据kB的值就可以模拟出探测器对反冲C核和α粒子的光响应函数。并将此结果提供给了高能所，作为他们用Geant3模拟软件模拟各种粒子在探测器能量沉积的输入参数。 PuC源由于其能够提供在1～8MeV的多个刻度能量点而被用做大亚湾中微子探测器手动能量刻度的重要中子源。由于PuC源的中子能谱数据很少，为了研究PuC源的中子能谱同时更为了用Geant模拟出PuC源的中子在探测器中的能量输出信息，我们需要知道PuC源的中子能谱作为模拟时用的输入参数。为了满足这个要求我们测量了中国原子能科学研究院为GdLS能量刻度所研制的PuC源的中子能谱。所用数据分析方法是解反冲质子谱法，基本原理为用一个能量分辨率和质子光响应函数已知的BC501A型液体闪烁体探测器测量待测PuC源的中子引起的脉冲高度谱(PH)-反冲质子谱，然后用蒙卡程序NRESP并根据已知的光响应函数模拟出的各个单能中子的反冲质子谱做为已知条件，利用德国PTB开发的多探测器迭代程序(Multi-Channel)GRV_MC32解出了所测PuC源的中子能谱。为了检验所解中子能谱的相对准确性，利用相同方法也测量了AmBe源的中子能谱，最后对能谱的误差来源进行了分析。 在本论文中主要介绍了两个方面的内容：一是测量GdLS中子和γ射线光响应函数的实验准备、实验过程、数据获取以及数据处理和误差分析的过程；二是介绍了利用解反冲质子谱法测量中子能谱的基本原理，同时也介绍了测量PuC源中子能谱的实验过程以及电子学和数据处理等内容，阐述了利用BC501A型液体闪烁体探测器的光响应函数矩阵和待测中子源反冲质子谱求解中子能谱的基本原理。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号对照表

声明

第一章 引言

1.1大亚湾中微子实验

1.2载钆液体闪烁体探测器(GdLS)的手动能量刻度

1.3本论文工作的意义

1.3.1 GdLS中子引起的带电粒子光响应函数测量意义

1.3.2刻度源PuC源中子能谱测量现状和意义

第二章：实验技术

2.1中子探测的基本原理

2.2液体闪烁体探测器

2.2.1液体闪烁体的发光机制

2.2.2淬灭效应

2.2快中子飞行时间法

2.2.1中子飞行时间法相关介绍

2.2.2 HI-13串列加速器中子飞行时间谱仪的电子学和数据获取系统

2.3相关程序介绍

第三章GdLS光响应测量实验安排

3.1实验几何布局

3.2探测器

3.3实验中子源

3.4电子学及数据获取系统

3.5在线获取前的一些准备工作

第四章 GdLS光响应测量实验数据分析

4.1 γ刻度的数据处理

4.2测量数据反演

4.2.1TAC刻度数据处理

4.2.2对中子飞行时间谱“开窗”

4.2.3数据反演

4.3解反冲质子光响应函数

4.4 GdLS的淬灭因子和kB常数

4.4.1淬灭因子

4.4.2 kB常数的得出

4.4.3其它带电粒子的光响应函数

第五章PuC源中子能谱测量

5.1中子能谱的测量

5.2 PuC源中子能谱测量原理

5.2.1反冲质子谱

5.2.2解反冲质子谱法原理

5.3实验安排

5.3.1探测器

5.3.2待测中子源—PuC源

5.3.3实验过程

5.4数据分析

5.4.1反冲质子谱

5.4.2光响应函数矩阵

5.4.3解谱结果

5.5误差分析与讨论

5.5.1误差分析

5.5.2结果讨论

第六章问题讨论及建议

6.1γ刻度数据处理的其它方法

6.2 Geant3探测器模拟软件推荐的光响应

6.3 GdLS模型的测试

6.4解反冲质子谱测量中子能谱的一些建议

6.4.1解γ射线的PH谱得到γ能谱

6.4.2解γ射线能谱和中子能谱的一些建议

参考文献

附录

硕士期间的工作

致谢