用于暗物质探测的闪烁体相关问题研究

摘要

WIMPs作为暗物质最佳的候选粒子，对宇宙学、天文学和粒子物理学来说，探测和研究WIMPs意义重大。但是WIMP与普通物质相互作用概率极低，因此核心探测器材料的选择是增强排除本底能力，提高信号分辨率的关键。现在直接探测WIMP粒子的探测器材料包括Xenon、CsI（Tl）晶体、NaI(Tl)晶体和半导体探测器等。为了选择最佳的暗物质核心探测器材料，本工作对CsI(Na)晶体和BaF2晶体的性能做了对比分析研究。
　　本文在CsI(Na)晶体的研究基础上，对BaF2晶体波形鉴别反冲核信号与电子信号性能开展了实验研究，实验结果表明-40℃情况下BaF2晶体的发光最强。相对于常温，核反冲发光提高76％，电子反冲提高62%。在此温度下，分别使用积分法和平均时间法给出了在60%的探测效率下的电子反冲信号的排除效率分别为96.5±3.0%和99.6±0.7%。因此BaF2的粒子鉴别能力不如CsI(Na)。
　　为了使用Geant4模拟获取最接近真实的核反冲信号和电子反冲信号波形，调研CsI(Na)晶体的各项光学参数。通过设置这些参数，使模拟产生的信号波形与实验测量信号波形相吻合。为实现模拟获得暗物质探测器的粒子分辨性能奠定了基础。
　　本文基于Geant4模拟对暗物质中心探测器自身以及屏蔽材料中的天然放射性核素238U、232Th和40K进行了本底研究。本文的研究结果对探测器设计优化和暗物质探测器的性能评价提供了参考。

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第一章 引言

1.1 WIMPs探测

1.2暗物质直接探测研究现状

1.3闪烁体探测器[23]

1.3.1 闪烁体探测器工作原理

1.3.2 闪烁体的发光机理

1.3.3 闪烁体性能的要求[26]

1.4蒙特卡罗(Monte Carlo)方法简介[27,28]

1.5研究内容

第二章 BaF2晶体性能测试

2.1 BaF2晶体发光机制

2.2实验装置与数据获取系统

2.2.1 能谱分析

2.2.2 波形分析

2.2.3 波形甄别原理

2.3小结

第三章 闪烁液中加载 212Pb实验方法研究

3.1实验原理

3.2实验装置

3.3实验结果与分析

3.3.1 闪烁液本底

3.3.2 加载效率与加载时间的关系

3.3.3 加载效率与流率的关系

3.3.4 加载效率与温度的关系

3.4小结

第四章 探测器的Geant4模拟研究

4.1软件工具简介

4.1.1 Geant4简介[47-49]

4.1.2 Root数据处理程序简介[50]

4.2 Geant4模拟小晶体实验

4.2.1 晶体折射率对光输出的影响

4.2.2 晶体光衰减长度对光输出的影响

4.2.3 模拟程序设置

4.2.4 模拟结果与实验结果对比分析

4.3暗物质探测器内部本底模拟研究

4.3.1 G4dyb产生子[54]

4.3.2 地下暗物质探测方案设计

4.3.3 天然本底模拟结果

4.3.4 宇宙射线μ子本底模拟

4.4核心晶体探测器尺寸优化设计

4.4.1 Geant4程序设置

4.4.2 模拟结果与分析

4.4.3 优化方案

第五章 总节与展望

参考文献

致谢