低能康普顿散射模拟模型在高纯锗探测器中的研究

国际上CDEX、CDMSlite等实验组,在开展直接暗物质探测实验中,发现高能光子本底的来源之一.高能光子在高纯锗探测器中会产生低能本底,这些本底来自于康普顿散射的影响.分析发现低能本底的结构有台阶出现,这与经典理论预测的结果相悖.这是由于原子中电子处于束缚状态,并具有一定的动量,因此康普顿散射在低能部分受到影响.现在已经有低能康普顿散射理论Impulse Approximation(IA)考虑到电子的这些效应,并且应用到模拟实验软件Geant4中. IA理论框架下的模拟模型有三个:Liermore模型、Penelope模型和Monash模型.我们发现三个模型在keV能级以下能谱有康普顿台阶出现,与经典康普顿能谱相比有明显减少.经过计算,在k壳层的台阶高度比例分别为95.92%、92.87%和96.68%,这与只考虑束缚效应而计算出的93.73%不同.三个模型keV能级以下时有大约10%的差异.     

低本底条件下氡及其子体的抑制研究

稀有事例的探测中需要极低的本底,氡及其子体是主要的本底来源之一. 文章依据地下实验室1 725 m³液氮除氡需求,设计了一套液氮除氡系统,初步测试了KC-6系列活性炭在-10~-120 ℃下的除氡效果. 实验结果表明,误差函数能很好的拟合活性炭在不同温度下的穿透曲线. 拟合数据表明在-10和-30 ℃下活性炭对氡的动力学吸附系数分别为23.01 ± 0.33和58.68 ± 0.63 L/g. 有限的数据表明在-120 ℃下没有氡溢出,但是可以算出此时的动力学吸附系数已经大于432 L/g. 文章中所得到的数据将为低放射本底液氮中氡的去除研究奠定基础.     

基于Geant4模拟的康普顿散射研究

在暗物质直接探测实验当中,高能gamma射线是重要的本底来源之一.高能光子由于康普顿散射的原因会在高纯锗探测器中会产生低能本底. CDMSlite实验中发现低能区域的康普顿能谱存在康普顿台阶,脉冲近似(Impulse Approximation, IA)理论解释了台阶出现的原因是原子中电子处于束缚状态,它使用散射函数来描述电子的束缚效应.为了探究这些台阶与散射函数以及入射能量之间的关系,我们使用Geant4程序对康普顿散射中的康普顿台阶进行了研究.研究发现随着初始光子能量增高,K壳层与L壳层的康普顿台阶会变得越来越平缓,直至斜率趋近于零.     

液氩探测器的低温PMT性能测试

中国暗物质实验(China dark matter experiment,CDEX)拟使用液氩探测器作为高纯锗探测器的反符合探测器,其使用的光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)需能长期稳定地工作在液氩温度(87.3 K)下.PMT在使用前,须掌握其在低温下的性能情况.文章分别在室温和低温环境中测试了ETL 9357FLA型光电倍增管,获得了单光电子响应、暗计数率以及低温环境中运行的稳定性等重要实验结果.通过详细地对比和分析室温和低温环境中PMT的性能表现,确认该型PMT能在低温环境中正常运行.     

环境中子测量中的偶然符合alpha事例修正

在暗物质直接探测实验中,中子是十分重要的环境本底.利用快慢符合法,一个掺钆的液闪探测器被分别用于测量了世界最深的地下实验室-中国锦屏地下实验室的实验大厅及1 m厚聚乙烯房间内的快中子本底通量及能谱.由于液闪无法通过信号波形区分中子与alpha事例,因此液闪中长寿命的U/Th核素衰变放出的alpha粒子是必须考虑的本底之一.在长期平衡假设条件下,实验测得液闪内部alpha粒子的总计数率为(0.548±0.002) s~(-1),再通过偶然符合算法,可得到实验大厅356天总计2682个中子候选事例中,有6个偶然符合的alpha事例;聚乙烯房间173天总计44个中子候选事例中,有2个偶然符合的alpha事例.偶然符合的alpha粒子对大厅的快中子通量测量结果影响可以忽略,而对聚乙烯房间中的通量结果约有4%的影响.     

掺钆液闪探测器用于锦屏地下实验室的快中子本底测量

文章采用掺杂0.5%Gd液闪探测器测量了中国锦屏地下实验室(CJPL)的快中子本底通量及中子能谱.掺钆液闪探测器对于核反冲信号和电子反冲信号优异的甄别性能用于中子候选事例的筛选,并采用钆对热中子的俘获特性进行时间甄别.对有效采数时间为206 d的数据进行分析,获得锦屏地下实验室的聚乙烯室(PE)内1～10 MeV快中子通量为4.45×10~(-8)cm~(-2)·s~(-1).采用相似的方式分析了掺钆液闪探测器(Gd-Ls)中天然放射系的α本底程度,来源于~(238)U,~(235)U,~(232)Th的α粒子含量分别为(0.0227±0.0001) s~(-1),(0.0329±0.0001) s~(-1)和(0.1471±0.0002) s~(-1).与世界上其他深地实验室的快中子通量进行对比,CJPL的快中子通量处于极低水平,是进行稀有事例测量实验的理想场所.