无中微子双贝塔衰变(0vββ)是目前超出粒子物理标准模型的最重要研究方向之一,是当前国际上粒子物理和核物理领域研究的科学前沿。中微子振荡作为粒子物理学上的重大发现表明中微子是有质量的基本粒子,但是中微子的绝对质量是多少、中微子的质量排序如何都还未知;有关中微子到底是马约拉纳(Majorana)粒子还是狄拉克(Dirac)粒子也是困扰物理学家已久的谜题。能够同时回答中微子质量问题和中微子属性疑问的黄金通道是无中微子双贝塔衰变。基于声子探测的光-热双读出闪烁晶体低温微量热器是寻找这一稀有衰变——无中微子双贝塔衰变最具潜力的技术选择之一。因为这类探测器属于“源=探测器”,待测粒子几乎将全部能量沉积在其中,还具有很高的探测效率;由于探测媒介子是声子,产生一个声子只需要几个meV的能量,且沉积能量的90%以上的比例都用来产生热量(声子),这使得微量热器具有极好的本征能量分辨率;基于粒子的荧光猝灭效应,光-热双读出方案可以实现粒子鉴别(α vs.β/γ),极大抑制0vββ衰变中的来自α放射性和中子产生的本底;吸收体材料选择广泛,为在实验中观测到多种核素的Ovββ衰变提供重要可能性。此外,晶体微量热器阵列可以无背景搜索目标核素衰变至其子核激发态的0vββ过程,因为该过程伴随子核退激发产生的特征γ射线,可以此为“标记”。目前国际上低温晶体微量热器已经有了近三十年的发展,而我国在这方面才处于萌芽状态。为此特提出采用钼酸镉(CdMoO4)晶体作为核心吸收体,研制光-热双读出闪烁晶体低温微量热器用以寻找双目标核素100Mo、116Cd无中微子双贝塔衰变。这是因为核素100Mo、116Cd都具有较高的衰变能(QMo=3034 keV,QCd=2813 keV),大于最危险的天然放射性本底2615 keV的y射线(208T1);并且二者都具有相对可观的天然同位素丰度,被集中在同一块晶体内。另外钼酸盐晶体作为一种新型的闪烁晶体,这也将极大推动我国自主钼酸盐晶体生长技术的发展,目前宁波大学已经可以生长出品质较好的CdMoO4晶体。本论文的主要工作就是围绕以寻找双目标核素100Mo、116Cd无中微子双贝塔衰变的CdMoO4闪烁晶体光-热双读出低温微量热器的研制展开,主要包含两大部分:模拟计算和实验研究。●模拟部分1.借助高能物理模拟软件Geant4,搭建探测器模型,研究了探测器对电子、光子和中微子的响应;为后续探测器研发设计提供物理依据。2.成功引入DECAY0产生子产生目标核素(无中微子)双贝塔衰变过程,与Geant4相结合,尝试"β+α"符合、"4π"反符合等方法抑制天然放射性本底;综合论证了利用CdMoO4低温微量热器开展双目标核素(100Mo、116Cd)Ovββ实验的可行性,模拟结果给出对感兴趣的目标核素可以将其0vββ衰变的灵敏度提高一个数量级(100Mo的半衰期由文献中1024年提高至1025年;116Cd的半衰期由文献中1023年提高至1024年)。3.初步模拟研究了以子核100Ru和116Sn的特征γ线为“标记”,选择关联晶体单元击中信息的逻辑组合,实现了目标核素100Mo、116Cd到达100Ru、116Sn激发态的无中微子双贝塔衰变的寻找。●实验部分1.设计并搭建了一套宽温度范围(10-300 K)晶体荧光特性测试平台,用来研究CdMo04晶体荧光产额、衰减时间等感兴趣的物理参量,结果表明CdMo04晶体在低温下仍具有较大的荧光产额,这有效指出CdMo04晶体可以作为光-热双读出低温微量热器的核心吸收体。2.通过在法国CSNSM实验室对晶体微量热器研制的学习,首次独立完成了国产CdMo04闪烁晶体光-热双读出微量热器的设计与组装,该CdMo04吸收体是天然同位素丰度,尺寸为Φ25××45mm,密度是6.1 g/cm3,质量为134.1 g。3.利用CSNSM实验室大功率稀释制冷机低温平台,首次进行了以寻找双目标核素100Mo、116Cd无中微子双贝塔衰变的CdMo04晶体微量热器的地面测试实验,测试环境为深冷低温25mK,运行时长约为12小时;依靠低温电子学读出装置,分别完成了光-热两路信号的负载电阻曲线及最佳信噪比测试,为CdMo04晶体微量热器选择最佳工作点参数并成功采集有效数据。4.独立分析数据,最终结果表明CdMoO4晶体光-热双读出低温微量热器具有较好的探测器性能,其中能量分辨为半高全宽5 keV@238 keV到13 keV@2615 keV;通过对光-热两路信号分析,实现了粒子鉴别,针对α与β/γ的粒子的区分度到达21σ,这也表明CdMoO4晶体的光产额高;分析了 CdMoO4晶体自身α放射性含量,评估U/Th污染在mBq/kg量级。5.本工作取得的初步结果显示了 CdMoO4晶体在用微量热器技术寻找100Mo、116Cd无中微子双贝塔衰变实验中是一种理想的吸收体。