中国暗物质探测实验液氩反符合探测器闪烁光特性研究

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暗物质探测是粒子物理学、天体物理学和宇宙学的重大前沿课题之一,国际上通常采用直接探测法探测暗物质候选粒子WIMP。中国暗物质实验(CDEX)以高纯锗晶体作为主探测器,液氩作为反符合探测器介质,探测WIMP粒子。辐射与液氩相互作用会产生波长128nm左右的闪烁光,CDEX液氩探测器以此为探测信号。多种因素会影响液氩探测器的特性,进而影响液氩探测器的反符合效率。CDEX实验需要获得液氩探测器的特性参数,寻找相应改进方法。本论文通过设计并建立液氩/氩气探测特性测试平台,进行了相关实验。通过光电倍增管的单光电子响应实验,获得297K和77K温度下,9357KB随高压变化的绝对增益值。验证在聚四氟乙烯表面蒸镀TPB的效果,结果表明TPB实现了波长转换的功能,但由于转换效率影响,峰位计数减少。进行了三种纯度氩气的闪烁光信号对比,纯度分别为99.999%,99.9999%和99.99999%,结果表明氩气的纯度越高,闪烁光产额越大。利用双成分函数和三成分函数对闪烁光信号的平均波形进行拟合,得到在双成分函数情况下:快成分衰减时间11.75-15.62ns,慢成分衰减时间239.34-973.54ns,快慢成分比例0.30-0.11;三成分函数情况下:快成分衰减时间10.09-10.92ns,慢成分衰减时间564.72-1852.27ns,“中间成分”衰减时间75.37-95.09ns,快慢成分比例0.22-0.07。慢成分衰减时间随着氩气纯度的升高而显著提升,具有由于监测液氩纯度的可行性。获得了99.999%纯度液氩的闪烁光信号,在双成分函数拟合情况下:快成分衰减时间19.33ns,慢成分衰减时间211.40ns,快慢成分比例0.26。解决了因氩气的帕邢定律导致的光电倍增管base板打火损坏问题,为CDEX实验提供了经验。
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