中微子探测器LAB/LS的光吸收性能研究

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在大亚湾(Daya Bay)中微子实验成功测量了013角之后,描述中微子振荡规律的六个参数中,只剩下CP相位角δ还是未知的。江门中微子实验(JUNO)将中微子质量序的精确测量作为主要物理目标,这也是测量相位角的必要条件。JUNO实验将建在广东省江门市,以阳江核电站和台山核电站反应堆为中微子源。中心探测器为一大型球形探测器,其直径达到35.4米,将灌装两万吨液体闪烁体并在球体外表面安装18000个20时的光电倍增管。为了达到JUNO实验设定的能量分辨率为3%的严格指标,对于新型光电倍增管的探测性能与液体闪烁体的光学透明度等都提出了极高的要求。由于工业生产的线性烷基苯(Linear alkyl benzene-LAB)具有光产额高,光学性能好、化学结构稳定、以及对于环境、人体都较为友好等优点,被JUNO实验选为液体闪烁体的有机溶剂;在进一步掺入一定浓度的PPO作为荧光闪烁剂和Bis-MSB作为波长移位剂后成为液体闪烁体(Liquid Scintillators-LS)。为了与JUNO中心探测器的大型球体尺寸相匹配,要求LAB的光衰减长度能够达到前所未有的30米指标。然而,由于工业制备流程及生产工艺指标的限制,通过工业化生产的普通LAB远远达不到这个要求。我们与LAB的国内生产厂家-南京烷基苯厂通力合作,通过近10年来的努力,将经过工业化制备的LAB的光衰减长度,从曾用于大亚湾中微子实验的10米左右,逐步提高到了目前的25米长度。为了使LAB的光衰减长度达到30米的最终目标,一方面我们需要不断探索、改进新的烷基苯特殊生产制备工艺,对LAB样品进行大量理化性能的测量与更为深入的了解,以得到光学性能更为优异的高品质LAB样品;另一方面,在实验测量装置与方法方面我们还要狠下功夫,使得LAB样品测量的稳定性和准确性进一步提高。我们针对实验室原先搭建的一套光衰减长度测量系统,进行不断的升级与改造。在反复测量实验中,我们利用市售的高纯度纯净水作为调试、校验测量装置的样品,并进行严格刻度以保持光衰减长度测量装置的稳定、可靠,运行状态良好。同时,我们依据原有的LED入射光路尝试安装了不同的滤波片,重点测量分析了安装这些滤波片前后的LED光谱及其实际测量效果。实验发现,在采用单色性更好、透光率更佳的LED入射光后,对于不同LAB样品的光衰减长度测量均有明显的提高;我们还利用这一方法对于来源多样的LAB/LS(液体闪烁体)样品进行了测量,发现杂质组分的复杂性导致了滤波片对不同样品测量的改善程度不一致等一些新的实验结果。几年来,我们在光电倍增管输出信号的全波形数据采集方面也做了一些有意义的探索,设想利用全波形数字化采样模块(V1729)能够最终取代现有的QDC(V965)模块,以进一步提高测量数据采样及拟合的准确性。我们给出了 V1729的主体采样程序,并指出了一些还有待于进一步解决的关键性问题,为下一步的实际测量应用进行了铺垫。在此基础上,我们还对利用多组分Beer-Lambert定理估算LAB样品中有机杂质浓度的影响进行了讨论,希望能够为今后对于高品质LAB的化学组分精细测量与高质量液闪样品的合成配制等方面起到一定的参考。本文详细介绍了上述我们所进行的一些新的相关实验尝试,较为深入地分析了烷基苯光衰减长度测量的最新结果,并讨论了在实验过程中需要注意的相关问题与下一步的改进设想。
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