低能量阈高纯锗探测器反冲锗核抑制因子实验研究

论文摘要

暗物质的研究是当今物理学界的热点之一。现在我们知道暗物质是宇宙的重要组成部分。暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质仍然是个谜,但是在众多理论模型中,弱相互作用重粒子WIMP是一种最有可能的候选粒子。WIMP粒子可以通过与某种特定靶核发生散射作用被探测到,但是一些重要的物理参数的确定,如入射能量、反冲核能量、相互作用截面等,需要测量和研究探测器对于反冲重核事例和反冲电子事例的响应情况,即反冲核抑制因子（Quenching Factor）的测量。本文利用中子轰击高纯锗探测器引起的反冲锗核模拟入射暗物质粒子产生的反冲锗核,来研究低能量阈高纯锗探测器中反冲锗核的抑制因子这一重要参数,并对将要开展的利用极低能量阈高纯锗探测器测量能量小于1keV情况下的反冲核抑制因子实验方案的可行性进行分析评估。本工作应用了以Motorola公司VME总线控制器MVME5100为核心的高速VME总线数据获取系统。MVME5100上运行嵌入式实时操作系统VxWorks,负责对硬件编程,实时调度各个任务。MVME5100硬件的高速性,加上VxWorks嵌入式实时操作系统的优异表现,保证了数据获取的时间响应、数据传输速度的需求。本文也详细介绍了基于MVME5100和VxWorks操作系统建立的数据获取软件平台。本实验是利用中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器产生的中子束流完成的。利用1H （7Li, n）7Be反应产生脉冲中子束入射到高纯锗探测器,这些中子通过与锗核的弹性散射相互作用被散射到不同角度的中子探测器上而被探测到。利用散射中子角度和飞行时间可以甄别掉本底和噪声信号,并确定反冲锗核的能量。数据获取系统把中子探测器和高纯锗探测器的信号记录下来,以供离线数据分析和物理分析。在论文最后部分,给出了本次实验的反冲核抑制因子的实验测量结果,并与国际上已有的其他结果以及TRIM98理论计算结果做了比较。结果表明:本次实验成功地测量了能量为3keV以上能量区间的反冲锗核的抑制因子,并为下一步将要进行的更低能量区间反冲锗核抑制因子测量实验的方案设计提供了非常有价值的实验数据和经验。基于这些实验数据和经验,对下一步低于1keV能量范围内的反冲锗核的抑制因子测量实验提出了建议和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 暗物质与WIMP
• 1.2 反冲核抑制因子问题的提出
• 1.2.1 反冲核抑制因子的重要性
• 1.2.2 反冲抑制因子的计算
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 本文章节安排
• 第2章 实验数据获取系统
• 2.1 VME 总线控制器MVME5100
• 2.1.1 DAQ 系统要求
• 2.1.2 选择VME 总线控制器MVME5100
• 2.2 嵌入式实时操作系统VXWORKS
• 2.3 在MVME5100 上运行VXWORKS
• 2.3.1 MVME5100 BSP 修改
• 2.3.2 BOOTROM 的制作和下载
• 2.3.3 DOWNLOADABLE IMAGE 的制作
• 2.3.4 启动VXWORKS
• 2.4 测试MVME5100 的读出能力
• 2.4.1 VME-PCI 地址映射
• 2.4.2 测试系统平台
• 2.4.3 性能测试
• 2.5 DAQ 系统解决方案的确立
• 第3章 反冲核抑制因子测量实验与数据获取
• 3.1 中子束产生部分
• 1H（⁷Li, n）⁷Be反应中子的产生'>3.1.1¹H（⁷Li, n）⁷Be反应中子的产生
• 1H（⁷Li, n）⁷Be反应中子的测量'>3.1.2¹H（⁷Li, n）⁷Be反应中子的测量
• 3.2 探测器部分
• 3.2.1 高纯锗探测器
• 3.2.2 中子探测器
• 3.3 中子束产生部分和探测器部分的连接
• 3.4 信号处理电子学部分
• 3.5 数据获取部分（DAQ）
• 3.6 信号电子学处理部分与DAQ 部分的连接
• 3.7 实验系统运行情况
• 第4章 实验数据分析
• 4.1 数据分析ROOT 简介
• 4.2 实验系统能量刻度
• 4.3 实验数据分析
• 4.3.1 大角度散射中子事件数据分析
• 4.3.2 小角度散射中子事件数据分析
• 4.3.3 结论
• 第5章 极低能量区间反冲核抑制因子实验方案
• 5.1 降低入射中子能量
• 5.2 超低阈值高纯锗探测器（ULE-HPGE DETECTOR）
• 5.3 前放和主放
• 5.4 中子探测器
• 5.5 电子学和DAQ 部分
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果