液体闪烁体性质及江门中微子实验液闪纯化研究

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中微子物理是当今物理学热点之一,是粒子物理、天体物理和宇宙学之间的交叉前沿与实验研究的热点。对中微子的研究,是找到超出粒子物理标准模型的新物理的突破口.中微子振荡是目前实验上唯一超出标准模型的物理现象。θ13是中微子振荡理论的六个基本混合参数之一,其大小决定着中微子物理的发展方向。大亚湾反应堆中微子实验的物理目标是精确测量中微子混合角参数θ13,使sin22θ13的灵敏度达到0.01或更好。这一物理目标对大亚湾中微子探测器提出很高的设计要求。在Neutrino2014国际会议上大亚湾合作组发表了最新测量结果为sin22θ13=0.084+0.005-0.005。本文首先研究了大亚湾中微子实验所采用的液体闪烁体的一些性质,接着研究大亚湾探测器中模拟中新光学模型。中国下一代中微子实验-江门中微子实验将设计、研制并运行一个国际领先的中微子实验站,以测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数,并进行其它多项科学前沿研究。本文最后对江门中微子实验中液体闪烁体的纯化进行了研究。  不同于国际上其他一些中微子实验采用的以偏三甲苯,甲苯等为溶剂的液体闪烁体,大亚湾实验的液体闪烁的溶剂是LAB。对这种液体闪烁体性质的研究,才能深刻理解探测器的能量响应,以及较佳的工作条件。本文通过在实验室条件下改变液闪的工作温度,利用康普顿散射的方法测量液体闪烁体相对光产额的变化,给出了液闪的较佳工作温度。然后研究了大亚湾不掺钆液体闪烁体对电子和α粒子的鉴别能力。其次,在实验室搭建了一套测量液体闪烁体衰减长度的装置。利用这套装置,可以测量不同时期大亚湾液闪的衰减长度变化,对于大亚湾实验数据的分析也是至关重要的。对于液体闪烁体中电子能量沉积的非线性测量,则使用了同时测量多个角度普顿散射的方法。实验结果与大亚湾合作组提出的非线性模型是一致的,它对大亚湾实验有效质量平方差|△m2ee|的测量精度的提高是有帮助的。  探测器的重建和模拟都需要根据对光在探测器内传播过程的理解构造各自的光学模型。本文构造了探测器光学模拟的新的光学模型。新光学模型中加入精确测量的瑞利散射长度,各组分量子产额的最新测量结果等。同时分开描述光子在液闪各组分之间的传播过程,使之更符合真实物理过程。新光学模型的建立,对江门中微子实验的模拟也起着指导作用。  江门中微子实验中使用的是一个2万吨的液体闪烁体探测器。其中液闪的衰减长度在430 nm处要到达20 m以上,光产额达到1100 p.e/MeV以上,对放射性元素238U和232Th的基本要求为小于10-15 g/g,而工厂生产出来的液体闪烁体的衰减长度和光产额都达不到要求,其中的天然放射性含量为10-13~10-14g/g。因此必须对液体闪烁体进行纯化。本文在实验室条件下,首先研究了蒸馏和三氧化二铝过滤这两种光学纯化方法,然后搭建了放射性加载装置和利用级联衰变测量放射性的装置,研究了三种放射性纯化方法:水萃取,蒸馏和三氧化二铝过滤。实验室中研究的一些参数以及经验,对江门中微子实验中液闪的大型纯化装置的设计以及运行都是具有参考价值的。
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