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中微子物理是当今粒子物理、宇宙学与天体物理研究的热点。中微子的震荡是上个世纪基础科学领域最重要的发现之一。中微子的混合角θ13是中微子的基本参数,其值的精确测量也是测量轻子CP破缺相角的必要条件。大亚湾中微子实验利用深圳大亚湾核电站核反应堆群产生的高通量的反电子中微子测量sin22θ13,使其精度在90％的置信度下达到0.01。大亚湾中微子实验进行中微子测量的是8个结构完全一样的液体闪烁探测器,中微子探测器的液体闪烁体溶剂直线烷基苯是一种最近几年才发现的新型闪烁体溶剂,在国际上尚未有实验组对其性能进行细致地研究。中微子探测器中的液体闪烁体与光电倍增管是探测器的核心部分,它们的性能决定了探测器的性能。本文对大亚湾液闪的物理性能、探测器事例的重建以及光电倍增管的性能进行了研究,本文的主要内容如下:
1.大亚湾实验进行中微子俘获的是载0.1％Gd的液体闪烁体,配制好的载Gd液闪经过一段时间后,Gd有可能会析出,从而导致Gd浓度下降。Gd浓度决定了中子的俘获时间以及中子的探测效率,Gd浓度的变化会给探测带来误差。Gd俘获热中子后可以通过内转换的机制产生能量为40KeV左右的X射线,文中对中子诱发X射线荧光监控Gd浓度方法进行了研究,结果显示,中子诱发X射线荧光的方法可以长时间连续地对Gd浓度进行监控,本文的工作对液闪Gd浓度的监控有借鉴意义。
2.sin22θ13的灵敏度要达到0.01,中微子探测器的系统误差必须控制在0.4％,而液闪中溶解的氧气会导致液闪的光产额的下降,发光衰减时间变短,正电子湮灭时间变短,这些都会给探测器带来误差；本文研究了氧气对大亚湾液闪的影响,实验发现室温常压条件下在大亚湾液闪中溶解的氧气可以使得液闪的光产额减小11％:此外文中还建立了一个氮气除氧的模型,给出了通气时间与氧气淬灭因子之间的关系式,并根据关系式,对液闪除氧方案进行了优化。
3.发光衰减时间常数是液体闪烁体的基本参数之一,对大亚湾实验来说,发光衰减时间是蒙卡模拟程序G4dyb的基本输入参数以及进行与探测器时间信息相关模拟的基础。本文用关联单光子的方法测量了大亚湾普通液闪分别被γ与快中子激发时的脉冲形状,通过拟合得到了发光衰减快慢时间常数；大亚湾液闪的快成分的发光衰减时间为5ns左右,慢成分为20多ns。此外文中利用过零时间插件分别测量了大亚湾液闪与商业液闪BC501液闪的粒子鉴别性能,结果显示,大亚湾液闪具有一定的粒子鉴别能力,但不如商业液闪BC501。
4.光学传播过程是探测器蒙特卡罗模拟中关键的部分,大亚湾液闪是由溶剂LAB,发光物质PPO与波长转移剂bis-MSB组成的三元液闪系统。液闪被粒子激发时产生的荧光以及高速粒子产生的切伦科夫光都可以被液闪吸收重发射。文中研究了大亚湾液闪中三种成分在短波段的吸收过程以及吸收光子之后的重发射过程,并用相对测量的方法对重发射的几率进行了测量,为大亚湾实验主探测器的光学模型提供了实验参数。
5.传统探测器中事例重建的方法是最大似然法,最大似然法依赖于探测器内液闪、反射板与光电倍增管的参数,同时要求完全理解探测器内的物理过程,参数的误差与物理过程描述的错误都会给重建结果带来较大的误差。神经网络方法把重建过程当作一个黑箱问题,通过样本事例拟合出输入与输出隐含的映射关系,从而实现对事例的重建。本文对用神经网络方法重建事例顶点与能量的可行性进行了研究,研究结果表明神经网络方法可以获得与最大似然法接近的精度,可以用于事例的快速重建、事例的在线监控、感兴趣的事例的快速筛选以及电子学系统的二级触发,此外还可以将重建结果与最大似然法结果进行互相验证,进一步确保重建结果的可靠性。
6.光电倍增管是中微子探测器的关键部件,光电倍增管的参数测量与研究对光电倍增管的筛选以及中微子探测器的研究至关重要。为了测试光电倍增管的性能,大亚湾合作组开发了一套可以同时测量16个光电倍增管的测试系统。文中对测试系统的分流器、16个测试单元的相对入射光强进行了刻度,对系统的重复性与系统的非线性进行了测量,对光电倍增管的测试方法进行了研究与验证,并随机选取了一个8英寸的光电倍增管对其各项参数特性进行了测试,这些工作为光电倍增管后期的测试与性能研究提供了参考依据。