非重子暗物质是目前粒子物理、宇宙学、天体物理等领域中最重要的研究课题之一。作为最流行的非重子暗物质候选者,弱相互作用大质量粒子（WIMP）是主流暗物质直接探测实验的主要搜寻目标。如果探测到了WIMP候选信号,方向性的暗物质探测将最终证认暗物质信号来自于银河系WIMP。本课题主要利用微型时间投影室阵列探测器（MIcro-tpc MAtrix of Chambers,MIMAC）的原型探测器,对未来使用该探测器进行暗物质方向探测开展了一系列的可行性研究。本课题是首个国内参与的暗物质方向性探测实验研究,并且完成了25厘米漂移距离的原型探测器实验系统的设计和搭建,电子学与真空系统的调试,以及通过使用X射线产生器对探测器完成能量刻度。本课题建立了一套针对时间投影室和微网结构气体放大（MICRO MEsh GAseous Structure,Micromegas）读出探测器的数据分析方案。独立开发了用于事件播放的跨平台可视化软件,有效提高探测器运行状态监测和物理事例鉴别的效率。对MIMAC原型探测器进行了噪声分析,能量刻度,淬灭因子测量等研究。为了研究氟反冲核在MIMAC探测器中的性质,采用5厘米和10厘米漂移距离的原型探测器和离子源线束装置,在国际上首次完成了在具有512微米电子倍增隙的Micromegas的时间投影室中进行的千电子伏特动能氟离子的三维径迹重建和测量,尤其是得到了MIMAC探测器在千电子伏特能区的依赖能量的角度分辨率。径迹的重建尺度在毫米量级。详细讨论分析了MIMAC探测器物理过程,并提出通过电荷收集不对称因子的修正,从而有效解释了实验结果与数值模拟仿真的差别。对于动能低至10千电子伏特的氟离子,其角分辨率的结果为12.4°。该结果好于对暗物质方向探测器的要求的20°。本课题通过使用多种机器学习算法,研究了MIMAC探测器在高增益模式下的电子/离子事例分辨水平。结合首尾鉴别的结果,对未来用于测量核反冲的MIMAC探测器提出了增益幅度的限制。基于所得到的探测器性能参数,使用分区间泊松统计方法,给出了未来MI-MAC探测实验所能达到的自旋无关与自旋相关的灵敏度曲线的预言。对未来地下探测实验中使用大时间投影室,确定暗物质信号的星系来源和中微子地板之下的暗物直接探测奠定了研究基础并积累了经验。