基于100Mo&116Cd目标核素的无中微子双贝塔衰变微量热器的研究

论文摘要

无中微子双贝塔衰变（0vββ）是目前超出粒子物理标准模型的最重要研究方向之一,是当前国际上粒子物理和核物理领域研究的科学前沿。中微子振荡作为粒子物理学上的重大发现表明中微子是有质量的基本粒子,但是中微子的绝对质量是多少、中微子的质量排序如何都还未知;有关中微子到底是马约拉纳（Majorana）粒子还是狄拉克（Dirac）粒子也是困扰物理学家已久的谜题。能够同时回答中微子质量问题和中微子属性疑问的黄金通道是无中微子双贝塔衰变。基于声子探测的光-热双读出闪烁晶体低温微量热器是寻找这一稀有衰变——无中微子双贝塔衰变最具潜力的技术选择之一。因为这类探测器属于“源=探测器”,待测粒子几乎将全部能量沉积在其中,还具有很高的探测效率;由于探测媒介子是声子,产生一个声子只需要几个meV的能量,且沉积能量的90%以上的比例都用来产生热量（声子）,这使得微量热器具有极好的本征能量分辨率;基于粒子的荧光猝灭效应,光-热双读出方案可以实现粒子鉴别（α vs.β/γ）,极大抑制0vββ衰变中的来自α放射性和中子产生的本底;吸收体材料选择广泛,为在实验中观测到多种核素的Ovββ衰变提供重要可能性。此外,晶体微量热器阵列可以无背景搜索目标核素衰变至其子核激发态的0vββ过程,因为该过程伴随子核退激发产生的特征γ射线,可以此为“标记”。目前国际上低温晶体微量热器已经有了近三十年的发展,而我国在这方面才处于萌芽状态。为此特提出采用钼酸镉（CdMoO4）晶体作为核心吸收体,研制光-热双读出闪烁晶体低温微量热器用以寻找双目标核素100Mo、116Cd无中微子双贝塔衰变。这是因为核素100Mo、116Cd都具有较高的衰变能（QMo=3034 keV,QCd=2813 keV）,大于最危险的天然放射性本底2615 keV的y射线（208T1）;并且二者都具有相对可观的天然同位素丰度,被集中在同一块晶体内。另外钼酸盐晶体作为一种新型的闪烁晶体,这也将极大推动我国自主钼酸盐晶体生长技术的发展,目前宁波大学已经可以生长出品质较好的CdMoO4晶体。本论文的主要工作就是围绕以寻找双目标核素100Mo、116Cd无中微子双贝塔衰变的CdMoO4闪烁晶体光-热双读出低温微量热器的研制展开,主要包含两大部分:模拟计算和实验研究。●模拟部分1.借助高能物理模拟软件Geant4,搭建探测器模型,研究了探测器对电子、光子和中微子的响应;为后续探测器研发设计提供物理依据。2.成功引入DECAY0产生子产生目标核素（无中微子）双贝塔衰变过程,与Geant4相结合,尝试"β+α"符合、"4π"反符合等方法抑制天然放射性本底;综合论证了利用CdMoO4低温微量热器开展双目标核素（100Mo、116Cd）Ovββ实验的可行性,模拟结果给出对感兴趣的目标核素可以将其0vββ衰变的灵敏度提高一个数量级（100Mo的半衰期由文献中1024年提高至1025年;116Cd的半衰期由文献中1023年提高至1024年）。3.初步模拟研究了以子核100Ru和116Sn的特征γ线为“标记”,选择关联晶体单元击中信息的逻辑组合,实现了目标核素100Mo、116Cd到达100Ru、116Sn激发态的无中微子双贝塔衰变的寻找。●实验部分1.设计并搭建了一套宽温度范围（10-300 K）晶体荧光特性测试平台,用来研究CdMo04晶体荧光产额、衰减时间等感兴趣的物理参量,结果表明CdMo04晶体在低温下仍具有较大的荧光产额,这有效指出CdMo04晶体可以作为光-热双读出低温微量热器的核心吸收体。2.通过在法国CSNSM实验室对晶体微量热器研制的学习,首次独立完成了国产CdMo04闪烁晶体光-热双读出微量热器的设计与组装,该CdMo04吸收体是天然同位素丰度,尺寸为Φ25××45mm,密度是6.1 g/cm3,质量为134.1 g。3.利用CSNSM实验室大功率稀释制冷机低温平台,首次进行了以寻找双目标核素100Mo、116Cd无中微子双贝塔衰变的CdMo04晶体微量热器的地面测试实验,测试环境为深冷低温25mK,运行时长约为12小时;依靠低温电子学读出装置,分别完成了光-热两路信号的负载电阻曲线及最佳信噪比测试,为CdMo04晶体微量热器选择最佳工作点参数并成功采集有效数据。4.独立分析数据,最终结果表明CdMoO4晶体光-热双读出低温微量热器具有较好的探测器性能,其中能量分辨为半高全宽5 keV@238 keV到13 keV@2615 keV;通过对光-热两路信号分析,实现了粒子鉴别,针对α与β/γ的粒子的区分度到达21σ,这也表明CdMoO4晶体的光产额高;分析了 CdMoO4晶体自身α放射性含量,评估U/Th污染在mBq/kg量级。5.本工作取得的初步结果显示了 CdMoO4晶体在用微量热器技术寻找100Mo、116Cd无中微子双贝塔衰变实验中是一种理想的吸收体。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 贝塔衰变

1.1.1 中微子假说

1.1.2 费米模型

1.1.3 中微子存在的实验证明

1.2 无中微子双贝塔衰变

1.2.1 物理意义

1.2.2 衰变能谱

1.2.3 候选核素

1.2.4 无中微子双贝塔衰变寻找

1.3 无中微子双贝塔衰变实验现状

1.3.1 时间投影室相关实验

1.3.2 基于气体径迹探测器相关实验

1.3.3 基于半导体探测器相关实验

1.3.4 基于液体闪烁体探测器相关实验

1.3.5 基于微量热器相关实验

1.3.6 我国相关实验布署

1.4 论文选题背景

参考文献

第2章闪烁晶体低温微量热器

2.1 探测器原理

2.1.1 吸收体

2.1.2 传感器

2.1.3 超低温mK级制冷系统

2.2 微量热器典型应用

2.3 光-热双读出闪烁晶体微量热器

2.4 小结

参考文献

116Cd¹⁰⁰MoO₄晶体微量热器蒙特卡洛模拟'>第3章¹¹⁶Cd¹⁰⁰MoO₄晶体微量热器蒙特卡洛模拟

3.1 蒙特卡洛方法及Geant4简介

3.2 探测器模拟

3.2.1 探测器几何框架构建

3.2.2 模拟信号/本底发生事件估算

3.2.3 DECAYO事件产生子简介

3.3 蒙特卡洛模拟结果

100Mo &¹¹⁶Cd双贝塔衰变本底研究'> 3.3.1¹⁰⁰Mo &¹¹⁶Cd双贝塔衰变本底研究

3.3.2 天然放射性本底研究

100Mo &¹¹⁶Cd无中微子双贝塔衰变灵敏度预估'> 3.3.3¹⁰⁰Mo &¹¹⁶Cd无中微子双贝塔衰变灵敏度预估

3.4 目标核素无中微子双贝塔衰变至子核激发态的可行性模拟研究

100Mo至子核¹⁰⁰Ru^*无中微子双贝塔衰变寻找模拟'> 3.4.1¹⁰⁰Mo至子核¹⁰⁰Ru^*无中微子双贝塔衰变寻找模拟

116Cd至子核¹¹⁶Sn^*无中微子双贝塔衰变寻找模拟'> 3.4.2¹¹⁶Cd至子核¹¹⁶Sn^*无中微子双贝塔衰变寻找模拟

3.5 小结

参考文献

第4章闪烁晶体低温微量热器研制与运行

4.1 荧光特性测试

4.1.1 激光激发低温测试平台

4晶体荧光特性分析'> 4.1.2 CdMoO₄晶体荧光特性分析

4.2 晶体低温微量热器研制

4晶体'> 4.2.1 CdMoO₄晶体

4.2.2 铜框支架

4.2.3 NTD-Ge温度传感器

4.2.4 硅热敏电阻

4.2.5 PTFE支撑元件

4.2.6 光收集器

4.2.7 粘合工艺

4.2.8 晶体微量热器组装

4.2.9 引线键合工艺

4.2.10 信号引出

4.2.11 其他钼酸盐晶体微量热器

4.2.12 晶体微量热器阵列组装

4.3 微量热器mK级超低温运行测试

4.3.1 测试装置

4.3.2 电子学及数据获取系统

4.3.3 最佳工作条件选取

4.4 实验数据采集

4.5 小结

参考文献

第5章晶体低温微量热器数据分析

5.1 离线数据预处理

5.1.1 微量热器特征信号输出

5.1.2 最佳信噪比滤波器

5.1.3 触发选择及关键参数获取

4微量热器数据分析'> 5.2 CdMoO₄微量热器数据分析

5.2.1 稳定性修正

5.2.2 关联系数选择

5.2.3 能量刻度

5.2.4 粒子鉴别

5.2.5 晶体内放射性污染

2MoO₄微量热器数据分析'> 5.3 Li₂MoO₄微量热器数据分析

4微量热器数据分析'> 5.4 大块CdMoO₄微量热器数据分析

5.5 小结

参考文献

第6章总结与展望

附录A 双贝塔衰变偶然符合本底估算示例

附录B 放射源激发闪烁晶体低温测试平台

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 薛明萱

导师: 彭海平,张云龙

关键词: 无中微子双贝塔衰变,闪烁晶体,低温闪烁晶体微量热器,光探测器,光热二维读出,粒子鉴别,放射性污染

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O572.321

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000193

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