CsI(Na)晶体暗物质探测研究进展 核探测与核电子学国家重点实验室2012年年会 2012/3/7 高能物理研究所—吕军光

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1 CsI(Na)晶体暗物质探测研究进展 核探测与核电子学国家重点实验室2012年年会 2012/3/7 高能物理研究所—吕军光
1. 基础介绍 2. 低温实验进展 3. 地下实验室地点 4. 探测装置的新考虑

2 Direct detection of galactic dark matter
1. 基础介绍 Direct detection of galactic dark matter WIMP Recoiled nucleus 散射截面O (10-43) cm2 暗物质密度0.3 GeV/cm3 平均速度220km/s 则事例率为0.1 events/kg·day

3 CINDMS实验---- CsI(Na) Dark Matter Search
双发光晶体和发光性能的差异，利用波形测量和滤波测量排除本底; 大晶体可标记中子多次作用事例，压低中子本底。 CsI(Na) 晶体本身具有独特的n/分辨性能，截面大，密度高，价格便宜，适合建造大质量探测器。 排除晶体的表面效应事例对核反冲信号的污染; 提高掺杂浓度降低低能本征污染。

4 常用卤化物闪烁晶体gamma-alpha波形比较
DAMA用 KIMS用 CINDMS用 CsI(Na)晶体对gamma、alpha波形明显不同：alpha激发明显的快发光，gamma没有明显的快成分 其它晶体对alpha-gamma的波形没有此明显区别

5 常温CsI(Na)晶体探测性能 发光原理 表面效应 1. /e 为Na+发光
波长/: 410nm/600ns; 强度: 10pe/KeV 2. n为CsI发光, 为CsI和CsI(Na)发光 波长/: 310nm/16ns; 强度:0.6pe/KeV 发光原理

6 n/排斥比和有效阈值（常温） 中子常温实验结果 (<30keV)： Q-factor: 33%/CsI(Na) 核反冲探测阈值：
= 3 x (n/ 有效排斥阈值) XP2020 QPMTx2 241Am/ 3pe/keV/QPMT

7 低温下，发光增强: 100倍(液氮） ; 发光/下降16倍（积分2s）
2. 低温实验进展 低温下，发光增强: 100倍(液氮） ; 发光/下降16倍（积分2s） gamma alpha

8 波形分析(A1/A2)：n/排斥比&温度和电子数

9 低温CsI(Na)晶体发光 CsI/CsI(Na)发光波长参考 -50 oC的Alpha源信号 350nm -120 oC的Alpha源信号

10 低温实验意义 1）增加对低能核反冲的灵敏度 N x 3/keV（参考alpha) 2）压低n/有效阈值 （2倍）
CsI(Na)晶体gamma实验 1）增加对低能核反冲的灵敏度 N x 3/keV（参考alpha) 2）压低n/有效阈值 （2倍） 3）中子核反冲低能发光饱和试验？ CsI 晶体alpha实验 CsI 晶体gamma实验参考(15.8倍/液氮） -80oC为30oC的7倍 -800C,3倍

11 阈值实验： 55Fe/6keV 有表面潮解 2keV/2s

12 晶体掺杂实验： 常温241Am/60keV测量，积分时间：100ns/1.1s
12keV/2s 乌克兰样品（0.02%) 5keV/2s 硅酸盐所样品（0.2%)

13 室温25oC 60Co 乌克兰样品（0.02%) 室温25oC 60Co 硅酸盐所样品（0.2%)

14 低温-80oC 60Co 乌克兰样品（0.02%) 低温-80oC 60Co 硅酸盐所样品（0.2%)

15 室温25oC 60Co 乌克兰样品（0.02%) 参考（ 25oC ）： 中子核反冲低能发光淬灭因子：33% ，3pe/keV 低温-80oC 60Co 乌克兰样品（0.02%) 参考（ -80oC ）：alphe 发光增强7倍 中子核反冲低能发光淬灭因子：1, 10pe/keV(饱和）

16 目前试验基本结论 1）杂质浓度0.02%到0.2%，有效阈值接近减小1倍 2）常规杂质浓度(0.02%)长温阈值约为: 20keVn
5）低温环境可减低有效分辨能量阈值，与CsI的核反冲、gamma发光差异和核反冲低能饱和值有关。

17 3. 地下实验室 & 地下实验室： 地点定为：大亚湾地下5号厅 宽：10m, 可用长：10m，高度：8m 顶厚：100m，宇宙射线流强：～1/m2 & 工作计划:  2012/6/30 1） 完成工程开工设计任务书 2） 整体装置、反符合、致冷装置、中心探测器、 电子学、DAQ。 3）关键：中心探测器和运行环境 晶体阵列：4x[18cmx18cmx30cm] 总重：160kg, 晶体两端耦合3’ PMT ，数量：32只

18 4. 探测装置的新考虑 1）基于5号厅环境条件，可以采用水屏蔽装置 参考XMASS水屏蔽装置模拟对中子的屏蔽效果：107 ## 采用2m厚的水屏蔽： 大桶(不锈钢)装置：[ 5.3m X 3m] x2 （6m高） 2） VETO 探测器（在低温容器外）： 1/m2 减少无效宇宙射线标记事例，灵敏材料：液闪或water cherenkov？ 原设计装置

19 小结 CsI(Na)晶体双发光波谱对n/γ分辨能力极强，对暗物质探测能力集中于有效分辨(106)能量阈值。
温度点的选择基于低能核反冲作用(15keV)发光的饱和度。 常规杂质浓度(0.02%)长温阈值约为: 20keVn 常规杂浓度(0.02%)低温下阈值约为：10keVn 进一步减低阈值的技术仍在研究中 选用晶体两端PMT读出，晶体的防潮成为关键技术。 屏蔽装置的重点在于减少周围材料的中子本底。 计划于下半年启动地下整体试验装置工程。

20 谢谢

21 XMASS

22

23 初步本底估算 （1）各种外围材料放射性对1吨晶体测量造成的本底事例
表1为各种外围材料放射性对晶体测量造成的本底事例估计，排斥平均比对Gamma 为10-6 ,没有考虑低温Gamma 能量降低的倍数和中子的多次作用。 238U 232Th 40K Gamma (10-6 ) Energy: 3-50 keV evt/year 中子 Recoil E: 3-50keV evt/year 聚乙烯 0.1 ppb 0.01 ppb 9 2 铜屏蔽 2.2 6 冷却罐 1 ppb 2 ppb 0.5 ppb 1.3 液闪 3 铁屏蔽 0.02 0.01 岩石 10 ppm 30 ppm 5 ppm < 12 <120 1k PMTs 0.1 Bq/只 36 2k电缆 0.05 Bq/根 （2）Muon 的本底（探测效率: 99.5%）： evt/year （3）晶体（低放射性原料生产）内的本底： evt/year 1）137Cs: 2 mBq/kg  0.5 Hz/ton (beta+gamma) 2）87Rb, 1 ppb  1 Hz/ton (beta+gamma)

24 1吨质量CsI探测器探测暗物质灵敏度与本底的参考模拟。6条曲线分别对应本底的排斥比，一年运行（300天）得到的本底计数和探测暗物质灵敏度（截面质量下限）