CCD暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)原型裝置放射性氡本底研究①

張佳偉，李淑俠，祝宇軒，趙曉帆，張春雷，楊彥佶，崔葦葦，蔣文麗,

(1.黑龍江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049;3.北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100048;4.吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

近年許多發(fā)現(xiàn)與研究證實(shí)了暗物質(zhì)的存在，然而什么是暗物質(zhì)、暗物質(zhì)的性質(zhì)是怎樣的？這些都還不得而知。人們一直在努力尋求暗物質(zhì)的真相，理論研究表明暗物質(zhì)極有可能與常規(guī)物質(zhì)有微弱的非引力相互作用，這意味暗物質(zhì)是有可能被實(shí)驗(yàn)室儀器探測(cè)到的[1]。弱相互作用質(zhì)量粒子(Weakly Interacting Massive Particle，WIMPs)是一種重要的暗物質(zhì)候選者，它的特點(diǎn)是大質(zhì)量、不帶電、有弱相互作用。暗物質(zhì)的主要探測(cè)方法可分為：直接探測(cè)[2]，間接測(cè)量[3]以及加速器探測(cè)[4]。

暗物質(zhì)的直接探測(cè)需要一個(gè)低本底的探測(cè)環(huán)境，為了減少宇宙線對(duì)探測(cè)的干擾，許多國(guó)家建立了深地實(shí)驗(yàn)室[5]。

1 實(shí)驗(yàn)背景

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(China Jinping Underground Laboratory,CJPL)于2010年12月正式建成啟用。CJPL正式運(yùn)行后，中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)(China Dark Matter Experiment，CDEX)合作組率先在CJPL中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，建立了國(guó)際上單體質(zhì)量最大(1kg)的點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器，開(kāi)展暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)[6]。

截至今日，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室為全世界最深的地下實(shí)驗(yàn)室(埋深2400m)，可以隔絕絕大部分宇宙線，這為國(guó)內(nèi)暗物質(zhì)探測(cè)工作提供了絕佳的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[7]。

CCD探測(cè)器具有閾值低的優(yōu)勢(shì)，適合低質(zhì)量暗物質(zhì)的探測(cè)[8]。研制了一套CCD暗物質(zhì)探測(cè)原型實(shí)驗(yàn)裝置，在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了性能研究和本底探測(cè)。

雖然山體可以阻擋絕大多數(shù)宇宙線，但是在地下實(shí)驗(yàn)的環(huán)境中依舊存在各種放射性物質(zhì)，如建筑材料，以及從巖石、土壤中析出的氡及同位素等，本文主要考慮的是氡及子體對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響。

自然界中的氡有三種同位素[9]，分別是：

222Rn、220Rn、219Rn，其半衰期分別為：3.825d，55.6s和3.82s，由于220Rn和219Rn半衰期很短，巖體中產(chǎn)生的220Rn和219Rn只有很少一部分能夠釋放到環(huán)境中，但是這一少部分也會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)衰變完，因而主要研究的是222Rn對(duì)探測(cè)器的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

研制了CCD暗物質(zhì)探測(cè)原型裝置，并在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室采集數(shù)據(jù)。利用中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的極低宇宙線實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可測(cè)量和研究CCD探測(cè)器本底和其他性能，并為未來(lái)基于CCD探測(cè)器開(kāi)展暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)積累技術(shù)基礎(chǔ)。

針對(duì)環(huán)境放射性氡氣對(duì)CCD探測(cè)器計(jì)數(shù)率影響的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)地下CCD本底的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)室氡氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可得到氡氣濃度與CCD計(jì)數(shù)率之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)探測(cè)器采用兩個(gè)CCD236模塊，CCD236是新一代的SCD(Swept Charge Device)探測(cè)器[10]，也是慧眼衛(wèi)星LE使用的探測(cè)器[11,12]。本實(shí)驗(yàn)探測(cè)器的標(biāo)定已在地上實(shí)驗(yàn)室完成[13]，而本文著重于介紹地下實(shí)驗(yàn)及結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：CCD236探測(cè)器、鉛磚、PC機(jī)、控溫儀、數(shù)采系統(tǒng)、探測(cè)器機(jī)箱、直流穩(wěn)壓電源以、交流電源和便攜式低溫真空系統(tǒng)。為了屏蔽環(huán)境中的天然放射本底，地下實(shí)驗(yàn)的便攜式低溫真空系統(tǒng)放置在鉛磚的屏蔽體內(nèi)，實(shí)驗(yàn)裝置連接如圖 1所示，實(shí)驗(yàn)裝置的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖 2所示。探測(cè)器與冷板通過(guò)壓框與螺絲壓緊，連同控制探測(cè)器的前端放大電路放置在真空罐中，然后用鉛磚將便攜式真空低溫系統(tǒng)包圍起來(lái)以減少環(huán)境本底的影響。前端放大電路通過(guò)真空低溫系統(tǒng)罐壁上的電連接器與探測(cè)器機(jī)箱連接，探測(cè)器機(jī)箱通過(guò)一臺(tái)四路直流穩(wěn)壓電源給探測(cè)器機(jī)箱供電；數(shù)采系統(tǒng)與探測(cè)器機(jī)箱通過(guò)LVDS接口相連、通過(guò)USB接口與PC機(jī)相連；其中數(shù)采系統(tǒng)有采集數(shù)據(jù)和發(fā)送指令的功能。冷板與控溫儀和氦脈沖管制冷機(jī)相連，氦脈沖管制冷機(jī)提供冷量，控溫儀通過(guò)加熱補(bǔ)償?shù)姆绞娇刂评浒鍦囟葹?120.0±0.1℃，為CCD236探測(cè)器提供穩(wěn)定的工作環(huán)境。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備框圖

圖2 本底實(shí)驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

兩個(gè)CCD236探測(cè)器模塊面對(duì)面放置，如圖 3-a[13]，通過(guò)低本底無(wú)氧銅壓框固定，外圍使用聚四氟乙烯板加無(wú)氧銅結(jié)構(gòu)屏蔽，如圖 4，單個(gè)CCD236模塊的結(jié)構(gòu)示意圖 3-b，每個(gè)模塊封裝4個(gè)CCD236探測(cè)器。使用無(wú)氧銅的原因一是為了導(dǎo)熱，二是無(wú)氧銅中氧的X射線熒光很少，三是無(wú)氧銅自身本底低，可以屏蔽γ射線及荷電粒子，有效減少真空罐材料放射性本底對(duì)其影響。外層聚四氟乙烯對(duì)中子也有一定屏蔽作用。

圖3 CCD236模塊面對(duì)面放置示意圖

圖4 聚四氟乙烯板實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 反符合判定

粒子打到探測(cè)器上會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)曝光工作模式，一個(gè)曝光周期(201.5ms)內(nèi)，所有探測(cè)器上產(chǎn)生大于一個(gè)信號(hào)時(shí)，認(rèn)為它是帶電粒子引起的本底，產(chǎn)生的信號(hào)為反符合事例。反符合探測(cè)的好處是可以降低帶電粒子本底，從而達(dá)到改善待測(cè)事件能譜特性的目的。進(jìn)行反符合處理之后的數(shù)據(jù)，記為反符合事例，進(jìn)行處理之前的數(shù)據(jù)記為符合事例，符合事例與反符合事例之和則為總事例。

3.2 能譜獲得

對(duì)于CCD探測(cè)器來(lái)說(shuō)，分裂事例是指粒子與探測(cè)器物質(zhì)相互作用下產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)被不同的電極收集，被記錄成兩個(gè)或兩個(gè)以上的事例。數(shù)據(jù)處理中分裂事例的判斷依據(jù)是同一個(gè)探測(cè)器連續(xù)兩個(gè)或兩個(gè)以上周期內(nèi)被采集到的事例。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)相鄰的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，時(shí)間間隔小于等于一個(gè)周期的則記為分裂事例，大于一個(gè)周期的記為單事例。

實(shí)驗(yàn)獲得能譜如圖 5。實(shí)驗(yàn)設(shè)備中探測(cè)器通過(guò)無(wú)氧銅壓框來(lái)固定，因此可以看到8.0keV處的Cu-Kα線。能譜圖中能觀察到5.9keV處的Mn-Kα線，有可能來(lái)自于標(biāo)定時(shí)55Fe放射源的少量殘留。在探測(cè)時(shí)，CCD探測(cè)器中的Si原子中的內(nèi)層電子被激發(fā)躍遷，外層電子退激發(fā)時(shí)釋放光子，形成能譜中1.7keV處的Si-Kα線。通過(guò)反符合，將通道間相互關(guān)聯(lián)的事例扣除。

圖5 分裂事例與單事例能譜圖

3.3 計(jì)數(shù)與氡氣關(guān)系分析

統(tǒng)計(jì)了2017年1月至2018年1月一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了反符合處理。圖 6為實(shí)驗(yàn)室的氡氣濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和CCD236探測(cè)器的計(jì)數(shù)率隨時(shí)間的變化。從氡氣濃度和計(jì)數(shù)率的走勢(shì)，觀察到氡氣濃度與計(jì)數(shù)率具有相關(guān)性。由于222Rn的半衰期為3.825d，探測(cè)器對(duì)氡氣濃度的反應(yīng)可能有一定滯后性，為了進(jìn)一步研究氡氣濃度對(duì)CCD236探測(cè)器的影響，統(tǒng)計(jì)了每個(gè)月的計(jì)數(shù)，按實(shí)際的觀測(cè)天數(shù)和每天的曝光時(shí)間進(jìn)行歸一，得到如圖 7歸一后的日計(jì)數(shù)和氡氣濃度的散點(diǎn)圖。圖中可以明顯的看到計(jì)數(shù)和氡氣濃度有相關(guān)性。

圖6 日均氡氣濃度與計(jì)數(shù)率隨時(shí)間變化圖

圖7 月均氡氣濃度與計(jì)數(shù)率隨時(shí)間變化圖

對(duì)氡氣濃度分別與符合計(jì)數(shù)、反符合計(jì)數(shù)以及總計(jì)數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性計(jì)算，如圖 8、圖 9和圖 10所示。氡氣濃度與符合計(jì)數(shù)的相關(guān)性因子為0.91±0.03，與反符合計(jì)數(shù)的相關(guān)因子為0.94±0.03，與總計(jì)數(shù)的相關(guān)因子為0.90±0.03，均屬于強(qiáng)相關(guān)，計(jì)算反符合計(jì)數(shù)截距為283±21cts/day，說(shuō)明理論上氡氣值為0的時(shí)候，探測(cè)器得到的計(jì)數(shù)為283cts/day?？梢?jiàn)，在長(zhǎng)期的觀測(cè)中，氡氣的濃度對(duì)探測(cè)器本底的影響很明顯，在后期的處理中，為了得到更準(zhǔn)確的本底計(jì)數(shù)和能譜，需要扣除這部分影響。

圖8 符合計(jì)數(shù)與氡氣濃度相關(guān)性圖

圖9 反符合計(jì)數(shù)與氡氣濃度相關(guān)性圖

圖10 總計(jì)數(shù)與氡氣濃度相關(guān)性圖

4 結(jié) 論

在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，使用一套CCD探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)CCD本底進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。通過(guò)一年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論：

1)在CCD本底能譜中有Si-Kα、Cu-Kα和Mn-Kα的X射線全能峰，這分別與硅探測(cè)器本身、無(wú)氧銅材料和標(biāo)定源放射性殘留有關(guān)；

2)在分析總計(jì)數(shù)、符合計(jì)數(shù)和反符合計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了它們都與實(shí)驗(yàn)室中氡氣的濃度呈明顯的正相關(guān)(符合計(jì)數(shù)正相關(guān)系數(shù)0.91±0.03，反符合計(jì)數(shù)正相關(guān)系數(shù)0.94±0.03總計(jì)數(shù)正相關(guān)系數(shù)0.90±0.03)。

在今后的CCD暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，需要充分考慮任何可能影響的因素，例如放射性材料，以及環(huán)境中的放射性氣體等，可使用鈹?shù)炔牧掀帘蝀射線熒光，同時(shí)也需要注意降低氡氣的影響。