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中微子振荡是目前唯一观测到的超出粒子物理标准模型的现象,因此被认为是发现新物理的突破口与关键。θ13是中微子振荡理论的六个基本混合参数之一,其大小决定着中微子物理的发展方向。大亚湾反应堆中微子实验的物理目标是精确测量中微子混合角参数θ13到0.01或更好。这一物理目标对大亚湾中微子探测器提出很高的设计要求。大亚湾实验作为国内首家低本底、低能量、高精度的实验,本文对大亚湾中微子实验采用的液体闪烁体和低本底两项重要探测器技术进行了详细研究。
大亚湾液体闪烁体采用了新型的LAB为溶剂,不同于以往中微子实验采用的偏三甲苯,甲苯等,研究这种新型液体闪烁体的物理性质才能深刻理解探测器的时间和能量响应。本文通过紫外激发的方式测量了LAB为溶剂的液闪的时间特性,给出了溶剂LAB、发光物质PPO、波长位移剂bis-MSB的本征发光时间,提出了发光物质到波长位移剂之间的辐射传递能量模型,提取出PPO和bis-MSB的本征发光时间。通过电离激发的方式得到了LAB到不同浓度的PPO之间的非辐射传递能量的时间和PPO的本征发光时间,且PPO的本征发光时间和用紫外单独激发PPO测到的发光时间一样。同时用单光子的方法证明了大亚湾液闪在小体积容器内具有波形分辨能力。其次测量了大亚湾液闪各成分的发射光谱、吸收、荧光量子效率,并与其他实验给出的结果非常近似。这些液闪参数的测量对大亚湾模拟软件建立正确的光学模型有重要意义。最后通过比较大量通氮或者不通氮样品的发光时间和光产额的差别,得到氧气对液闪的淬灭主要是由溶剂LAB引入。同时发现大亚湾液闪的光产额随温度的降低而升高。淬灭效应的研究对保持大亚湾中心探测器各模块的全同性和提高能量分辨具有指导意义。
利用Geant4模拟了天然放射性铀,钍,钾在大亚湾液闪和其他材料中引入的各种关联和非关联本底。模拟并计算了大亚湾液闪在生产,存储和灌装过程中引入的氡气对(α,n)关联本底的贡献。从而对材料的各种放射性含量提出要求,为大亚湾中心探测器的设计和建造提供了重要依据。
低本底反康普顿伽马谱仪的研制是对低本底探测器研究的进一步发展。本论文提出了详细的设计方案,基于Geant4开发了伽马谱仪的模拟软件包HPGe,并通过模拟细致地优化和验证了探测器设计,通过这一研究,将为极低本底伽马谱仪的研制提供有力依据和实际经验。