极低本底热中子探测技术研究

Due to its ultra low cosmic ray background, underground laboratories are ideal experimental places to search for rare events, such as dark matter, double-beta decay, neutrino oscillation and so on. These kinds of experiments are very sensitive to the background in the underground laboratories and could be influenced seriously by the ultra low cosmic ray background and other radiation backgrounds dominated by neutrons from the rocks around the underground laboratories. So, all the underground laboratories running in the world need to study their backgrounds in details. Since each underground laboratory has its unique natural environment, for example the different thickness of the covered rocks and the different components contained in the rocks around the laboratory, the measurement results of the background level at each underground laboratory are different. The underground laboratories built and developed in China, especially the deepest underground laboratory in the world named the China Jinping Underground Laborotory ( CJPL ), need to study the laboratory background in details as well. To meet the requirement of the measurement of the ultra low environmental radiation background in the underground laboratories, this project will focus on the study of the detection technology of the ultra low thermal neutron background. In this project, we will design a new type of position sensitive ultra low background thermal neutron detector based on helium-3 proportional counter, master the key technology for measuring the ultra low thermal neutron background, and provide the important support to measure the ultra low thermal neutron background level which is crucial for the various leading basic research projects carried on in underground laboratory.

地下实验室具有极低的宇宙射线本底,是开展暗物质探测、双β衰变测量、中微子振荡等一些重大基础性前沿课题的理想实验场所。不过,地下实验室中仍然存在极低的宇宙射线本底以及由岩石等产生的微量辐射本底，可能对实验研究工作造成严重影响。参照国际经验,地下实验室都要对本底水平进行详细研究，其中，极低本底中子辐射水平测量是最受关注的测量项目之一。我国正在建设世界上最深的中国锦屏地下实验室,迫切需要测量其辐射本底水平。本项目将针对地下实验室极低环境本底测量的需求,对极低本底热中子探测技术进行研究。研究极低本底热中子测量的物理问题与影响机理,研究并掌握极低本底热中子测量的关键技术，设计实现新型位置灵敏极低本底热中子探测器,为地下实验室建设发展及相关重大前沿探索研究课题提供精确的热中子本底参数。

地下实验室由于宇宙线本底低，成为暗物质直接探测、无中微子双β衰变等重大基础性前沿课题的理想实验场所。这些课题所探测的对象具有极低的事例率，对本底水平的测量和控制成为这类实验的关键。中子是地下实验室非常重要的一种本底，因此，本项目围绕极低本底热中子探测技术展开了详细研究。项目选择3He正比管作为低本底热中子探测器，通过模拟计算深入研究了各种设计参数对3He正比管工作性能的影响机理，提出并设计了位置灵敏3He正比管以及4He对比管相结合的探测器和读出电子学系统，研究了正比管探测器自身的本底特性及其位置分布。在该基础上，针对降低热中子探测下限的目标，提出了沉积能量-上升时间法和电流波形双峰甄别法两种低本底热中子测量方法。本项目对两种低本底热中子测量方法的工作机理和影响因素都进行了详细的理论分析与研究，确定了探测器和电子学的关键设计参数，优化设计出了相应的低本底热中子探测器和读出电子学系统以及数据处理分析方法。通过中子源刻度、低本底环境测量等实验方法，对设计的探测器和读出电子学系统进行了测试，实验结果表明两种低本底热中子测量方法的测量下限都达到了1.3×10-8cm-2s-1的水平，其中电流波形甄别方法还有进一步降低探测下限的潜力。进一步，利用设计的低本底热中子探测系统对中国锦屏地下实验室（CJPL）多个位置的热中子本底进行了长期的测量，并给出了CJPL I期、II期以及中国暗物质实验（CDEX）多级屏蔽体内部热中子本底的测量结果。相关实验测量结果不仅验证了本项目提出的低本底热中子探测技术用于深地实验室热中子本底测量的可行性，同时对CDEX实验和CJPL的建设也有着重要的参考意义。