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.中國科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理重點實驗室，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 長春 130012)

0 引 言

近年許多發(fā)現(xiàn)與研究證實了暗物質(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)是有可能被實驗室儀器探測到的[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，它的特點是大質(zhì)量、不帶電、有弱相互作用。暗物質(zhì)的主要探測方法可分為：直接探測[2]，間接測量[3]以及加速器探測[4]。

暗物質(zhì)的直接探測需要一個低本底的探測環(huán)境，為了減少宇宙線對探測的干擾，許多國家建立了深地實驗室[5]。

1 實驗背景

中國錦屏地下實驗室(China Jinping Underground Laboratory,CJPL)于2010年12月正式建成啟用。CJPL正式運行后，中國暗物質(zhì)實驗(China Dark Matter Experiment，CDEX)合作組率先在CJPL中開展實驗研究，建立了國際上單體質(zhì)量最大(1kg)的點電極高純鍺探測器，開展暗物質(zhì)直接探測實驗[6]。

截至今日，中國錦屏地下實驗室為全世界最深的地下實驗室(埋深2400m)，可以隔絕絕大部分宇宙線，這為國內(nèi)暗物質(zhì)探測工作提供了絕佳的實驗環(huán)境[7]。

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

雖然山體可以阻擋絕大多數(shù)宇宙線，但是在地下實驗的環(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本實驗的影響。

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在很短的時間內(nèi)衰變完，因而主要研究的是222Rn對探測器的影響。

2 實驗設(shè)備

研制了CCD暗物質(zhì)探測原型裝置，并在中國錦屏地下實驗室采集數(shù)據(jù)。利用中國錦屏地下實驗室的極低宇宙線實驗環(huán)境，可測量和研究CCD探測器本底和其他性能，并為未來基于CCD探測器開展暗物質(zhì)直接探測實驗積累技術(shù)基礎(chǔ)。

針對環(huán)境放射性氡氣對CCD探測器計數(shù)率影響的問題，通過對地下CCD本底的長期監(jiān)測，對比實驗室氡氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得到氡氣濃度與CCD計數(shù)率之間的關(guān)系。

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

實驗設(shè)備包括：CCD236探測器、鉛磚、PC機、控溫儀、數(shù)采系統(tǒng)、探測器機箱、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，地下實驗的便攜式低溫真空系統(tǒng)放置在鉛磚的屏蔽體內(nèi)，實驗裝置連接如圖 1所示，實驗裝置的現(xiàn)場實物圖如圖 2所示。探測器與冷板通過壓框與螺絲壓緊，連同控制探測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)包圍起來以減少環(huán)境本底的影響。前端放大電路通過真空低溫系統(tǒng)罐壁上的電連接器與探測器機箱連接，探測器機箱通過一臺四路直流穩(wěn)壓電源給探測器機箱供電；數(shù)采系統(tǒng)與探測器機箱通過LVDS接口相連、通過USB接口與PC機相連；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相連，氦脈沖管制冷機提供冷量，控溫儀通過加熱補償?shù)姆绞娇刂评浒鍦囟葹?120.0±0.1℃，為CCD236探測器提供穩(wěn)定的工作環(huán)境。

圖1 實驗設(shè)備框圖

圖2 本底實驗設(shè)備現(xiàn)場實物圖

兩個CCD236探測器模塊面對面放置，如圖 3-a[13]，通過低本底無氧銅壓框固定，外圍使用聚四氟乙烯板加無氧銅結(jié)構(gòu)屏蔽，如圖 4，單個CCD236模塊的結(jié)構(gòu)示意圖 3-b，每個模塊封裝4個CCD236探測器。使用無氧銅的原因一是為了導(dǎo)熱，二是無氧銅中氧的X射線熒光很少，三是無氧銅自身本底低，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其影響。外層聚四氟乙烯對中子也有一定屏蔽作用。

圖3 CCD236模塊面對面放置示意圖

圖4 聚四氟乙烯板實物圖

3 實驗數(shù)據(jù)處理

3.1 反符合判定

粒子打到探測器上會產(chǎn)生電信號。實驗采用長曝光工作模式，一個曝光周期(201.5ms)內(nèi)，所有探測器上產(chǎn)生大于一個信號時，認(rèn)為它是帶電粒子引起的本底，產(chǎn)生的信號為反符合事例。反符合探測的好處是可以降低帶電粒子本底，從而達(dá)到改善待測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

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

實驗獲得能譜如圖 5。實驗設(shè)備中探測器通過無氧銅壓框來固定，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，有可能來自于標(biāo)定時55Fe放射源的少量殘留。在探測時，CCD探測器中的Si原子中的內(nèi)層電子被激發(fā)躍遷，外層電子退激發(fā)時釋放光子，形成能譜中1.7keV處的Si-Kα線。通過反符合，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 計數(shù)與氡氣關(guān)系分析

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

圖6 日均氡氣濃度與計數(shù)率隨時間變化圖

圖7 月均氡氣濃度與計數(shù)率隨時間變化圖

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

圖8 符合計數(shù)與氡氣濃度相關(guān)性圖

圖9 反符合計數(shù)與氡氣濃度相關(guān)性圖

圖10 總計數(shù)與氡氣濃度相關(guān)性圖

4 結(jié) 論

在中國錦屏地下實驗室，使用一套CCD探測器系統(tǒng)對CCD本底進(jìn)行了長期監(jiān)測。通過一年的實驗數(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，這分別與硅探測器本身、無氧銅材料和標(biāo)定源放射性殘留有關(guān)；

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

在今后的CCD暗物質(zhì)探測實驗設(shè)計中，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，同時也需要注意降低氡氣的影響。