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XENON1T探测器氙回收存储系统安全运行模式的实验方案研究

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第1章 绪论

1.1 本文研究背景

1.2 暗物质探测研究现状

1.3 液氙低温存储器研究现状

1.4 选题的意义和本文的主要工作

第2章 XENON1T实验项目液氙回收存储系统介绍

2.1 XENON1T实验简介

2.2 氙回收存储系统ReStoX介绍

2.3 本章小结

第3章 ReStoX安全运行模式实验方案研究

3.1 ReStoX安全运行模式设计

3.2 ReStoX系统设备与仪器控制

3.3 ReStoX安全运行模式操作流程

3.4 ReStoX操作系统界面设计

3.5 本章小结

第4章 ReStoX安全运行模式稳态设计

4.1 ReStoX系统热力学计算

4.2 ReStoX系统热引入

4.3 ReStoX热力学参数计算

4.4 本章小结

第5章 ReStoX热力学动态仿真

5.1 ReStoX工程模型

5.2 ReStoX模型热力学动态仿真

5.3 ReStoX运行项目管理

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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摘要

国际暗物质探测研究项目XENON组织先后研发并建造了XENON10和XENON100液氙基暗物质探测器，现在正在建造XENON1T探测器。该XENON1T探测器将使用容量为3吨的液氙探测器对暗物质进行探测，该探测器是迄今世界上大型吨级液氙探测器之一，预计于2015年投入暗物质探测运行。Subatech实验室承担了XENON1T实验的氙回收和储存系统ReStoX（Recuperation and Storage of XENON）的设计和建造工作，该系统对XENON1T实验的安全运行有着重要作用。ReStoX系统在实验初期阶段承担大量液氙收集和净化工作并将纯净的液氙传输至探测器系统，实验运行期间ReStoX需长期保持低温低压状态，并在XENON1T实验低温恒温探测器主动中止或被动中止探测工作的情况下，承担氙及时回收和安全存储工作，ReStoX的系统功能能够保证XENON1T实验安全运行和氙的安全存储。
　　本研究工作在对XENON1T进行深入了解的基础上，研究了ReStoX系统安全运行模式，对原有工程设计方案提出了改进建议，初次为ReStoX系统进行热力学计算，并通过仿真分析验证改进后方案。本研究设计、计算和仿真工作确实提高了系统的安全性和可操作性。
　　上述研究工作主要包括以下几个方面：1.提供了ReStoX系统的运行文件；2.计算了ReStoX系统的运行参数；3.使用热力学瞬态仿真的方法模拟了ReStoX系统的运行状态。取得的成果如下：
　　（1）本文在ReStoX前期工作文件和最新版工程设计的基础上，研究了ReStoX系统的子系统功能并提出新的改进建议。根据XENON1T实验需求设计ReStoX系统新版安全运行模式，定义子系统工作流程以保证ReStoX系统能够完成氙传输、回收和安全存储的功能，该安全运行模式设计的实验方案研究工作为ReStoX系统提供控了相应的使用案例报告、设备与仪器控制表和ReStoX操作面板。
　　（2）为了进一步完善安全运行模式设计、提供ReStoX系统各个安全运行模式下的运行参数，本研究根据 ReStoX系统工程设计和实验操作运行设计，基于 MATLAB和ReFPROP软件平台计算了各个安全运行模式下ReStoX系统的热量引入，并根据热量平衡获得氮冷却系统所需提供的冷却功率。该热力学计算为ReStoX系统的各个安全运行模式提供安全运行参数，设计了ReStoX系统唯一冷源——氮冷却系统不同阶段的运行参数，在 ReStoX系统投入实际运行之前，也为 ReStoX系统的项目管理提供了项目运行时间和氮消耗管理等运行信息，完善了ReStoX系统的运行准备工作。
　　（3）ReStoX系统这样大型的液氙操作设备是无法使用昂贵的氙进行真正的低温试验运行，在经过对系统的深入了解和热力学计算之后，为了弥补ReStoX不能进行带氙低温试验的缺点和验证热力学计算的正确性，本研究提出了使用ANSYS Workbench热力学仿真模块对ReStoX系统进行热力学仿真的解决方法。该热力学仿真是基于本研究的稳态热力学计算结果和热力学简化三维模型，根据各个安全运行模式运行时间进行的瞬态热力学仿真。该热力学仿真研究能够验证氮冷却系统冷却功率的有效性，获得ReStoX系统结构仿真运行过程中的温度变化，并在ReStoX系统投入实际运行之前提供相关瞬态热力学仿真运行经验弥补了系统的不足。
　　本研究工作为最终的ReStoX系统工程设计所提出的改进建议，为其设计新的安全运行模式，定义ReStoX系统实验方案并通过热力学计算和仿真为其提供依据。本研究进一步完善了 ReStoX系统的运行方案，保障了 ReStoX系统的运行安全和功能实现，确保了ReStoX系统能够按照安全运行模式设计顺利完成氙传输、回收和安全存储系统功能，保证了XENON1T实验的安全运行。

著录项

  • 作者

    董业旻;

  • 作者单位

    哈尔滨工程大学;

  • 授予单位 哈尔滨工程大学;
  • 学科 核能与核技术工程
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 夏虹;
  • 年度 2014
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 TL933;
  • 关键词

    暗物质探测; 液氙收集; 存储系统; 安全运行;

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