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锦屏深地核天体物理实验BGO探测器的研制

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目录

声明

1引言

1.1核天体物理简介

1.1.1 核天体物理学的研究内容及重大意义

1.1.2恒星的诞生和演化

1.1.3 伽莫夫窗口

1.2锦屏深地实验室重大项目简介

1.2.1 JUNA项目立项依据

1.2.2 JUNA项目实验室

1.2.3 JUNA项目研究方案

1.2.4 JUNA项目的预期成果

1.3 γ射线探测的相关知识

1.3.1 γ射线与物质的相互作用

1.3.2 γ射线探测器简介

1.4 BGO的发展历史及研究现状

1.4.1 BGO的物理特征

1.4.2 BGO的研究历史

1.4.3 BGO的生长技术简介

1.4.4 上海硅酸盐研究所与BGO

1.5 本论文的结构

2 BGO探测器的阵列制定及模拟

2.1 国外实验室采用的BGO阵列调研

2.2 我们设计的两种探测器阵列方案

2.3 两种探测器阵列方案的模拟

2.4 探测器晶体长度的选择

3 BGO原型机的组装及测试

3.1组装BGO原型机

3.1.1 反射材料的选择

3.1.2 BGO原型机的组装

3.2 BGO原型机测试

3.2.1 BGO原型机的能量分辨率测试

3.2.2 BGO原型机测试本底

4 BGO温度特性研究

4.1 小尺寸BGO温度特性初步研究

4.1.1小尺寸BGO温度特性初步研究的实验装置

4.1.2 小尺寸BGO温度特性实验测量

4.1.3 小尺寸BGO温度特性实验结果

4.2 大尺寸BGO温度特性研究

4.2.1大尺寸BGO温度特性研究的实验装置

4.2.2大尺寸BGO温度特性研究的实验结果

4.3改进后的BGO原型机的温度特性研究

4.3.1 BGO原型机和冷却系统的改进

4.3.2 改进后的大尺寸BGO温度特性研究实验测量

4.3.2 改进后的大尺寸BGO温度特性研究结果

4.3.3 讨论与总结

5总结

参考文献

个人简介

致谢

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摘要

锦屏深地核天体物理实验(Jinping Underground NuclearAstrophysics lab,简称JUNA)项目将在中国锦屏深地实验室开展恒星平稳氦燃烧阶段关键的(α,γ)和(α,n)反应,以及恒星平稳氢燃烧阶段关键的(p,γ)和(p,α)反应的直接测量。该项目需要一个高探测效率的4π阵列γ探测器和本底极低的实验环境。考虑到锗酸铋(Bi4Ge3O12,简称BGO)的探测效率高,阻止本领强,放射性本底低和不易潮解等优良性能,JUNA项目计划研制一套BGO探测器阵列,用于(α,γ)和(p,γ)反应的γ射线探测。  我们为BGO探测器阵列设计了两种方案,然后通过对两种方案的12C(a,γ)16O实验能谱模拟,确定采用由八块梯形组成的阵列方案。然后通过对相对效率的计算,确定将探测器阵列的长度设计为250 mm。  为了测试上海硅酸盐研究所生产的BGO晶体是否满足我们的实验要求,我们先组装了一台BGO原型机,并用其进行了能量分辨率测试。测试结果表明硅酸盐研究所生产的BGO晶体能量分辨率和稳定性等性能达到世界先进水平,满足我们要求。由于JUNA项目对实验环境本底的要求极高,我们又用原型机进行了本底测试,并根据测试结果,对实验使用的屏蔽体进行了改善。最终,我们设计出了基本达到实验要求的屏蔽方案。  由于BGO晶体的光产额对温度敏感,用BGO探测器探测γ射线时,温度的变化会导致γ能谱峰位的漂移和能量分辨率的变化。国内外针对这一问题的研究所使用的BGO的尺寸都比较小,为了探究温度对大尺寸BGO探测器测量的影响,我们用自己设计并制作了简易制冷系统,先后对尺寸为4cm×4 cm×3 cm和6 cm×8 cm×25 cm的BGO晶体进行了降温,用137Cs源测量了其γ能谱峰位和能量分辨率,对BGO探测器性能随温度的变化关系进行了研究。结果表明:在我们测试的温度区间内,BGO探测器的γ能谱峰位与温度呈良好的线性关系,能量分辨率随温度的降低而提高。通过这次测试,我们对BGO的温度特性有了一定认识,也为将来研制BGO探测器阵列和地下实验测量积累了数据。

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