新型球形TPC探测器的测试与研究

Neutrino physics and dark matter detection are frontier topics of current particle physics. Underground experiments with good rock shielding, ultra low background and ultra low energy thresholds are keys to successful detections of signals from neutrino and WIMPs scattering. A novel type of detector (Spherical TPC or STPC) with spherical symmetry and single center dynode, was proposed by I. Gioamataris et al. in 20xx to observe neutrino coherent scattering events, supernovae neutrinos, neutrons and dark matter (Gerbier et al., 2014). The STPC has a large volume and ultra small front end capacity to enable ultra low energy threshold (30 to 200eV) with very good energy resolution. The signal waveform response can be used for particle identification and particle track reconstruction. It can be filled with different working gases and run under different conditions for multi-detection goals. This kind of detector is easy to use and maintain with very low cost. In collaboration with Tsinghua University Center for Astrophysics and French colleagues, we have setup a prototype system for the study of this detector at IHEP, to measure its performance with different gases and different run conditions and to develop its response and analysis model with calibration and simulation. The first technical challenge is to ensure stable low noise measurement conditions with good quality gas purification. We plan to use the STPC for neutron background measurements in China Jinping underground laboratory, and to verify its possibility for use in neutrino and dark matter physics.

中微子物理、暗物质探测是当今粒子物理的前沿研究领域，深地下、大型粒子物理实验是其主要研究方式，低本底、低阈值、长时间稳定运行是该类实验的关键技术。新型球形TPC探测器，采用球对称、中心单阳极结构，具有大腔体、极小前端电容的特点，可实现低探测器阈值（30~200eV）以及优良的能量分辨率；其信号响应波形为后续粒子鉴别、事例顶点重建提供了可能性；根据实验目的，更换工作气体、运行条件，可实现该探测技术的广泛应用；该型探测器运行维护简便，成本低廉，一旦技术成熟，将为中微子物理、暗物质探测及天体物理研究提供一种崭新的手段。鉴于该型探测器的独有特点，并与国际研究者合作，高能物理研究所与清华大学将在高能所共同搭建该探测器的模型研究系统，用于不同工作气体、条件下探测器性能的测试与研究，通过探测器刻度及模拟建立探测器响应与分析模型，并应用于中子本底测量，完善和验证该技术应用于中微子、暗物质探测的可行性。

中微子物理、暗物质探测是当今粒子物理的前沿研究领域，深地下、大型粒子物理实验是其主要研究方式，低本底、低阈值、长时间稳定运行是该类实验的关键技术。新型球形时间投影室（STPC）气体探测器，采用球对称、中心单阳极结构，具有大腔体、极小前端电容的特点，可实现低探测器阈值以及优良的能量分辨率。高能物理研究所与清华大学将在高能所共同搭建该探测器的模型研究系统，测试与研究探测器性能，通过探测器刻度及模拟建立探测器响应模型，完善和验证该技术应用于中微子、暗物质探测的可行性。.本课题主要完成工作包括：建立并测试探测器腔体真空环境，建立前端电子学、数据获取系统实现信号测量；模拟计算探测器内部电场分布、粒子在探测器内部的能量沉积及响应，计算氡气衰变链上粒子能量沉积、入射距离等分布，及探测器电场作用模拟探测器响应；检验探测器长时间运行的稳定性、系统变化情况，检验无人工干预条件下探测器长时间气密性、探测器响应稳定性、电子学及数据获取系统的稳定性，进行不同条件下长时间老练运行，积累测量数据，长时间（>1月）密闭运行正常，实现预期目标。分析STPC探测器响应，包括信号上升时间、下降时间、能量特性；粒子分辨能力、位置重建能力。确认探测器在当前配置条件下能够区分电子、alpha、宇宙线事例，并与探测器数值模拟计算基本一致。 对探测器进行刻度研究，分别采用X射线源Am241，中子源Cf252，氡气源（Rn220）对探测器进行了刻度测量，对探测器响应初步研究。探测器对X射线、氡气（Alpha）均具有较好的分辨能力；根据研究成果，开发、改进制作模型探测器，邀请国内厂家首次生产铜质耐压、低本底、高精度球形探测器；设计、制作高抽速、高真空真空系统；改进电子学、取数系统设计开展中子流强测量与分析研究工作。为进一步进行方向性暗物质研究的前期计算与预研工作打下较好基础。