CCD暗物质实验原型装置放射性氡本底研究①

张佳伟，李淑侠，祝宇轩，赵晓帆，张春雷，杨彦佶，崔苇苇，蒋文丽,

(1.黑龙江大学物理科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150080;2.中国科学院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室，北京 100049;3.北京师范大学核科学与技术学院，北京 100048;4.吉林大学物理学院，吉林 长春 130012)

0 引 言

近年许多发现与研究证实了暗物质的存在，然而什么是暗物质、暗物质的性质是怎样的？这些都还不得而知。人们一直在努力寻求暗物质的真相，理论研究表明暗物质极有可能与常规物质有微弱的非引力相互作用，这意味暗物质是有可能被实验室仪器探测到的[1]。弱相互作用质量粒子(Weakly Interacting Massive Particle，WIMPs)是一种重要的暗物质候选者，它的特点是大质量、不带电、有弱相互作用。暗物质的主要探测方法可分为：直接探测[2]，间接测量[3]以及加速器探测[4]。

暗物质的直接探测需要一个低本底的探测环境，为了减少宇宙线对探测的干扰，许多国家建立了深地实验室[5]。

1 实验背景

中国锦屏地下实验室(China Jinping Underground Laboratory,CJPL)于2010年12月正式建成启用。CJPL正式运行后，中国暗物质实验(China Dark Matter Experiment，CDEX)合作组率先在CJPL中开展实验研究，建立了国际上单体质量最大(1kg)的点电极高纯锗探测器，开展暗物质直接探测实验[6]。

截至今日，中国锦屏地下实验室为全世界最深的地下实验室(埋深2400m)，可以隔绝绝大部分宇宙线，这为国内暗物质探测工作提供了绝佳的实验环境[7]。

CCD探测器具有阈值低的优势，适合低质量暗物质的探测[8]。研制了一套CCD暗物质探测原型实验装置，在中国锦屏地下实验室中进行了性能研究和本底探测。

虽然山体可以阻挡绝大多数宇宙线，但是在地下实验的环境中依旧存在各种放射性物质，如建筑材料，以及从岩石、土壤中析出的氡及同位素等，本文主要考虑的是氡及子体对本实验的影响。

自然界中的氡有三种同位素[9]，分别是：

222Rn、220Rn、219Rn，其半衰期分别为：3.825d，55.6s和3.82s，由于220Rn和219Rn半衰期很短，岩体中产生的220Rn和219Rn只有很少一部分能够释放到环境中，但是这一少部分也会在很短的时间内衰变完，因而主要研究的是222Rn对探测器的影响。

2 实验设备

研制了CCD暗物质探测原型装置，并在中国锦屏地下实验室采集数据。利用中国锦屏地下实验室的极低宇宙线实验环境，可测量和研究CCD探测器本底和其他性能，并为未来基于CCD探测器开展暗物质直接探测实验积累技术基础。

针对环境放射性氡气对CCD探测器计数率影响的问题，通过对地下CCD本底的长期监测，对比实验室氡气监测数据，可得到氡气浓度与CCD计数率之间的关系。

实验探测器采用两个CCD236模块，CCD236是新一代的SCD(Swept Charge Device)探测器[10]，也是慧眼卫星LE使用的探测器[11,12]。本实验探测器的标定已在地上实验室完成[13]，而本文着重于介绍地下实验及结果。

实验设备包括：CCD236探测器、铅砖、PC机、控温仪、数采系统、探测器机箱、直流稳压电源以、交流电源和便携式低温真空系统。为了屏蔽环境中的天然放射本底，地下实验的便携式低温真空系统放置在铅砖的屏蔽体内，实验装置连接如图 1所示，实验装置的现场实物图如图 2所示。探测器与冷板通过压框与螺丝压紧，连同控制探测器的前端放大电路放置在真空罐中，然后用铅砖将便携式真空低温系统包围起来以减少环境本底的影响。前端放大电路通过真空低温系统罐壁上的电连接器与探测器机箱连接，探测器机箱通过一台四路直流稳压电源给探测器机箱供电；数采系统与探测器机箱通过LVDS接口相连、通过USB接口与PC机相连；其中数采系统有采集数据和发送指令的功能。冷板与控温仪和氦脉冲管制冷机相连，氦脉冲管制冷机提供冷量，控温仪通过加热补偿的方式控制冷板温度为-120.0±0.1℃，为CCD236探测器提供稳定的工作环境。

图1 实验设备框图

图2 本底实验设备现场实物图

两个CCD236探测器模块面对面放置，如图 3-a[13]，通过低本底无氧铜压框固定，外围使用聚四氟乙烯板加无氧铜结构屏蔽，如图 4，单个CCD236模块的结构示意图 3-b，每个模块封装4个CCD236探测器。使用无氧铜的原因一是为了导热，二是无氧铜中氧的X射线荧光很少，三是无氧铜自身本底低，可以屏蔽γ射线及荷电粒子，有效减少真空罐材料放射性本底对其影响。外层聚四氟乙烯对中子也有一定屏蔽作用。

图3 CCD236模块面对面放置示意图

图4 聚四氟乙烯板实物图

3 实验数据处理

3.1 反符合判定

粒子打到探测器上会产生电信号。实验采用长曝光工作模式，一个曝光周期(201.5ms)内，所有探测器上产生大于一个信号时，认为它是带电粒子引起的本底，产生的信号为反符合事例。反符合探测的好处是可以降低带电粒子本底，从而达到改善待测事件能谱特性的目的。进行反符合处理之后的数据，记为反符合事例，进行处理之前的数据记为符合事例，符合事例与反符合事例之和则为总事例。

3.2 能谱获得

对于CCD探测器来说，分裂事例是指粒子与探测器物质相互作用下产生的电子—空穴对被不同的电极收集，被记录成两个或两个以上的事例。数据处理中分裂事例的判断依据是同一个探测器连续两个或两个以上周期内被采集到的事例。在数据处理过程中对相邻的两个数据进行判断，时间间隔小于等于一个周期的则记为分裂事例，大于一个周期的记为单事例。

实验获得能谱如图 5。实验设备中探测器通过无氧铜压框来固定，因此可以看到8.0keV处的Cu-Kα线。能谱图中能观察到5.9keV处的Mn-Kα线，有可能来自于标定时55Fe放射源的少量残留。在探测时，CCD探测器中的Si原子中的内层电子被激发跃迁，外层电子退激发时释放光子，形成能谱中1.7keV处的Si-Kα线。通过反符合，将通道间相互关联的事例扣除。

图5 分裂事例与单事例能谱图

3.3 计数与氡气关系分析

统计了2017年1月至2018年1月一年的观测数据，进行了反符合处理。图 6为实验室的氡气浓度监测数据和CCD236探测器的计数率随时间的变化。从氡气浓度和计数率的走势，观察到氡气浓度与计数率具有相关性。由于222Rn的半衰期为3.825d，探测器对氡气浓度的反应可能有一定滞后性，为了进一步研究氡气浓度对CCD236探测器的影响，统计了每个月的计数，按实际的观测天数和每天的曝光时间进行归一，得到如图 7归一后的日计数和氡气浓度的散点图。图中可以明显的看到计数和氡气浓度有相关性。

图6 日均氡气浓度与计数率随时间变化图

图7 月均氡气浓度与计数率随时间变化图

对氡气浓度分别与符合计数、反符合计数以及总计数进行了相关性计算，如图 8、图 9和图 10所示。氡气浓度与符合计数的相关性因子为0.91±0.03，与反符合计数的相关因子为0.94±0.03，与总计数的相关因子为0.90±0.03，均属于强相关，计算反符合计数截距为283±21cts/day，说明理论上氡气值为0的时候，探测器得到的计数为283cts/day。可见，在长期的观测中，氡气的浓度对探测器本底的影响很明显，在后期的处理中，为了得到更准确的本底计数和能谱，需要扣除这部分影响。

图8 符合计数与氡气浓度相关性图

图9 反符合计数与氡气浓度相关性图

图10 总计数与氡气浓度相关性图

4 结 论

在中国锦屏地下实验室，使用一套CCD探测器系统对CCD本底进行了长期监测。通过一年的实验数据的分析，我们发现如下结论：

1)在CCD本底能谱中有Si-Kα、Cu-Kα和Mn-Kα的X射线全能峰，这分别与硅探测器本身、无氧铜材料和标定源放射性残留有关；

2)在分析总计数、符合计数和反符合计数的变化趋势时，发现了它们都与实验室中氡气的浓度呈明显的正相关(符合计数正相关系数0.91±0.03，反符合计数正相关系数0.94±0.03总计数正相关系数0.90±0.03)。

在今后的CCD暗物质探测实验设计中，需要充分考虑任何可能影响的因素，例如放射性材料，以及环境中的放射性气体等，可使用铍等材料屏蔽X射线荧光，同时也需要注意降低氡气的影响。