PandaX-I液氙暗物质直接探测实验中的制冷系统,数据采集系统以及数据分析方法

摘要

本文所描述的PandaX实验是一个位于中国锦屏极深地下实验室（CJPL）内，应用液氙作为探测物质的暗物质直接探测实验。PandaX一期实验从2009年开始立项，于2014年5月正式开始取数，并于当年10月正式发表了首批数据分析结果。我的工作主要是关于PandaX实验的一个重要构成部分，制冷系统。它的主要功能是把氙以液态的形式稳定地存储于探测器中，以便暗物质探测器的运行。
　　本论文详细介绍了我所搭建的PandaX实验的制冷系统，包括其结构原理、日常运行和维护管理。此外，本文还介绍了我后期参与的PandaX实验数据分析方法，并总结了PandaX暗物质探测实验的首批数据分析结果。
　　PandaX实验制冷系统是目前世界上最大规模的制冷系统，保证了PandaX探测器可以稳定地工作在预定的压强，温度之下。同时，该系统具有良好的扩展性，可以应用于更大型的吨级探测器。作为制冷系统的核心部分，制冷总线采用了模块化的设计方式，各个模块分别承担着不同的任务。其中脉管制冷器（PTR）模块在零下100度的工作温度下的制冷功率可以达到180瓦。另外，循环系统的热交换率更是达到了95.2％。制冷系统的长期稳定运行需要精确的日常维护操作管理。因此，通过在四川锦屏地下实验室中的工作积累，我在本文中还总结了一套关于PandaX项目制冷系统的操作方法及原理。本论文随后将介绍PandaX实验运行过程中制冷系统的运行和维护管理，这包括制冷系统的密封性测试、预冷工作、液氙的灌注、液氙的循环和净化以及液氙液位的控制。其中本文将根据实验中所涉及的不同漏率范围，详细讨论多种不同的密封性检测方法。另外，作为液氙液位的控制系统，溢出容器（Overflow Chamber）的设计方式首次被应用到液氙暗物质探测器中，本文将着重分析其巧妙的液位控制方法及原理。
　　在论文的后半部分，我介绍了PandaX实验的数据的分析步骤，这包括了我主导的对采集到的信号进行刻度、重建和修正，从而还原出探测器里面的碰撞事例信息。我将详细描述探测器均匀性校准及相应的数据修正。其中，对于数据中S1信号和S2信号，本文将分别讨论它们在水平和垂直方向上的修正原理和步骤，以及对应的修正结果。论文的最后将给出PandaX一期首批数据分析的结果。该结果基于17.4天有效时间内采集的37千克基准质量的数据，它和国际上若干已有实验所宣称的疑似暗物质信号不相容。

目录

声明

第一章 引言

第二章 暗物质以及暗物质的探测

2.1 宇宙学观测中的暗物质

2.2 暗物质粒子的候选对象

2.3 暗物质的探测实验

第三章 PandaX液氙暗物质直接探测实验

3.1 PandaX一期实验的时间投影室（TPC）

3.2 光电倍增管（PMT）系统

3.3 PandaX实验本底

3.4 电子学和数据采集（DAQ）系统

第四章 PandaX暗物质探测实验中制冷系统的设计与构成

4.1 制冷总线结构

4.2 脉管制冷器（PTR）

4.3 循环和提纯系统

4.4 紧急制冷系统

4.5 传感器模块

4.6 液氙的灌注和回收系统

第五章 PandaX暗物质探测实验制冷系统的日常操作

5.1 制冷系统密封性检测

5.2 制冷系统的预冷过程

5.3 液氙的灌注过程

5.4 液氙的循环和提纯过程及其操作

5.5 液氙的液位控制

5.6 液氙的回收过程及其操作

第六章 PandaX项目一期的实验数据分析

6.1 实验数据的采集，处理，以及校准

6.2 PandaX液氙探测器均匀性的校准和修正

6.3 其它液氙探测器均匀性的校准和修正方法

6.4 液氙探测器均匀性的校准和修正的效果

第七章 PandaX项目一期的首批数据结果及未来的展望

7.1 PandaX项目一期的总结

7.2 PandaX项目一期的物理结果

7.3 PandaX项目未来的展望

参考文献

致谢

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