探测器对源位置的依赖性
光电峰位置 – 底部晶体光输出约为顶部晶体光输出的70% – 各处位置分辨好于20％， 最好处约为14%
CsI 晶体内部放射性
在Y2L地下实验室利用低本底 HPGe 探测器测量CsI本底
– 15cm Pb – 10cm Cu – 1 L/min N2 flow
被测CsI 晶体尺度（底部） – R=45mm – H=20mm – weight 2.374Kg
暗物质探测研究的重要意义
宇宙物质构成中，90％以上是暗物质，拥有如此巨 大的质量，暗物质几乎主宰了宇宙的运动和演化过 程。但是到现在为止，人类还仅仅只是知道暗物质 存在而已，对于暗物质的构成、性质、分布、运动 状态等等却无从得知。
暗物质探测研究已经成为当前粒子物理、天体物理 以及宇宙学等领域的重要前沿课题。我国也对暗物 质探测研究工作极为重视，国家自然科学基金委员 会已经将暗物质暗能量等研究领域列为重点资助范 围。
测量时间: – 1619418 sec (18.7days)
CsI 晶体内部放射性
Cs 同位素活度
• Cs 同位素衰变分支
Gsoaumrmcea Cs-134 Cs-137
Energy (KeV) Intensity(%)
604
98.20
795
85.79
662
94.40
Counts 1305 1085 242
含量放射性同位素含量:
– Cs 134:
(1.07 ± 0.01) E+03 counts/(Kg*day)
– counts/(Kg*day )
Efficiency(%)
2.82±0.02 2.63±0.02 2.78±0.02
探测器系统安装 (2005年3月)
暗物质探测方法
正在进行和建设的 暗物质直接探测实验
韩国暗物质研究中心
WIMP暗物质探测计划
2000年启动、极低本底CsI(Tl)晶体探 测器、地下700m实验室、液闪反符合 探测器、被动屏蔽体、500MHz FADC 电子学系统…
清华大学从2002年开始就积极参与了 该实验计划的研究工作：极低本底 CsI(Tl)晶体研究、反冲核特性研究、地 下实验室宇宙线子本底通量及位置分 辨研究、中子本底研究等
2004年启动了一项新的研究计划 《极低能量阈HPGe探测器测量WIMP》
极低能量阈HPGe探测器测量WIMP
项目的提出：
我经过几个月的理论准备和计
算，于2004年1月在韩国 KIMS合作组会议上提出，利 用低能量阈高纯锗探测器实验 测量低质量区的暗物质WIMP， 主要研究区域集中在 10GeV/c2以下区域，得到大 陆、台湾及韩国同行的肯定， 并专门组织讨论会就这一问题 进行讨论，决定成立由清华大 学负责的合作组推进这一实验 计划。
DAQ based on Linux system
VME CONTROLLER
- USB2 INTERFACE - OPTIONAL Transfer - 10 Mbytes/s data transfer
屏蔽体结构
主要屏蔽目标:
– Cosmic ray – Gamma
屏蔽体:
– 15 cm lead – 5cm copper – CsI veto detector
考虑CsI探测器的阈值， HV会适当提高
源位置依赖
– Axial (One PMT) – Angular (Hole)
CsI探测器信号幅度对源位置的依赖
Height (cm): 1.5, 7, 13, 22, 28 Angle (degree): 180
Height (cm): 5 (near the hole) Angle (degree): 0, 90, 150, 180
Source :
– Fe-55 – Ti target
X-ray:
– Mn: 5.899 & 6.490keV – Ti: 4.505 & 4.932keV – Ca: 3.688keV
Signal information:
– Sumtotal – Pedestal
暗物质探测的物理意义
1933年，Zwicky发现了“暗物质” 暗物质存在的直接证据来自对银河
系等漩涡星系的观测
Fritz Zwicky(1898-1974)
ES0269
银河系
4314
银河系
宇宙中存在大量暗物质！
0.73 0.04 matter 0.27 0.04 visible matter 0.005 matter 1.02 0.02
能量阈值可以达到 ～100eV水平！
AiTi
Tbar i
Ai
i
电子学系统与数据获取系统
64MHz FADC DIGITIZER
- 2 CHANNELS / BOARD - 100us RECORDED/EVENT - Programmable trigger
logic & optional zero suppression on-board
Limited by threshold
探测器
实验计划采用 重为1kg的低能 量阈高纯锗探测 器来直接探测WIMP暗物质
第一步对质量为5g的HPGe探测器单元进行 实验研究，得到5g靶质量探测器的暗物质探 测能力。
外部屏蔽体采用主动与被动屏蔽体相结合的 方式来对主探测器进行屏蔽。
探测器性能测试
ULE-Ge detector:
– H.V.: -500V – Gain: 100x 0.72 – Shaping time: 6 us – Range: 0~55keV
CsI detector:
– H.V.: -1300V – Gain: 10x
N2 flow: 1 liter/min
Ge 探测器刻度
电子学与数据获取系统框图
Ge Detector Pre-amp
Amplifier
CsI Detector
Amplifier
Signal Inhibit High Gain Low Gain
CsI Signal
FADC
GEANT4
Linux System
ROOT
CsI(Tl)晶体反康普顿探测器
HV 选择 -1300V(Cs-137662keV)