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PandaX-Ⅱ暗物质实验与PandaX-4T制冷循环与精馏系统

崔祥仪  
【摘要】:2019年4月10日发布的首张黑洞照片引起了世界对于黑洞以及天文学观测的广泛热议,但仍有许多的天文学观测超出了现有的理论模型。在上世纪提出的不参与电磁相互作用的暗物质是其中的一个关键谜团,其中大质量弱相互作用粒子(WIMPs)是最被青睐的暗物质候选粒子。近些年来,利用两相型时间投影室技术作为探测手段的暗物质直接探测实验不断刷新暗物质探测灵敏度,其中液氙具有较高的原子量以及没有长衰变时间的同位素,成为了暗物质直接探测实验的优秀媒介。由上海交通大学牵头,位于中国锦屏地下实验室(CJPL)的PandaX实验同样采用两相型液氙时间投影室进行暗物质的直接探测。PandaX-I于2014年10月完成取数,PandaX-Ⅱ于同年开始建造,总液氙质量由120公斤提升为1.1吨,并通过改进时间投影室结构、优化光电倍增管系统、降低探测器本底水平等,于2016年7月与2017年10月分别发表两次重要的物理结果,最终筛选事例数均小于本底预计,未发现暗物质信号。在将两次不同运行阶段Run9与Run10的数据汇总之后,在WIMP质量为40 GeV/c~2时,得出暗物质与核子自旋不相关散射截面的最强限制为8.6×10~(-47)cm~2,是当时世界对暗物质截面最严格的限制之一。本文作者在PandaX-Ⅱ暗物质探测实验的搭建运行与数据分析部分中均有重要的工作参与。其中探测器相关工作中包括参与探测器的搭建与调试,锦屏实验室维持运行,以及PandaX-Ⅱ精馏系统运行等。数据分析部分包括Run8运行期间的探测器均匀性修正,能量重建参数的得出,以及Run9运行期间的氪本底与氡本底分析。PandaX-4T实验位于占地约900平米的锦屏二期实验室,探测器可总共容纳6吨的液氙,优化的探测器结构、更低的本底要求以及探测媒介质量的增加都将会进一步提高发现暗物质的可能性。预计在6吨×年的曝光量下,PandaX-4T可以达到10~(-47)cm~2的WIMP与核子自旋不相关散射截面的灵敏度限制。然而PandaX-Ⅱ所用单冷头制冷的制冷系统已无法满足漏热量的需求,而更长的电子漂移距离要求更高的提纯流量。此外,作为液氙内主要的本底来源,氪与氡的含量也需要通过新的系统来满足更低的本底要求。本文作者基于PandaX-4T的基本实验要求,对PandaX-4T的制冷循环与精馏系统进行设计计算,并通过测试运行验证系统的可靠性。基于设计计算,PandaX-4T制冷系统可以为探测器稳定运行提供约700 W的制冷功率,并满足1吨每天的氙气灌注与回收流量,而循环系统可以通过两支路并行满足200 SLPM的提纯流量。此外,PandaX-4T精馏系统可以满足在17.7公斤每小时的精馏流量下,将氪浓度衰减8个数量级,同时可以满足60.8公斤每小时的在线除氡流量将探测器内氡含量衰减2.33倍。通过测试运行,制冷系统的多冷头协同制冷方案可行,利用温度调节能够维持系统的压力与温度稳定。精馏系统可以满足除氪与除氡运行的设计流量,未发现液泛现象。而循环系统运行流量与精馏系统杂质衰减系数需要在其他辅助系统进行进一步的测量。


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