PandaX-Ⅱ暗物质实验与PandaX-4T制冷循环与精馏系统

论文摘要

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/c2时,得出暗物质与核子自旋不相关散射截面的最强限制为8.6×10-47cm2,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10-47cm2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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摘要

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第一章绪论

1.1 暗物质简介

1.1.1 暗物质存在证据

1.1.2 暗物质候选粒子WIMP

1.1.3 暗物质探测现状

1.2 液氙作为暗物质探测媒介

1.2.1 液氙基本物理性质

1.2.2 液氙光电特性

1.3 液氙温区制冷方法

1.3.1 制冷机

1.3.2 液氮制冷

1.4 液氙中杂质气体去除

1.4.1 非惰性气体的去除

1.4.2 惰性气体的去除

1.4.3 氪含量测量方法

1.4.4 氡含量测量方法

1.5 PandaX实验简介

1.5.1 中国锦屏地下实验室

1.5.2 PandaX分期进展

第二章 PandaX-Ⅱ暗物质实验

2.1 PandaX-Ⅱ实验主要构成

2.1.1 时间投影室与光电倍增管系统

2.1.2 电子学和数据获取系统

2.1.3 刻度系统

2.1.4 PandaX-Ⅱ其他系统

2.2 PandaX-Ⅱ实验数据分析

2.2.1 数据分析框架及处理流程

2.2.2 波形修正与事例选择

2.2.3 位置重建

2.2.4 均匀性修正与能量重建

2.2.5 ER与 NR刻度

2.2.6 本底估计

2.2.7 暗物质探测结果

2.3 PandaX-4T暗物质探测实验

第三章 PandaX-Ⅱ氪与氡本底分析

3.1 PandaX-Ⅱ氙气精馏

3.1.1 PandaX-Ⅱ精馏系统

3.1.2 PandaX-Ⅱ氙精馏流程

3.2 PandaX-Ⅱ氪本底分析

85Kr事例筛选'> 3.2.1⁸⁵Kr事例筛选

3.2.2 PandaX-Ⅱ氪本底变化

3.3 PandaX-Ⅱ氡本底分析

222Rn本底分析'> 3.3.1²²²Rn本底分析

220Rn本底分析'> 3.3.2²²⁰Rn本底分析

3.3.3 α 事例分析

3.3.4 PandaX-Ⅱ氡本底变化

第四章 PandaX-4T制冷与循环系统

4.1 PandaX-Ⅱ制冷与循环系统

4.2 PandaX-4T制冷循环系统设计要求

4.3 制冷循环系统设备选型

4.3.1 制冷方式与设备选型

4.3.2 循环系统设备选型计算

4.3.3 真空泵组选型

4.4 PandaX-4T制冷循环系统结构

4.4.1 制冷系统结构

4.4.2 循环系统结构

4.4.3 气体回收存储系统结构

4.5 制冷机测试运行

4.5.1 制冷机制冷量测试

4.5.2 PID控制

4.5.3 接触面处理工艺

4.6 制冷系统整体测试运行

4.6.1 制冷系统搭建与测试流程

4.6.2 制冷系统中制冷机功率变化

4.6.3 单冷头制冷

4.6.4 双冷头制冷

第五章 PandaX-4T精馏系统设计

5.1 PandaX-4T本底要求

5.2 设计目标

5.3 氪精馏设计计算

5.3.1 规整填料

5.3.2 最小回流比

5.3.3 塔高及理论塔板数

5.3.4 泛点气速与塔径

5.3.5 基于Aspen Hysys模拟优化

5.4 填料处理

5.4.1 不锈钢填料处理工艺

5.4.2 填料酸洗结果测量

5.4.3 填料筛选与装配

5.5 氡精馏计算

5.5.1 运行参数选择

5.5.2 未考虑系统自身放氡率的精馏结果

5.5.3 考虑系统自身放氡率的精馏结果

5.5.4 PandaX-4T探测器内氡的衰减

5.6 PandaX-4T精馏系统结构与工艺流程

5.6.1 精馏系统结构

5.6.2 基于PLC的监控控制系统

第六章 PandaX-4T精馏系统试运行与数据分析

6.1 测试运行流程

6.2 进料状态分析

6.2.1 板式热交换器效率

6.2.2 进料液相分率

6.3 运行参数优化

6.3.1 气相负荷与压差

6.3.2 运行流量与加热量

6.4 系统运行状态与分析

6.4.1 系统流阻

6.4.2 系统压力

6.4.3 压力与液位波动

6.4.4 系统外真空度

全文总结

附录A PandaX-4T精馏系统设备计算

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 崔祥仪

导师: 季向东

关键词: 暗物质,制冷循环,精馏

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 上海交通大学

分类号: P145.9

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000693

总页数: 206

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PandaX-Ⅱ暗物质实验与PandaX-4T制冷循环与精馏系统

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