摘要
中微子探测是粒子认知领域的重要课题，中微子核子相干散射是利用弱相互作用实现中微子探测的有效途径，利用闪烁体探测器可以实现对这一过程的探测。要实现低阈值、低放射性本底相干散射探测实验，与闪烁体耦合的光电转换倍增器件的性能至关重要。 与传统光电倍增管(PhotomultiplierTube，PMT)相比，硅光电倍增管(Siliconphotomultipliertube，SiPM)具有工作电压功耗低、光子分辨能力强、体积小易于拼接成大面积阵列、不受外界磁场干扰、不易老化等突出优点，被广泛应用在高能物理、天体物理、医学成像等研究领域。 本论文针对反应堆中微子相干散射探测实验，提出了基于超低温工作硅光电倍增管作为光学读出器件的CsI闪烁探测器设计方案。通过自主设计研发的温度反馈控制系统，采用电磁阀控制液氮的注入，使硅光电倍增管的工作温度稳定降低到液氮温度（-196℃）及其他设定的工作温度，以减少热噪声引起的暗计数，提高输出信号的信噪比。本论文利用该温度反馈控制系统，对SensL-J-60035型号SiPM在室温(20℃)至液氮温度(-196℃)范围内的的性能参数进行了研究。实验结果表明，该型号SiPM符合实验方案要求。结合SensL-J-60035型号SiPM的CsI闪烁探测器在液氮温度工作环境下，成功实现了低能放射源信号的探测。主要结论如下: (1)合理利用液氮可以实现由室温(20℃)至液氮温度(-196℃)范围内的确定温度环境;实验中自主设计的温度反馈控制系统可以正常工作，实现较为稳定的温度控制; (2)SiPM的击穿电压随温度的降低而下降，在室温条件下时的击穿电压值为24.49V，液氮温度时的数值为20.7V;当温度高于-120℃时，击穿电压的变化趋势是近似线性的，变化的速度约为0.022V/℃;当温度低于-120℃时，击穿电压的降低不再近似线性变化，且下降的速度逐渐减小; (3)暗计数率随温度的降低而大幅下降，室温条件下暗计数率为120kHz/mm2，液氮温度条件下暗计数率为0.1Hz/mm2·由室温至液氮温度下降了6个数量级，该实验结果表明低温可以有效压制SiPM的暗噪声; (4)相对光子探测效率随温度的变化呈现波动趋势，由室温至液氮温度数值变化幅度在10％以内; (5)由SiPM作为光学读出器件的CsI闪烁探测器在超低温环境中成功探测到241Am这个低能放射源的信号，初步验证了探测器设计方案的可行性。
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