液闪溶剂光吸收性能测量和杂质效应研究

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1、MeasurementofLSsolvent，SlightabsorptionandtheresearchofimpurityeffectsbyPin—WenHuangDirectedbyProfessorMingQiSchoolofPhysicsNanjingUniversityMay2011Submitted砌partialfulfilmentoftherequirements{oTthedegreeofPhDinPhysicsⅢ舢Ⅷ圳Ⅲ㈣㈣舢III

2、lⅢY2377763由室太堂盟究生望些途塞主塞摘要萱页周继毕业论文题目：液闪溶剂光吸收

3、性能测量和杂质效应研究凝聚态物理专业2011级博士生姓名：黄品文指导教师(姓名、职称)：祁呜教授摘要由于中微子极少同其他物质发生作用，中微子实验探测到的中微子事例数可能仅为每年几个甚至几年一个。所以，越来越大型的液体闪烁探测器(1iquidscintillatordetector)被应用于反应堆中微子振荡实验、太阳中微子实验、大气中微子实验和其他相关的中微子实验中。这些探测器一般由液体闪烁溶剂(1iquidscintillationsolvent)、液体闪烁体(1iquidscintillator)、光电倍增管(PMT)和电子学读出系统等组

4、成。在提高液体闪烁探测器体积的同时，为获得较高的实验精度，这些应用于构建探测器的液体材料需进行严格的质量控制。对液体闪烁溶剂而言，最重要的质量要求便是光传输性能要好(一般以光衰减长度衡量，大部分中微子实验都会要求液闪溶剂在某些特征窗口的光衰减长度达到几m到十几m)。所以，精确测定这些液体闪烁溶剂所含的杂质组分，明确这些杂质对液体闪烁溶剂光衰减长度的影响将对液闪溶剂的质量控制和后续的工作(在液闪溶剂中掺入液闪溶质、金属络合物等)起到十分重要的作用。直链线性烷基苯(1inearalkvlbenzene，LAB)是最新应用于大型中微子探测器的液体

5、闪烁溶剂。最近几年，上百吨的LAB被应用于SNO+、Reno、DayaBay和DoubleChooz(副探测器)等中微子实验。由于LAB是一种混合溶剂，其内部杂质组分非常复杂，我们采用气相色谱一质谱联动仪(GC—MS)、液相色谱质谱联动仪(LC．MS)和高精度的全二维气相色谱．质谱联动技术(GC×GC．MS)分析了南京烷基苯厂和其他烷基苯生产厂家的LAB样品。结果显示，在LAB样品中普遍存在着某些具有特征吸收波长的杂质分子基团。进一步的计算和分析表明，尽管这些杂质存LAB中的含量很少，但却可能影响LAB的光传输质量，从而导致LAB的光衰减长

6、度降低。具体地讲，这些杂质分子基团主要是硫羰类有机物和硝基苯衍生物。为了深入了解这两类杂质的光吸收性能，我们采用了化学上较为流行的含时密度泛函理论(time—dependentdensityfunctionaltheory,TD．DFF)来计算这两类分子的激发态性能。运用这种方法可以依据较少的计算资源和时间获得较为满意的计算结果。我们对于一些特定类型的中小型的有机分子，使用适当的泛函和基组，得到了具有较高精度的计算结果。研究表明，一些具有特定结构的硫羰类杂质和硝基苯类杂质会在350—550nm波长范围内产生特征吸收峰，尤其是硝基苯类分子可以

7、在该波段区间产生很强的特征吸收。也就是说，即使硝基苯衍生物分子在液体闪烁溶剂中的浓度只具有10～100ppm的量级，但是由于它们的吸光度很大，这些杂质分子基团都会导致LAB的光衰减长度明显下降。。为了严格保证中微子物理探测实验的精度，这些杂质组分必须在液闪溶剂使用前进行消除。最后我们还介绍了一些改善直链线性烷基苯光传输性能的措施，其中包括利用活性A1203粉末和活性硅胶粉末对于LAB样品进行过滤分离、改进工厂现行生产工艺等。关键词：液体闪烁溶剂；光衰减长度；含时密度泛函理论；硫羰类杂质；硝基苯衍生物THESIS：MeasurementofL

8、Ssolvent’SlightabsorptionandtheresearchofimpurityeffectsSPECIALIZATION：PhysicsPOSTGRADUATE：Pin—WenHuangMENTOR：ProfessorMingQiAbstractNeutrinoisanelementaryparticlethatisabletopassthroughordinarymatteralmostunaffected．Thismakesneutrinosextremelydifficulttodetect．Therefore，n

9、eu—trinodetectorsmustbeverylargeinordertodetectasignificantnumberofneutrinos．Recently,man