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地下实验室由于其出色的宇宙线屏蔽能力,成为诸如暗物质直接探测、无中微子双β衰变等重大基础性前沿课题的理想实验场所。这些课题所探测的对象具有极低的事例率,对系统本底的理解和控制成为这类实验的关键。中子是众多本底来源中非常重要的一种,本论文的核心研究问题是低本底热中子探测技术。3He正比管是一种非常适合用于低本底热中子测量的探测器,但商业3He正比管难以直接满足通量在10-7cm-2s-1以下的热中子测量需求。论文围绕降低热中子探测下限（MDA）这一目标,提出了两种方法:沉积能量-上升时间方法和电流波形甄别方法。沉积能量-上升时间方法在优化探测器沉积能谱的基础上,结合上升时间法进一步降低系统MDA。论文首先对影响该方法MDA的因素进行分析,并给出它们之间的定量关系。然后围绕这些因素,以沉积能谱优化为目标完成探测器的设计。为了对正比管本底的特性及其分布位置进行研究,论文提出了位置灵敏正比管以及4He对比管相结合的探测器设计方案。电子学读出系统同时获取时间和能量信息,以便运用上升时间法进一步降低本底。基于沉积能量-上升时间方法而研制的低本底热中子探测系统的MDA比商业3He正比管低约十倍,但3He用量不到后者的四分之一。论文基于3He正比管中子事例的双峰现象,还提出了一种基于电流波形的甄别方法。论文首先对电流波形甄别方法的原理、影响甄别效果的探测器关键指标等展开理论分析。在此基础上,选择一款合适的商业3He正比管构建了一套基于电流波形甄别方法的低本底热中子探测系统。论文对电流波形甄别方法的效果及其理论分析进行了实验验证,还同时从实验结果和理论分析两方面研究了上升时间法的局限性,并对论文提出的两种方法进行了对比。实验结果表明,电流波形甄别方法能够将MDA降低一个量级以上。论文最终将设计的低本底热中子探测系统应用于中国锦屏地下实验室（CJPL）的热中子本底测量,并给出了CJPL I期、II期,以及中国暗物质实验（CDEX）多级屏蔽体内部热中子通量的测量结果。这不仅对本论文研究的低本底热中子探测技术进行了实验验证,对CDEX实验和CJPL的建设也有着重要的积极意义。