[論文レビュー] Characterization of Gadolinium-loaded Plastic Scintillator for Use as a Neutron Veto

D. M. Poehlmann, D. Barker+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2018

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、SuperCDMSのようなダークマター実験向けの固体状態ニュートリノ遮断材として、ジスプロシウムをドープしたプラスチックシンチレーターを開発し、その特性を評価した。Geant4モンテカルロシミュレーションを用いてシンチレーターの幾何形状とジスプロシウムドーピングを最適化することで、均一にドーピングされたシンチレーターと比較して5%以内のニュートリノ遮断効率を達成した。層状のドーピングされていないシンチレーターとGdを含む樹脂を組み合わせた構成により、液体シンチレーターの欠陥を避ける実用的で漏れのない代替手段を提供した。

ABSTRACT

Scintillator doped with a high neutron-capture cross-section material can be used to detect neutrons via their resulting gamma rays. Examples of such detectors using liquid scintillator have been successfully used in high-energy physics experiments. However, a liquid scintillator can leak and is not as amenable to modular or complex shapes as a solid scintillator. Polystyrene-based scintillators from a variety of gadolinium compounds with varying concentrations were polymerized in our laboratory. The light output, emission spectra, and attenuation length of our samples were measured and light collection strategies using a wavelength shifting (WLS) fiber were evaluated. The measured optical parameters were used to tune a Geant4-based optical Monte Carlo, enabling the trapping efficiency to be calculated. This technology was also evaluated as a possible neutron veto for the direct detection dark matter experiment, Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS).

研究の動機と目的

• SuperCDMSのような直接的ダークマター検出実験向けに、実用的で固体状態のニュートリノ遮断材を開発すること。
• 異なるGd濃度を有する実験室で作製したGdドーピングされたプラスチックシンチレーターの光出力、減衰長、発光スペクトルを特徴づけること。
• 均一にドーピングされたシンチレーターの代替手段として、セグメント化されたシンチレーター・樹脂層構成の性能を評価すること。
• 測定された光学的パラメータを用いて、Geant4ベースの光学モンテカルロシミュレーションをキャリブレーションし、正確なニュートリノ遮断効率予測を行うこと。
• 高いニュートリノ捕獲効率と最小限の光損失を実現する最適なGd化合物および製造技術を同定すること。

提案手法

• 1 wt% PPOおよび0.1 wt% POPOPをドーピングしたポリスチレン系ポリマーのシンチレーターを、Gd(i-Pr)3およびGd(TMHD)3をGd源として用いた。
• 実験室で作製したサンプルおよび高濃度の商業的サンプルの光出力、発光スペクトル、効果的減衰長（λ_eff）を測定した。
• 光収集に波長シフトファイバー（WLS）を用い、測定された光学的パラメータでGeant4光学モンテカルロシミュレーションを調整した。
• 均一にドーピングされたシリンダーとセグメント化された層状シンチレーター・樹脂構成の両方を含む、さまざまな構成のニュートリノ遮断効率をシミュレーションした。
• 収集時間（10–100 μs）およびエネルギー閾値（50 keV）を変化させた場合の性能を、1 wt%均一ドーピングの基準と比較した。
• ニュートリノ捕獲効率と光収集の両立を図るために、樹脂の厚さおよびシンチレーター対樹脂比を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gd質量分率が同等の均一にドーピングされたシンチレーターと比較して、セグメント化されたシンチレーター・樹脂構成が同等のニュートリノ遮断効率を達成できるか？
• RQ2 Gdドーピング濃度および化合物選択がプラスチックシンチレーターの光出力および減衰長に与える影響はいかほどか？
• RQ3 測定された光学的パラメータを用いたGeant4ベースの光学モンテカルロシミュレーションが、光電子生成量をどれほど正確に予測できるか？
• RQ4 現実的な時間的およびエネルギー的閾値下で、ニュートリノ遮断効率を最大化する最適なシンチレーター対樹脂比および樹脂厚さは何か？
• RQ5 液体シンチレーターの危険性を回避するため、ドーピングされていないシンチレーターとGdを含む樹脂を積層した構成により、実用的で漏れのない固体状態のニュートリノ遮断材を製造できるか？

主な発見

• 1 wt% Gdドーピング、シンチレーター対樹脂比35:1の構成では、100 μsの収集時間および50 keVの閾値下で、均一にドーピングされたシンチレーターと比較して5%以内のニュートリノ遮断効率を達成した。
• 10 wt% Gdを含む樹脂を用いた1 wt%均一ドーピングのシンチレーターと比較して、10 wt% Gdを含む樹脂を用いたセグメント化構成は、シンチレーター体積の減少および樹脂内でのガンマ線吸収のため、性能が劣った。
• 実験室で作製したサンプルの効果的減衰長（λ_eff）が、Geant4モンテカルロシミュレーションにおいて最も重要な調整パラメータであった。これにより、光電子生成量の正確な予測が可能になった。
• 一部の化合物では低濃度Gdドーピングで光出力がわずかに増加したが、Gd濃度が上昇するにつれて減衰長は一貫して低下した。
• Gd(i-Pr)3およびGd(TMHD)3は最も有望な化合物であったが、標準的な文献レシピでは実験室生産で目的のGd濃度に到達できなかった。
• ミリメートル級の厚さを有するドーピングされていないシンチレーターとGdを含む樹脂を積層した構成は、均一にドーピングされた場合とほぼ同等の性能を達成でき、液体シンチレーターの代替として実用的でモジュール化可能かつ漏れのない代替手段として有効である。