[論文レビュー] Copper electroplating for background suppression in the NEWS-G experiment

GSI-FRS ISOMER COLLABORATION, Levente Balogh+48 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、NEWS-G暗黒物質実験における140-cm径の球形比例計数器の内面に500 µmの超低放射能銅を電気めっきする大規模な電気めっき技術を提示する。この手法により、バルク銅に含まれる210Pb汚染によるバックグラウンドが低減され、232Thおよび238Uの濃度がそれぞれ0.24 µBq/kg以下（95%信頼区間）に抑えられ、他の希少事象探索で用いられる最先端の電気めっき銅と同等の水準に達した。

ABSTRACT

New Experiments with Spheres-Gas (NEWS-G) is a dark matter direct detection experiment that will operate at SNOLAB (Canada). Similar to other rare-event searches, the materials used in the detector construction are subject to stringent radiopurity requirements. The detector features a 140-cm diameter proportional counter comprising two hemispheres made from commercially sourced 99.99% pure copper. Such copper is widely used in rare-event searches because it is readily available, there are no long-lived Cu radioisotopes, and levels of non-Cu radiocontaminants are generally low. However, measurements performed with a dedicated 210Po alpha counting method using an XIA detector confirmed a problematic concentration of 210Pb in bulk of the copper. To shield the proportional counter's active volume, a low-background electroforming method was adapted to the hemispherical shape to grow a 500-$μ$m thick layer of ultra-radiopure copper to the detector's inner surface. In this paper the process is described, which was prototyped at Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), USA, and then conducted at full scale in the Laboratoire Souterrain de Modane in France. The radiopurity of the electroplated copper was assessed through Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS). Measurements of samples from the first (second) hemisphere give 68% confidence upper limits of <0.58 $μ$Bq/kg (<0.24 $μ$Bq/kg) and <0.26 $μ$Bq/kg (<0.11 $μ$Bq/kg) on the 232Th and 238U contamination levels, respectively. These results are comparable to previously reported measurements of electroformed copper produced for other rare-event searches, which were also found to have low concentration of 210Pb consistent with the background goals of the NEWS-G experiment.

研究の動機と目的

• ニュース・ゴールド・プロジェクト（NEWS-G）の球形比例計数器に使用されるバルク銅に起因する210Pb汚染によるバックグラウンドを低減すること。
• 大がかりで複雑な半球面に超低放射能銅を電気めっきするスケーラブルなプロセスを開発・実証すること。
• 他の先端的希少事象実験で用いられる電気めっき銅と同等の放射能純度水準を達成すること。
• 処理中の空気露出を最小限に抑えることで、めっき後も検出器内面が汚染されないよう保証すること。

提案手法

• 低バックグラウンド電気めっきプロセスを採用し、140-cm径の銅半球の内面に超低放射能銅を500 µmの厚さでめっきした。
• プロセスはパシフィック・ノースウエスト国立研究所（PNNL）でプロトタイプ化され、その後フランスのモダン地下研究所（LSM）でスケールアップされた。
• 電解液の組成とめっきパラメータを最適化し、微量の放射性核種を最小限に抑えた。めっき速度は約1.3 cm/年を達成した。
• 表面汚染の低減のため、窒素アトスフィア下で酸化ホルム酸化水素系溶液を用いた前処理工程を実施し、210Pbを除去した。
• 電解液-空気界面付近およびステンレス鋼基板から、最も汚染が深刻になると想定される部位のサンプルを採取した。
• ICP-MS分析を用いてサンプル中の232Thおよび238U濃度を測定し、上限値は68%信頼区間で報告された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な電気めっきプロセスは、希少事象実験に適した複雑な大がかりな半球面に超低放射能銅層を形成できるか？
• RQ2 232Thおよび238U汚染の観点から、電気めっき銅の放射能純度はどの程度であり、NEWS-G実験のバックグラウンド要件を満たしているか？
• RQ3 電気めっきプロセスは、バルク銅由来の210Pbバックグラウンドを効果的に低減できるか、また新たな汚染源を導入しないか？
• RQ4 本研究で得られた電気めっき銅の放射能純度は、他の暗黒物質探索およびネガティブ・バイバーチャル・ニュートリノ二重ベータ崩壊実験で使用された電気めっき銅と比べてどうか？

主な発見

• 2番目の半球では、232Th汚染レベルが<0.24 µBq/kg（95%信頼区間）に達した。サンプル質量は0.614 gであった。
• 238U汚染レベルは、2番目の半球で<0.11 µBq/kg（95%信頼区間）に測定され、優れた放射能純度を示した。
• 1番目の半球では、232Thが<0.58 µBq/kg、238Uが<0.26 µBq/kgであった。これは2番目の半球と整合性のある性能を示した。
• 放射能純度水準は、XMASSなどの他の先端的希少事象実験で用いられる電気めっき銅と同等であった。
• めっき速度は約1.3 cm/年を達成し、今後の銅球全体の電気めっきの実現可能性を示した。
• プロセスは表面汚染を効果的に低減し、前処理後のアトスフィアフリー環境を維持した。これにより、検出器内面の長期的放射能純度が保証された。