[論文レビュー] Development and Mass Production of a Mixture of LAB- and DIN-based Gadolinium-loaded Liquid Scintillator for the NEOS Short-baseline Neutrino Experiment

Ba Ro Kim, Bo-Young Han+17 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 26被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、韓国・ハニブ原子力発電所におけるNEOS短基底長ニュートリノ実験向けに、90:10 LAB-DINベースのガリウムドープ液体シンチレーション剤（GdLS）の開発および大量生産が行われた。PPO（3 g/L）およびbis-MSB（30 mg/L）をドーピングしたこのシンチレーション剤は、溶媒-溶媒抽出法を用いて約0.5%のGdを組み込むことで、光出力の向上とパルス形状分離性能が向上し、原子炉反ニュートリノ研究における効果的な中性子検出が可能となった。

ABSTRACT

A new experiment, which is called as NEOS (NEutrino Oscillation at Short baseline), is proposed on the site of Hanbit reactors at Yonggwang, South Korea, to investigate a reactor antineutrino anomaly. A homogeneous NEOS detector having a 1000-L target volume has been constructed and deployed at the tendon gallery ~25 m away from the reactor core. A linear alkylbenzene (LAB) is used as a main base solvent of the NEOS detector. Furthermore, a di-isopropylnaphthalene (DIN) is added to improve the light output and pulse shape discrimination (PSD) ability. The ratio of LAB to DIN is 90:10. PPO (3 g/L) and bis-MSB (30 mg/L) are dissolved to formulate the mixture of LAB- and DIN-based liquid scintillator (LS). Then, ~0.5% gadolinium (Gd) is loaded into the LS by using the solvent-solvent extraction technique. In this paper, we report the characteristics of Gd-loaded LS (GdLS) for the NEOS detector and the handling during mass production.

研究の動機と目的

• 韓国南部のハニブ原子力発電所で短基底長ニュートリノ振動を測定することで、原子炉反ニュートリノ異常を解明すること。
• より高い光出力とパルス形状分離（PSD）性能を有する液体シンチレーション剤を開発し、中性子検出を強化すること。
• 光学的およびシンチレーション特性が一貫した安定的で均一なGdドープ液体シンチレーション剤（GdLS）の大量生産を可能とすること。
• 最適化されたGdLSを用いて1000 LのNEOS検出器を構築し、原子炉環境に設置することで、高精度な反ニュートリノ測定を実現すること。

提案手法

• 光出力とPSD性能を向上させるために、直鎖アルキルベンゼン（LAB）とジイソプロピルナフタレン（DIN）を90:10の割合で混合した液体をベース溶媒として用いる。
• LAB-DIN混合液にPPO（3 g/L）およびbis-MSB（30 mg/L）を溶解させ、シンチレーション光出力とエネルギー分解能を最適化する。
• 中性子捕獲検出を可能とするために、溶媒-溶媒抽出法を用いてGdを約0.5%の濃度でドーピングする。
• 検出器の設置に耐えるよう、均一性、透明性、長期的安定性を確保する厳密な品質管理を伴う大規模生産プロセスを実施する。
• NEOS検出器は1000 Lの標的体積を有し、炉心から約25 mの距離に設置され、原子炉反ニュートリノフラックスを測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.5% Gdドーピングを施したLAB-DINベースの液体シンチレーション剤は、原子炉ニュートリノ実験における効果的な中性子検出を実現するのに十分な光出力とパルス形状分離性能を達成できるか？
• RQ2 光学的およびシンチレーション特性が一貫したGdドープ液体シンチレーション剤のスケーラブルかつ再現可能な大量生産プロセスをどのように確立できるか？
• RQ3 最適化されたLAB-DIN GdLSを用いたNEOS検出器は、短基底長ニュートリノ振動の測定においてどの程度の性能を示すか？
• RQ4 LABにDINを添加することで、純粋なLABと比較してシンチレーション剤の光出力とPSD能力がどのように向上するか？

主な発見

• LAB-DIN（90:10）混合液は、純粋なLABベースのシンチレーション剤と比較して、顕著に光出力とパルス形状分離性能が向上した。
• 溶媒-溶媒抽出法による0.5% Gdの添加により、Gd捕獲に伴う高いガンマ線出力が得られ、効果的な中性子捕獲検出が可能となった。
• 大量生産プロセスにより、バッチ間で一貫した光学的およびシンチレーション特性を有する均一で透明で安定したGdLSが得られた。
• 最適化されたGdLSを用いたNEOS検出器は、短基底長における原子炉反ニュートリノ測定において、高い検出効率とエネルギー分解能を達成した。