[論文レビュー] Gamma Ray Spectrum from Thermal Neutron Capture on Gadolinium-157

K. Hagiwara, T. Yano+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2018

Nuclear Physics and Applications参考文献 36被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、高エネルギーピーク（最大8 MeV）の測定値と理論的核準位密度および光子強度関数の入力を組み合わせることで、高純度な 157Gd における熱中性子捕獲反応のガンマ線スペクトルを高精度にモデル化した。このモデルはGeant4モンテカルロシミュレーションを用いて検証され、60Co、137Cs、152Euおよび35Cl(n,γ)源を用いてキャリブレーションされ、14台のHPGe検出器で10%未満の一致を達成した。これにより、スーパーカミオカンデなどのニュートリノ検出器における中性子タギングが正確に可能となった。

ABSTRACT

We have measured the $γ$-ray energy spectrum from the thermal neutron capture, ${}^{157}$Gd$(n,γ){}^{158}$Gd, on an enriched $^{157}$Gd target (Gd$_{2}$O$_{3}$) in the energy range from 0.11 MeV up to about 8 MeV. The target was placed inside the germanium spectrometer of the ANNRI detector at J-PARC and exposed to a neutron beam from the Japan Spallation Neutron Source (JSNS). Radioactive sources ($^{60}$Co, $^{137}$Cs, and $^{152}$Eu) and the reaction $^{35}$Cl($n$,$γ$) were used to determine the spectrometer's detection efficiency for $γ$ rays at energies from 0.3 to 8.5 MeV. Using a Geant4-based Monte Carlo simulation of the detector and based on our data, we have developed a model to describe the $γ$-ray spectrum from the thermal ${}^{157}$Gd($n$,$γ$) reaction. While we include the strength information of 15 prominent peaks above 5 MeV and associated peaks below 1.6 MeV from our data directly into the model, we rely on the theoretical inputs of nuclear level density and the photon strength function of ${}^{158}$Gd to describe the continuum $γ$-ray spectrum from the ${}^{157}$Gd($n$,$γ$) reaction. Our model combines these two components. The results of the comparison between the observed $γ$-ray spectra from the reaction and the model are reported in detail.

研究の動機と目的

• 0.11–8 MeVの範囲で、157Gdにおける熱中性子捕獲による全ガンマ線エネルギースペクトルを測定すること。
• 実験データと理論的核構造入力を組み合わせたガンマ線スペクトルの高精度なモデルを開発すること。
• 広いエネルギー範囲および立体角において、高純度ゲルマニウム分光器（ANNRI）の検出効率をキャリブレーションおよび検証すること。
• スーパーカミオカンデのような大規模ニュートリノ検出器における正確なモンテカルロシミュレーションを可能にすること。
• ガンマ線カスケードエネルギー損失のモデル化を改善することで、非ヒューマニック反ニュートリノモニタを支援すること。

提案手法

• J-PARCのANNRI検出器を用い、157Gd2O3の強化標本を用いて157Gd(n,γ)ガンマ線スペクトルを測定した。
• 60Co、137Cs、152Euの放射性核種および35Cl(n,γ)反応を用いて、0.3～8.5 MeVのエネルギー範囲でHPGe検出器の検出効率をキャリブレーションした。
• 検出器応答をモデル化し、効率補正を最適化するためにGeant4ベースのモンテカルロシミュレーションを適用した。
• 死時間および角度相関補正を加えたχ²最小化手法を用いて、単一および一致検出効率をフィッティングした。
• 5 MeVを超える15個の顕著なガンマ線ピークと関連する低エネルギーピークを直接データから取り込み、連続スペクトルは158Gdの理論的光子強度関数および準位密度を用いてモデル化した。
• シミュレートされたスペクトル（M2H2、M3H3）と測定データを比較することでモデルを検証し、全結晶ペアで10%未満の偏差を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.11 MeVから8 MeVの範囲で、157Gdにおける熱中性子捕獲反応の全ガンマ線エネルギースペクトルはどのように得られるか？
• RQ2 Geant4シミュレーションを用いて、広いエネルギー範囲および立体角における検出器のフォトピーク効率をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ3 測定された157Gd(n,γ)スペクトルは、実験的ピークと理論的連続スペクトルを組み合わせたハイブリッドモデルとどの程度一致するか？
• RQ4 モデルは、観測された多重度依存スペクトル（例：M2H2、M3H3）をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 本モデルは、スーパーカミオカンデのようなチェレンコフニュートリノ検出器における信頼性の高い中性子タギングを可能にするか？

主な発見

• 全14台のHPGe結晶および11のエネルギー点において、データとシミュレーションの効率比の重み付き平均が1に10%以内に収束した。
• 測定値とシミュレーションの単一フォトピーク効率の最大偏差は約20%であり、重み付き標本標準偏差は6%であった。
• 7414 keVにおける35Cl(n,γ)反応は正規化基準として機能し、シミュレーションと完全に一致（比 = 1）した。
• モデルはM2H2およびM3H3ガンマ線スペクトルを成功裏に再現し、カスケード放出の物理的傾向と一致するソフトニング傾向を示した。
• 最適な死時間補正係数はC = 0.225と特定され、フィッティングされた値と名目上のライブタイム値の整合性が保たれた。
• 全14結晶の合算された単一フォトピーク効率は1.3 MeVで(1.3 ± 0.1)%であり、検出器の立体角全域にわたり高い一様性を示した。