[論文レビュー] Highly Sensitive Gamma-Spectrometers of GERDA for Material Screening: Part 2

D. Budjáš, W. Hampel+9 more|ArXiv.org|Dec 3, 2008

Nuclear Physics and Applications参考文献 3被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、GERDA中性子爆発二重ベータ崩壊実験における高感度材料スクリーニングを目的とした、2台の超低バックグラウンドガンマスペクトロメータ—Corrado（ハイデルベルク、15 m w.e.）およびGe mpi III（グランサソ、3500 m w.e.）—の設計、運用、性能を提示する。両スペクトロメータは、放射純度の高い材料、多重層遮蔽、アクティブなミューオン遮断、窒素洗浄を用いて、それぞれ~1 mBq/kgおよび~10 μBq/kgの感度を達成している。宇宙線およびルビジウム由来バックグラウンドを低減するが、Ge mpi IIIの性能は、導入後発見された207Bi汚染によって制限されている。

ABSTRACT

The previous article about material screening for GERDA points out the importance of strict material screening and selection for radioimpurities as a key to meet the aspired background levels of the GERDA experiment. This is directly done using low-level gamma-spectroscopy. In order to provide sufficient selective power in the mBq/kg range and below, the employed gamma-spectrometers themselves have to meet strict material requirements, and make use of an elaborate shielding system. This article gives an account of the setup of two such spectrometers. Corrado is located in a depth of 15 m w.e. at the MPI-K in Heidelberg (Germany), GeMPI III is situated at the Gran-Sasso underground laboratory at 3500 m w.e. (Italy). The latter one aims at detecting sample activities of the order ~0.01 mBq/kg, which is the current state-of-the-art level. The applied techniques to meet the respective needs are discussed and demonstrated by experimental results.

研究の動機と目的

• GERDA実験における厳格なバックグラウンド要件を満たすために、低レベル材料スクリーニング用に高感度ガンマスペクトロメータを開発・導入すること。
• 建設および遮蔽材料中の放射性不純物の検出限界をそれぞれ~1 mBq/kgおよび~10 μBq/kgに達成すること。
• 高度な遮蔽および環境制御により、宇宙線、ルビジウム、および固有の放射能由来のバックグラウンド寄与を最小限に抑えること。
• GERDA実験の成功に不可欠な超放射純度材料の事前選別を可能にすること。
• 207Biのような予期しない汚染問題を特定・解決すること。

提案手法

• 高純度ゲルマニウム（HPGe）検出器を用い、同軸構造のp型結晶（930 g、相対効率37％）を採用することで、高いエネルギー分解能と検出効率を実現。
• 被動遮蔽（電解銅、鉛、ボレート添加ポリエチレン）とアクティブなミューオン遮断の組み合わせによりバックグラウンド低減を実現。
• ルビジウムバックグラウンドは、気密ステンレス鋼製カバーにグローブポートおよびエアロックシステムを備え、わずかに過圧の状態で継続的な窒素洗浄により低減。
• 試料室は、大容量試料の検出効率を最大化するためのマリネリ幾形（18 L容量）を採用。
• モンテカルロシミュレーションとX線画像法を用いて、冷却器と遮蔽構造の最適化をモデル化。
• 感度は式 $ A_{\text{min}} = \frac{\sqrt{B}}{M \cdot \epsilon \cdot t} $ を用いて定量され、ここで $ B $ はバックグラウンド、$ M $ は試料質量、$ \epsilon $ はピーク効率、$ t $ は測定時間である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 浅い地下施設における低レベルガンマスペクトロメータの達成可能な感度は何か？ また、GERDAの材料スクリーニング要件を満たせるか？
• RQ2 多重層被動遮蔽とアクティブなミューオン遮断は、超感受性ガンマスペクトロメトリのバックグラウンド低減にどの程度効果的か？
• RQ3 高感度HPGeスペクトロメータの性能を損なう汚染源は何か？ また、それらを特定・低減する方法は？
• RQ4 長時間にわたる測定において、窒素洗浄はルビジウム誘発バックグラウンドを効果的に低減できるか？
• RQ5 Ge mpi IIIスペクトロメータはなぜ10 μBq/kgの目標感度に到達できなかったのか？ 207Bi汚染の原因は何か？

主な発見

• ハイデルベルクのCorradoスペクトロメータ（15 m w.e.）は、228Thに対して~1 mBq/kgの感度を達成し、浅い地下施設でもバックグラウンドを約1000倍低減可能であることを示した。
• 3500 m w.e.に位置するGe mpi IIIスペクトロメータは、10 μBq/kgの感度を達成することを目的として設計されたが、冷却器内に(3.74 ± 0.39) mBqの207Bi汚染が存在し、性能が損なわれた。
• 207Bi汚染の原因は、塩酸溶液に含まれる207Biを含む汚染済みピンセットを介した冷却器組立時のクロスコンタミネーションに起因する。
• 汚染物質はHPGe結晶に近接しており、追加遮蔽下でのカウントレートの変化がなく、サムメーションピーク解析により確認された。
• 同様の207Bi汚染は、後にGe mpi IV冷却器に対しても発見されたが、10倍低いレベルであったため、処理手順に起因する体系的リスクが示された。
• クリーニング手順（冷却器エッチングおよびメタノールバス処理）が実施・試験されたが、論文発表時点では結果は未確定であった。