[論文レビュー] Improvement of radon detector performance by using a large-sized PIN-photodiode

K. Okamoto, Y. Nakano+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、小型（18×18 mm）のPINフォトダイオードを大型（28×28 mm）に置き換えることで、ラドン検出器の感度を向上させる手法を提案している。低濃度ラドン（<1.0 g/m³）条件下では検出効率が3.8±2.4%向上し、高濃度では最大10–20%向上するが、内在的バックグラウンドは増加しない。このアップグレードにより、湿ったガス中や材料スクリーニングにおけるより正確なラドン測定が可能となり、レアイベント実験にとって不可欠である。

ABSTRACT

Radioactive noble gas radon ($\mathrm{^{222}Rn}$) is one of the major background sources below the MeV region in rare event search experiments. To precisely measure radon concentration in purified gases, a radon detector with an electrostatic collection method is widely used. In this paper, we discussed the improvements of a radon detector by installing a new PIN-photodiode ($28 imes28$ $\mathrm{mm}$) whose surface area is $2.5$ times larger than that used previously ($18 imes18$ $\mathrm{mm}$). We evaluated the detector's performance by serially connecting two radon detectors equipped with two types of PIN-photodiodes. As a result of the calibrations, we found an improvement of $(3.8\pm2.4)\%$ in the detection efficiencies below $1.0$ $\mathrm{g/m^{3}}$, while a $10$-$20\%$ improvement occurred above this level. The intrinsic background of the detector equipped with the large PIN-photodiode was measured as $0.24^{+0.09}_{-0.05}$ $\mathrm{mBq/m^{3}}$. This background level is consistent with the radon detector with the small PIN-photodiode, although we installed the large one. This improvement is useful for applications in radon emanation measurements from a material, which also emits water from its surface.

研究の動機と目的

• レアイベント実験で用いられるラドン検出器の検出感度を向上させること、特に精製ガス中の低レベルラドンを測定することを目的とする。
• 水蒸気がラドン娘核種イオンを中和するため、湿った環境下で検出効率が低下するという課題に対処すること。
• PINフォトダイオードの表面積を拡大した場合の検出効率および内在的バックグラウンドへの影響を評価すること。
• 検出器の構築に用いられる材料からのラドン放出率をより正確に測定すること。
• 大規模実験におけるバックグラウンド低減に不可欠な、精製水およびガス中のラドンをリアルタイムでモニタリングすることを支援すること。

提案手法

• 静電集積方式を備えたラドン検出器に、標準の18×18 mm PINフォトダイオードの代わりに、より大きな28×28 mmフォトダイオードを組み込んだ。
• 同一のラドン検出器を2台直列に接続したキャリブレーション装置を構築し、2種類のフォトダイオードを搭載した検出器の性能を比較した。
• 電界強度の変化に伴うキャリブレーション係数の高電圧依存性を測定し、電荷収集効率を評価した。
• 絶対湿度依存性を評価することで、湿ったガス環境下での性能をテストした。
• 放出過程における崩壊を補正するため、²²²Rnの半減期3.82日を基に検出効率補正係数ε = 0.1659を計算した。
• 大型ダイオード検出器の内在的バックグラウンドを0.24⁺⁰·⁰⁹₋₀·⁰⁵ mBq/m³として測定し、バックグラウンド安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PINフォトダイオードの表面積を18×18 mmから28×28 mmに拡大することで、低濃度および湿ったガス環境下におけるラドン検出器の検出効率が向上するか？
• RQ2 大型フォトダイオードが検出器の内在的バックグラウンドレベルに与える影響は何か？
• RQ3 検出器のキャリブレーション係数は、印加電圧および絶対湿度にどのように依存するか？
• RQ4 大型フォトダイオードは、材料からのラドン放出率測定における検出器感度をどの程度向上させるか？
• RQ5 アップグレードされた検出器は、リアルタイムラドンモニタリング応用において、高い効率を維持しながら低バックグラウンドを保てるか？

主な発見

• ラドン濃度が1.0 g/m³未満の条件下では、大型フォトダイオードの導入により検出効率が(3.8±2.4)%向上した。
• 高濃度（>1.0 g/m³）条件下では、検出効率の向上が10–20%に達した。
• 大型PINフォトダイオードを搭載した検出器の内在的バックグラウンドは0.24⁺⁰·⁰⁹₋₀·⁰⁵ mBq/m³と測定され、従来の小型ダイオード設計と同等であった。
• 高電圧（-0.3 kV以上）条件下では、キャリブレーション係数に15–30%の改善が見られ、電荷収集効率の向上が示された。
• このアップグレードは、精製水中ラドンモニタリングなどの応用にとって重要な湿ったガス環境下でも、優れた性能向上を示した。
• 本研究は、フォトダイオードのサイズ拡大が、バックグラウンドを増加させることなく、検出器感度を向上させる有効で低コストな手法であることを確認した。