[論文レビュー] Measurements of Radon Concentrations Using CR-39 Detectors in China JinPing Underground Laboratory (2015-2016)

Cuihong Liu, Hao Ma+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2018

Radioactivity and Radon Measurements参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、2015年5月から2016年3月にかけて、中国・金平地下実験施設（CJPL）でCR-39固体核 track 検出器を用いて、被動的で時間積分型の検出法によりラドン濃度を測定した。結果は、効果的な換気により、主実験棟で平均年間ラドン濃度が(58±10) Bq·m⁻³に達したのに対し、換気のない貯蔵トンネルでは(345±15) Bq·m⁻³に達し、自然背景レベルを示している。これらの値は、他の国際的地下実験施設と比較して中程度の範囲にあり、低バックグラウンド実験に適している。

ABSTRACT

Radon background is one of the most critical influences on the ultra-low background and rare-event physical experiments in underground laboratories. To conduct a comprehensive investigation of the radon concentrations in China JinPing underground Laboratory (CJPL), long-term cumulative measurements were carried out using time-integrated passive radon dosimeters containing CR-39 solid-state nuclear track detectors at four sites of CJPL-I. The measurements lasted from May 30,2015 to March 16,2016, a total of 290 days, and the total effective measurement time is 6,953 hours. In the main experiment hall equipped with the ventilation system, the average annual radon concentrations were (55+/-7) Bq m^-3, (58+/-10) Bq^m-3and (53+/-9) Bq m^-3 in three locations respectively. In the storage tunnel without any radon reduction facility, the average annual radon concentrations increased to (345+/-15) Bq m^-3, reflecting the original average annual radon concentration levels in the underground laboratory. Compared with the measured results in the period from 2010 to 2011, the average radon concentration in the main experimental hall was reduced from (86+/-25) Bq m^-3 to (58+/-10) Bq m^-3 due to the well-running ventilation system. Compared with other international underground laboratories, radon concentrations in CJPL-I were at an intermediate level and can meet the demand for low background and rare-event physical experiments.

研究の動機と目的

• 超低バックグラウンドおよびレアイベント物理学実験を支援するため、中国・金平地下実験施設（CJPL）における長期ラドン背景濃度を評価すること。
• 主実験棟におけるラドン濃度低減効果を評価するため、換気システムの有効性を検証すること。
• 貯蔵トンネルなどの換気のない領域におけるラドン濃度のベースラインを確立し、地下環境における自然ラドン放出を理解すること。
• 他の国際的地下実験施設と比較して、CJPLのラドン濃度が感度の高い実験に適しているかどうかを評価すること。

提案手法

• CJPL-I内に4か所の異なる地点に、CR-39固体核 track 検出器を配置し、被動的で時間積分型のラドン検出を実施した。
• 検出器は290日間（2015年5月30日～2016年3月16日）露出され、合計6,953時間の有効測定時間のデータを蓄積した。
• α線粒子のtrack数を数え、分析することでラドン濃度を算出した。
• 換気ありおよび換気なしの領域で測定を実施し、環境的制御条件の異なるラドン濃度を比較した。
• 誤差伝搬を用いた統計解析により、不確実性を含めた濃度値（例：58±10 Bq·m⁻³）を報告した。
• 過去の測定値（2010–2011年）および国際基準と比較して、トレンドと性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CJPL-Iの主実験棟における長期平均ラドン濃度は何か？また、換気状態によってどのように変化するか？
• RQ2 貯蔵トンネルなどの換気のない地下領域における自然ラドン背景濃度は何か？
• RQ3 CJPL-Iの換気システムは、換気導入前の状態と比較して、ラドン濃度をどの程度低減したか？
• RQ4 他の国際的地下実験施設と比較して、CJPL-Iのラドン濃度は背景レベルの観点でどの程度か？
• RQ5 CJPL-Iの現在のラドン濃度は、将来の超低バックグラウンドおよびレアイベント物理学実験を支持できるか？

主な発見

• 換気システムを備えた主実験棟における平均年間ラドン濃度は(58±10) Bq·m⁻³であった。
• 換気のない貯蔵トンネルでは、平均年間ラドン濃度が(345±15) Bq·m⁻³に達し、地下環境における自然背景レベルを示している。
• 換気システムにより、主棟のラドン濃度は2010–2011年の(86±25) Bq·m⁻³から(58±10) Bq·m⁻³にまで低下し、顕著な低減効果が確認された。
• CJPL-Iの測定されたラドン濃度は、他の国際的地下実験施設と比較して中程度の水準にあり、低バックグラウンド実験に適している。
• 結果から、CJPL-Iの現在のラドン背景濃度は、ダークマター探索やニュートリノ検出などのレアイベント物理学実験にとって許容可能な範囲にあることが確認された。