[論文レビュー] Monitoring of the thermal neutron flux in the LSM underground laboratory

S. Rozov, E. Armengaud+43 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2010

Nuclear Physics and Applications被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、地下深くに位置するLSM施設の3Heを充填した比例計数器を用いて、連続的かつ高精度な熱中性子線量率モニタリングを実施した。EDELWEISS-II実験の周辺では、1日平均で3.57 × 10⁻⁶ 個/cm²/secの線量率を報告しており、場所による変動は3倍以上にのぼり、日単位や週単位の時間的変動は顕著でないことが確認された。

ABSTRACT

This paper describes precise measurements of the thermal neutron flux in the LSM underground laboratory in proximity of the EDELWEISS-II dark matter search experiment together with short measurements at various other locations. Monitoring of the flux of thermal neutrons is accomplished using a mobile detection system with low background proportional counter filled with $^3$He. On average 75 neutrons per day are detected with a background level below 1 count per day (cpd). This provides a unique possibility of a day by day study of variations of the neutron field in a deep underground site. The measured average 4$π$ neutron flux per cm$^{2}$ in the proximity of EDELWEISS-II is $Φ_{MB}=3.57\pm0.05^{stat}\pm0.27^{syst} imes 10^{-6}$ neutrons/sec. We report the first experimental observation that the point-to-point thermal neutron flux at LSM varies by more than a factor two.

研究の動機と目的

• 深地下のLSM施設における熱中性子線量率を高精度で測定・モニタリングすること。
• 線量率の時間的安定性を、日単位および週単位のスケールで評価すること。
• LSM施設内の異なる場所における熱中性子線量率の空間的変動を調査すること。
• LSMにおける次世代のダークマター実験および二重ベータ崩壊実験のバックグラウンド特徴付けを支援すること。
• 地下環境における低バックグラウンド・高感度な中性子線量率モニタリングに、3He比例計数器が有効であることを検証すること。

提案手法

• 熱中性子を検出するために、n + ³He → T + p 反応を利用する移動式3He充填比例計数器（CHM-57）を用いた。
• ウラン・トリウム系核種のアルファ崩壊によるバックグラウンドを低減するため、テトラフルオロエチレン（Teflon）および銅の層を装備した。
• エネルギースペクトルは、電荷に敏感なプリアンプと12ビットADCを用いて取得し、パルス高分析は660–830 keV領域に集中した。
• 中性子線量率のシミュレーションとして、ポリエチレンで緩和されたPuBe中性子源を用いてキャリブレーションを実施した。
• EDELWEISS-II、NEMO-3、制御室など、LSM内10か所の異なる場所で測定を実施した。
• 時系列データの統計的分析には、3時間、1日、1週間の時間スケールにおける線量率の一定性を評価するためのχ²検定を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSM地下施設内の異なる場所における熱中性子線量率の空間的分布はどのようになっているか？
• RQ2 固定地点における熱中性子線量率は、短時間スケール（3時間、1日、1週間）でどの程度安定しているか？
• RQ3 EDELWEISS-IIダークマター実験の周辺における絶対的熱中性子線量率はどの程度か？
• RQ4 材料組成および水分含量は、局所的な中性子線量率の変動にどの程度寄与しているか？
• RQ5 3Heベースの検出器は、連続的で日次レベルの熱中性子線量率モニタリングを実現するのに十分な感度と低バックグラウンドを達成できるか？

主な発見

• EDELWEISS-II実験周辺の平均熱中性子線量率は、Φ_MB = 3.57 × 10⁻⁶ 個/cm²/secであり、統計的誤差と系統的誤差はそれぞれ±0.05 × 10⁻⁶ および±0.27 × 10⁻⁶ であった。
• LSM施設内の異なる場所における熱中性子線量率は3倍以上にわたって変動し、施設の壁付近で最大の線量率6.6 × 10⁻⁶ cm⁻²s⁻¹を記録した。
• どの場所においても、3時間、1日、1週間の時間スケールで顕著な時間的変動は観測されず、χ²/ndf値は一定線量率と整合的であった。
• 検出器は1日あたり75カウントのカウントレートを達成し、バックグラウンドは1日1カウント未満に抑えられ、高精度なモニタリングが可能となった。
• 系統的誤差は主に検出器感度（6.2％）と有効体積（4.6％）に起因し、総合的な系統誤差は7.7％と推定された。
• 本研究では、深地下施設において点対点での熱中性子線量率変動が2倍を超える実験的観測を初めて報告した。