[論文レビュー] Radio-assay of Titanium samples for the LUX Experiment

D. S. Akerib, X. Bai+64 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、LUX暗黒物質実験のクライオスタットに使用するチタン試料の低バックグラウンド放射能測定を報告しており、CP-1グレードのチタン（ASTM B-265 Grade 1）が長寿命ラジオアイソトープを極めて低く抑えることを示している—238Uは0.25 mBq/kg未満、232Thは0.2 mBq/kg未満、40Kは1.2 mBq/kg未満—これにより、希少事象探索に最適である。一部の試料ではミューオン誘発スパルタションによる生成物であるコズモジェニックな46Scの活性が観測されたが、時間の経過とともに著しく減少しており、低高度での保管が可能な場合、チタンが低バックグラウンド用途に適していることが確認された。

ABSTRACT

We report on the screening of samples of titanium metal for their radio-purity. The screening process described in this work led to the selection of materials used in the construction of the cryostats for the Large Underground Xenon (LUX) dark matter experiment. Our measurements establish titanium as a highly desirable material for low background experiments searching for rare events. The sample with the lowest total long-lived activity was measured to contain <0.25 mBq/kg of U-238, <0.2 mBq/kg of Th-232, and <1.2 mBq/kg of K-40. Measurements of several samples also indicated the presence of short-lived (84 day half life) Sc-46, likely produced cosmogenically via muon initiated (n,p) reactions.

研究の動機と目的

• LUX暗黒物質実験のクライオスタットに使用するための低放射能チタン材料の特定と選定を目的とする。
• 238U、232Th、40Kなどの長寿命アイソトープによるバックグラウンドを最小限に抑えるために、異なるチタングレード（CP-1およびCP-2）の放射能純度を評価することを目的とする。
• 輸送および保管中のミューオン誘発スパルタションによる、とりわけ(n,p)反応による46Sc生成の影響を評価することを目的とする。
• チタン、特にCP-1グレードが、低バックグラウンド実験におけるステンレス鋼や銅の代替として実用的であることを確立することを目的とする。
• LUXに使用する材料選定を支援するため、複数の低バックグラウンド施設から得たチタン試料の定量的放射能測定データを提供することを目的とする。

提案手法

• 低バックグラウンド施設として、ローレンス・バークレー国立研究所のLow Background Facility、オロヴィル・カウンティング施設、サウダン地下研究所のSOLO施設で、高純度ゲルマニウム（HPGe）ガンマ線分光法を用いたチタン試料の放射能測定を実施した。
• 238U、232Th、40K、46Scアイソトープからのガンマ線放出を測定し、mBq/kg単位の比活動を特定した。
• 非検出の場合は90%信頼水準（CL）の上限を、陽性検出の場合は±1σの不確実性を用いた。
• 短寿命アイソトープ46Sc（半減期84日）の時間的変化を追跡するため、試料（例：Ti6およびTi3）を2〜3年間の長期モニタリングを実施した。
• 異なるチタングレード（CP-1およびCP-2）および形態（プレート、シート、ワイヤ）の間で放射能レベルを比較し、最低活動の材料を同定した。
• ミューオンスパルタションによる中性子生成を基に、46Tiに対する(n,p)反応による46Sc生成を、中性子エネルギー断面積データ（5〜20 MeVの中性子でσ ≈ 0.25 バーン）を用いてモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クライオスタットの構築に使用されるチタンの異なるグレードおよび形態における、長寿命放射能（238U、232Th、40K）のレベルはどの程度か？
• RQ2 輸送および保管中のミューオン誘発スパルタションによるコズモジェニックな46Scの生成は、どの程度の割合で発生するか？
• RQ3 46Scの活動は時間とともにどのように変化するか？また、保管条件の最適化によってこれを軽減できるか？
• RQ4 CP-1グレードのチタン（ASTM B-265 Grade 1）は、LUXのような低バックグラウンド実験に十分な放射能純度を有しているか？
• RQ5 チタンの放射能測定結果は、ステンレス鋼や銅といった従来の材料と比較して、バックグラウンド低減の観点でどの程度優れているか？

主な発見

• CP-1グレードのチタン（ASTM B-265 Grade 1）試料は、238Uが0.25 mBq/kg未満、232Thが0.2 mBq/kg未満、40Kが1.2 mBq/kg未満という最も低い長寿命放射能を示し、LUXの許容限界（1 mBq/kg）をはるかに下回っていた。
• CP-2グレードのチタンはCP-1に比べて232Thおよび238Uのレベルが著しく高く、グレードによる放射能純度の差が明確に示された。
• コズモジェニックな46Scは複数の試料で検出され、活動度は0.19 mBq/kg未満から最大23 mBq/kgまで変動しており、主に輸送中のミューオン誘発スパルタションによるものであった。
• 海面上での3年間の保管後、Ti6-Aの46Sc活動は検出限界以下にまで低下しており、コズモジェニック活性化が一時的で管理可能であることが確認された。
• 6か月間、高高度のサンダーフォード地下研究施設（SURF）に保管された試料では、46Sc活動が4.4 ± 0.3 mBq/kgであった。これは高高度での測定可能なコズモジェニック活性化が生じることを示している。
• 本研究により、チタン、特にCP-1グレードが、その低固有放射能と銅やステンレス鋼に対する機械的利点により、低バックグラウンド実験に極めて適した材料であることが確認された。