[論文レビュー] Radon and material radiopurity assessment for the NEXT double beta decay experiment

S. Cebrián, J. Pérez+69 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 21被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、カーンフランク地下研究所におけるNEXT二重ベータ崩壊実験のための材料およびルビジウムレベルの放射能純度評価を包括的に行っている。超低バックグラウンドHPGe分光法、GDMS、ICPMSを用いて、遮蔽、容器、検出器部品に適した超純正材料を同定した。また、現場でのルビジウム測定により、高流量の窒素洗浄を用いてバックグラウンドレベル8×10⁻⁴カウント keV⁻¹kg⁻¹y⁻¹に到達するために不可欠な緩和戦略を最適化した。

ABSTRACT

The Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT), intended to investigate the neutrinoless double beta decay using a high-pressure xenon gas TPC filled with Xe enriched in 136Xe at the Canfranc Underground Laboratory in Spain, requires ultra-low background conditions demanding an exhaustive control of material radiopurity and environmental radon levels. An extensive material screening process is underway for several years based mainly on gamma-ray spectroscopy using ultra-low background germanium detectors in Canfranc but also on mass spectrometry techniques like GDMS and ICPMS. Components from shielding, pressure vessel, electroluminescence and high voltage elements and energy and tracking readout planes have been analyzed, helping in the final design of the experiment and in the construction of the background model. The latest measurements carried out will be presented and the implication on NEXT of their results will be discussed. The commissioning of the NEW detector, as a first step towards NEXT, has started in Canfranc; in-situ measurements of airborne radon levels were taken there to optimize the system for radon mitigation and will be shown too.

研究の動機と目的

• NEXT無中性子二重ベータ崩壊実験の超低バックグラウンド条件を達成するため、材料の放射能純度を厳密に評価すること。
• 遮蔽、圧力容器、電場キャージ、検出器部品に適した超純正材料の同定と資格付けを行うこと。
• カーンフランク地下研究所における大気中ルビジウムレベルの測定と緩和を実施し、バックグラウンド干渉を低減すること。
• 検出器の設置前に、窒素洗浄とシールド戦略を用いてルビジウム抑制システムを最適化すること。
• HPGe、GDMS、ICPMSからの定量的放射能純度データを用いて、NEXT-100のバックグラウンドモデルを支援すること。

提案手法

• 2450 m.w.e.の深さにあるカーンフランク地下研究所で、p型コaxial検出器を用いた超低バックグラウンド高純度ゲルマニウム（HPGe）ガンマ分光法を実施した。銅および lead のシールドを備えた装置を用いた。
• 補足的な材料放射能純度分析として、U、Th、K濃度の測定にガス放電質量分析法（GDMS）および誘導結合プラズマ質量分析法（ICPMS）を用いた。
• 鉛の城の各種運用状態下で、AlphaGuardおよび独自開発のマイクロメガスベースのルビジウム検出器を用いて、現場でのルビジウム測定を実施した。
• 窒素洗浄によるルビジウム緩和戦略を、逐次的窒素洗浄および変動する窒素ガス流量（180–900 L/h）を用いてテストし、ルビジウム濃度に与える影響を評価した。
• NaI(Tl)シンチレーション検出器を用いてリアルタイムでガンマバックグラウンド率をモニタリングし、ルビジウムレベルおよびシールド効果と相関をとった。
• GEANT4シミュレーションを用いて、HPGe測定における各試料の検出効率を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮蔽、圧力容器、読み出し平面に使用される主要材料の放射能純度レベルは何か？
• RQ2 カーンフランク地下研究所における鉛の城内の大気中ルビジウムレベルを低減するために、窒素洗浄およびシールド戦略はどの程度効果的か？
• RQ3 残留ルビジウムおよび材料の放射能が、NEXT-100実験の全体的バックグラウンドモデルに与える寄与度は何か？
• RQ4 超低バックグラウンドHPGe分光法、GDMS、ICPMSは、検出器の製作に適した一貫性があり信頼性の高い放射能純度データを提供できるか？
• RQ5 8×10⁻⁴カウント keV⁻¹kg⁻¹y⁻¹の必要なバックグラウンドレベルに到達する最適なルビジウム緩和戦略は何か？

主な発見

• 放射能純度スクリーニングにより、CuA1（ETP）銅およびリユースドOPERA鉛が適した材料として同定された。210Pb活動は（76.4 ± 8.6）Bq/kgで測定され、名目値80 Bq/kgと一致した。
• 溶融および再処理後、OPERA鉛に汚染は認められず、遮蔽構造への使用が妥当であることが裏付けられた。
• 鉛の城をシールドしたことで、ガンマバックグラウンド率は59.56 Hzから1.089 Hzに低下し、2桁の低下が達成された。
• 高流量の窒素洗浄（900 L/h）により、城内におけるルビジウム活動は約70 Bq/m³から4 Bq/m³に低下し、17.5倍の低減が達成された。
• 高流量の窒素洗浄下で、城内におけるルビジウム活動はAlphaGuard検出器の検出限界にまで低下し、効果的な緩和が確認された。
• シールドと高流量の窒素洗浄の組み合わせが最も効果的であり、ルビジウムレベルが外部の変動にほとんど影響されなくなった。