[論文レビュー] Scintillator Non-Proportionality and Gamma Quenching in CaWO4

R. F. Lang, G. Angloher+39 more|ArXiv.org|Oct 23, 2009

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、mK温度下におけるCaWO₄のセシウムスチルレーター非比例性およびガンマ線クエンチングを、同時に測定する熱力学的フォノンおよび低温光検出を用いて測定した。ガンマ線誘発イベントは40–80 keVで電子イベントの約90%の光出力を示し、これはバーツの法則と電子の停止力によって説明され、バーツ定数は $ k_B = (18.5 \pm 0.7) \, \text{nm/keV} $ であった。これは低エネルギー電子線跡における非比例的光応答の確認を示している。

ABSTRACT

We measure and explain scintillator non-proportionality and gamma quenching of CaWO4 at low energies and low temperatures. Phonons that are created following an interaction in the scintillating crystal at temperatures of 15mK are used for a calorimetric measurement of the deposited energy, and the scintillation light is measured with a separate cryogenic light detector. Making use of radioactivity intrinsic to the scintillating crystal, the scintillator non-proportionality is mapped out to electron energies <5keV. The observed behavior is in agreement with a simple model based on Birks' law and the stopping power dE/dx for electrons. We find for Birks' constant $k_B=(18.5\pm0.7)$nm/keV in CaWO4. Gamma lines allow a measurement of the reduced light yield of photons with respect to electrons, as expected in the presence of scintillator non-proportionality. In particular, we show that gamma-induced events in CaWO4 give only about 90 percent of the light yield of electrons, at energies between 40keV and 80keV.

研究の動機と目的

• 低温およびmK温度下におけるCaWO₄のセシウムスチルレーター非比例性を、二重検出システムを用いて測定すること。
• CaWO₄におけるガンマ線イベントの光出力が電子イベントに対してどの程度減少するかを特定すること。
• ガンマ線クエンチングが非比例的セシウムスチルレーションに起因するのか、それとも結晶内の幾何的光捕集に起因するのかを検証すること。
• 低エネルギー電子応答からバーツ定数 $ k_B $ を抽出し、モデルを検証すること。

提案手法

• 超伝導相転移温度計を用いた低温熱力学的測定により、フォノンを介したエネルギー損失を測定する。
• 別個の低温光検出器を用いて、同時にセシウムスチルレーション光を検出する。
• 210Pb、179Ta、181Wの内部放射能を用いて、電子およびガンマ線の内部源とする。
• フォノン測定による既知のエネルギー損失からの電子イベントを用いて、光出力をキャリブレーションする。
• ピーク上およびピーク外のエネルギースペクトルにガウス分布をフィットさせ、ガンマ線および電子イベントの光出力を抽出する。
• バーツの法則を用いた非比例的応答のモデル化：$ \frac{dL}{dx} = \frac{A \, dE/dx}{1 + k_B \, dE/dx} $、ここで $ dE/dx $ はCaWO₄中の電子の停止力から導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mK温度下における低エネルギー電子に対するCaWO₄のセシウムスチルレーター非比例性の程度は何か？
• RQ2 40–80 keVのエネルギー領域において、CaWO₄におけるガンマ線イベントの光出力は電子イベントに対してどの程度か？
• RQ3 光出力の低下は、非比例的セシウムスチルレーションに起因するのか、それとも結晶内での幾何的光捕集に起因するのか？
• RQ4 CaWO₄におけるバーツ定数 $ k_B $ の値は何か？また、観測された非比例的応答を説明できるか？

主な発見

• CaWO₄のバーツ定数は $ k_B = (18.5 \pm 0.7) \, \text{nm/keV} $ として測定され、停止力とバーツの法則に基づく単純なモデルと整合的である。
• 40 keV から 80 keV のエネルギー領域において、ガンマ線イベントの光出力は電子イベントの $ 90\% $ にとどまる。
• 2種類の独立した内部源（179Ta および 181W）を用いた確認により、それぞれ電子に対して $ 0.91 \pm 0.01 $ および $ 0.88 \pm 0.01 $ の光出力が得られた。
• 観測された非比例的応答は、バーツの法則と電子の停止力によって完全に説明可能であり、光捕集がガンマ線クエンチングの原因である可能性は排除された。
• モデルは電子の光出力を正確に予測しており、$ 1.011 \, \text{keV}_{ee}/\text{keV} $ の値を示し、測定値 $ 1.009 \pm 0.004 \, \text{keV}_{ee}/\text{keV} $ と非常に良好に一致している。
• 本研究は、非比例的光応答を考慮することで、CaWO₄ベースのダークマター実験における核反発信号の同定に定量的フレームワークを提供している。