[論文レビュー] Spectroscopic performance evaluation and modeling of a low background HPGe detector using GEANT4

Swati Thakur, Soni Devi+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2023

Nuclear Physics and ApplicationsPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、GEANT4モンテカルロシミュレーションを用いて、IIT Roparで低バックグラウンドHPGe検出器の評価とモデル化を行い、環境放射能測定における分光的性能を最適化する。シミュレートされた全エネルギーピーク効率は、実験データと7%以内のずれで一致（93%信頼区間）、土壌および鉱物試料中の原始的ラジオニクライド（U/Th/K）の検出限界が向上した。

ABSTRACT

Low background gamma spectrometry employing HPGe detectors is a sensitive technique for measuring low-level radioactivity in environmental applications, material screening, and for rare decay searches. This work presents spectroscopic performance evaluation and modelling of a low background measurement setup developed at IIT Ropar in Punjab, India, to measure trace natural radioactive elements, with a particular interest in studying low-level radioactivity in soil and/or rock samples to generate specific inputs for low background experiments. The performance test and characterization of a low background cryocooled HPGe detector with relative efficiency of $\sim$33% have been carried out. An effective detector model has been developed using GEANT4 Monte Carlo simulation to determine the response of the detector over an energy range of 80.9-1408 keV and compared with the experimental performance of the detector. The response of the detector obtained using Monte Carlo simulations agrees reasonably well within 93% level of confidence, indicating only 7% deviation in the comparison. The present setup offers improved detection limits of primordial radionuclides (U/Th and K) to measure radioactive contamination in environmental matrices, which has been used elsewhere [1].

研究の動機と目的

• IIT Roparにおける環境マトリックス中の微量な自然放射能を測定するための低バックグラウンドHPGe検出器セットアップの開発。
• ピーク効率、エネルギー分解能、バックグラウンド寄与の分光的性能の特徴付け。
• 正確な検出器応答モデリングのため、実験結果をGEANT4モンテカルロシミュレーションで検証。
• 希少崩壊物理学を支援するため、土壌および鉱物試料中の原始的ラジオニクライド（238U, 232Th, 40K）の検出限界の向上。
• バックグラウンド源の特定と、将来の低バックグラウンド実験の感度向上のためのシールドおよびバスターサイステムのアップグレード提案。

提案手法

• Ge半導体結晶の幾何形状、デッドレイヤー、シールド部品を含む、詳細なGEANT4モンテカルロモデルの構築。
• 一様エネルギーのガンマ線源を用いた、結晶の横方向、半径方向、軸方向の走査を実施し、内部構造のマップ作成と検出器パrameterの最適化。
• 実験的およびシミュレートされたデータを用いて、80.9–1408 keVのエネルギー範囲で全エネルギーピーク効率（FEPE）を計算。
• 背景補正後のネットピークカウントから、$ A_{\text{γ}} = \frac{N_{\text{γ}}}{I_{\text{γ}} \times m \times \rho_{\text{γ}} \times t} $ の式を用いて、特定活動を算出。
• ポイントソース測定を実施し、ピーク形状、ピーク対コンプトン比（P/C）、およびファーミット・オブ・マーリット（FOM）の評価。
• バックグラウンド補正および効率キャリブレーションを実施し、土壌および鉱物試料中の活動濃度を決定。

Figure 1: Schematic cross-section of the experimental setup of ILM-0 (IIT Ropar Low Background Measurement setup). The soil sample is mounted on the face of the detector, and the setup is placed on a thick stainless steel (SS) table 1 m above the ground.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GEANT4は、広いエネルギー範囲（80.9–1408 keV）において、低バックグラウンドHPGe検出器の全エネルギーピーク効率をどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ2 地上設置のHPGe測定における主なバックグラウンド寄与要因は何か？ また、それらは原始的ラジオニクライドの検出限界にどのように影響するか？
• RQ3 検出器の幾何形状、結晶寸法、デッドレイヤーの影響は、分光的性能および効率にどの程度の程度か？
• RQ4 IIT Roparの地域からの土壌および鉱物試料における238U, 232Th, 40Kの具体的な活動濃度は何か？ また、文献値と比較するとどうなるか？
• RQ5 希少崩壊探索のためのバックグラウンド低減と検出限界の向上を図るため、どのようなシールドおよびバスターサイステムのアップグレードが必要か？

主な発見

• GEANT4でシミュレートされたHPGe検出器の全エネルギーピーク効率は、実験測定値と7%以内のずれで一致し、モデルの正確性に93%の信頼区間があることを示した。
• 農業試験地区からの土壌試料における238U, 232Th, 40Kの平均特定活動は、それぞれ50, 85, 670 Bq/kgであり、UおよびThは一貫した分布を示し、Kはより高いばらつきを示した。
• 鉱物試料では、238Uの活動は7 (1) Bq/kgで測定されたが、232Thおよび40Kは現在のセットアップでは検出限界未満であった。
• 鉱物試料における232Thおよび40Kの検出のためには、バックグラウンドを1桁低減する必要があり、低活動性の lead および銅シールドの厚さを増す必要がある。
• 宇宙線ミューオン誘発反応が地上設置のセットアップにおけるバックグラウンドを支配しており、宇宙ミューオンバスターシステムを追加することで、バックグラウンドを約50%低減できる可能性がある。
• 将来のアップグレードとして、低活動性シールドおよびプラスチックバスターディテクタの導入が進行中であり、希少崩壊物理学実験の感度向上に寄与する。

Figure 2: A cross-sectional view of the detector with scanning directions indicated.