[論文レビュー] Study on cosmogenic activation in copper for rare event search experiments

Ze She, Zhi Zeng+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 46被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、中国・ Jinping地下研究所の外で2469.4 mの高度で504日間宇宙線にさらされた酸素不含有高導電率銅（OFHC銅）における核生成活性化を測定し、54Mn、56Co、57Co、58Co、60Coなどの主要なラジオアイソトープの生成率を特定した。低バックグラウンドガンマ線分光法とGeant4ベースのモンテカルロシミュレーションを用いてゲルマニウム検出器のバックグラウンド寄与を評価した結果、60Coが長期的バックグラウンドの主因であることが判明し、超低バックグラウンド実験における核生成活性化を低減するため、地上での露出時間を短縮するか、地下で電気形成を行うことが推奨された。

ABSTRACT

The rare event search experiments using germanium detectors are performed in the underground laboratories to prevent cosmic rays. However, the cosmogenic activation of the cupreous detector components on the ground will generate long half-life radioisotopes and contribute continually to the expected background level. We present a study on the cosmogenic activation of copper after 504 days of exposure at an altitude of 2469.4 m outside the China Jinping Underground Laboratory (CJPL). The specific activities of the cosmogenic nuclides produced in the copper bricks were measured using a low background germanium gamma-ray spectrometer at CJPL. The production rates at sea level, in units of nuclei/kg/day, are 18.6 \pm 2.0 for Mn-54, 9.9 \pm 1.3 for Co-56, 48.3 \pm 5.5 for Co-57, 51.8 \pm 2.5 for Co-58 and 39.7 \pm 5.7 for Co-60, respectively. Given the expected exposure history of the germanium detectors, a Monte Carlo simulation is conducted to assess the cosmogenic background contributions of the detectors' cupreous components.

研究の動機と目的

• 高高度で露出されたOFHC銅の核生成活性化を測定し、希少事象実験におけるバックグラウンド寄与を評価すること。
• 宇宙線にさらされた状態での長寿命ラジオアイソトープ、たとえば54Mn、56Co、57Co、58Co、60Coの正確な生成率を特定すること。
• CDEX実験で用いられるp型点接触ゲルマニウム（PPC）検出器における銅部品からの核生成バックグラウンド寄与を評価すること。
• 測定された生成率をモンテカルロシミュレーションと既存のモデルと比較し、バックグラウンド予測の妥当性を検証・精緻化すること。
• 地上露出時間を短縮する、または地下で電気形成を行うなど、超低バックグラウンド実験における核生成バックグラウンド低減に有効な対策を同定すること。

提案手法

• 中国・ Jinping地下研究所（CJPL）の外で2469.4 mの高度に16個のOFHC銅ブロック（合計142.5 kg）を504日間宇宙線に露出させた。
• CJPLで実施した低バックグラウンドゲルマニウムガンマ線分光器（GeTHU）を用いて、核生成アイソトープの比活動を測定した。分光器のバックグラウンド率は100–2700 keVのエネルギー範囲で1日あたり732カウントであった。
• スペクトル解析には線形バックグラウンド仮定を用い、純粋なピーク面積を抽出した。各アイソトープの検出効率は、Geant4.10.06を用いてシミュレートした。
• 指数関数的崩壊モデル A = R(1−e−λt) + A₀e−λt を適用し、長寿命核種に対して初期活動量 A₀ = 0 を仮定して生成率 R を導出する。
• SAGEフレームワークを用いたモンテカルロシミュレーションにより、PPCGe検出器アレイにおけるバックグラウンドスペクトルをモデル化した。核種は銅部品全体に均等に分布させた。
• 測定された生成率をシミュレーション結果および既存の研究結果と比較し、一貫性の有無を評価し、乖離を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2469.4 mの高度で露出されたOFHC銅における核生成アイソトープ54Mn、56Co、57Co、58Co、60Coの生成率は何か？
• RQ2 測定された生成率は、モンテカルロシミュレーションおよび過去の研究で予測された値とどのように異なるか？
• RQ3 CDEX実験で用いられるゲルマニウム検出器における銅部品からの核生成アイソトープが、全バックグラウンドに与える寄与は何か？
• RQ4 2–4 keV（ニュートリノ無し双ベータ崩壊）エネルギー領域および2039 keV領域で、どの核種がバックグラウンドを支配しているか？
• RQ5 希少事象実験における銅由来の核生成バックグラウンド低減に最も効果的な対策は何か？

主な発見

• 海面上での銅における54Mnの生成率は18.6±2.0 核種/kg/日である。
• 海面上での銅における56Coの生成率は9.9±1.3 核種/kg/日である。
• 海面上での銅における57Coの生成率は48.3±5.5 核種/kg/日である。
• 海面上での銅における58Coの生成率は51.8±2.5 核種/kg/日である。
• 海面上での銅における60Coの生成率は39.7±5.7 核種/kg/日である。
• シミュレートされたバックグラウンド率は2–4 keVエネルギー範囲で7.17×10⁻² cpkty、2039 keV近辺で1.82×10⁻³ cpktyであり、122 keV未満では57Coが支配的、830 keV未満では54Mnが支配的、高エネルギー領域では60Coが支配的である。