[論文レビュー] Ultracold neutron detection with 6Li-doped glass scintillators, NANOSC: a fast ultracold neutron detector for the nEDM experiment at the Paul Scherrer Institute

G. Ban, G. Bison+33 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2016

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 31被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、6Liをドーピングしたガラスシンチレーターを用い、6Liを不活性化したガラスと6Liを強化したガラスを光学的接触結合で積層することで、高い中性子-ガンマ線識別性能を達成した高速な超低温中性子（UCN）検出器を提案している。この検出器はNANOSCと名付けられ、3Heガスカウンターと同等の検出効率を達成し、最大10⁶カウント/sまで対応可能であり、2010年以降、スイス・プロトン・インスティテュート（PSI）のnEDM実験で安定的に運用されてきた。パルス電荷測定によるバックグラウンドに左右されない計数が可能である。

ABSTRACT

This paper summarizes the results from measurements aiming to characterize ultracold neutron detection with 6Li-doped glass scintillators. Single GS10 or GS20 scintillators, with a thickness of 100-200 micrometer, fulfill the ultracold neutron detection requirements with an acceptable neutron-gamma discrimination. This discrimination is clearly improved with a stack of two scintillators: a 6Li-depleted glass bonded to a 6Li-enriched glass. The optical contact bonding is used between the scintillators in order to obtain a perfect optical contact. The scintillator's detection efficiency is similar to that of a 3He Strelkov gas detector. Coupled to a digital data acquisition system, counting rates up to a few 10^5 counts/s can be handled. A detector based on such a scintillator stack arrangement was built and has been used in the neutron electric dipole moment experiment at the Paul Scherrer Institute since 2010. Its response for the regular runs of the neutron electric dipole moment experiment is presented.

研究の動機と目的

• 3Heガスカウンターの供給制約と遅延応答時間の問題を解消するため、代替として高性能で高速な超低温中性子（UCN）検出器を開発すること。
• 最適化されたシンチレーター積層構成を用いて、6Liドーピングガラスシンチレーターによる中性子-ガンマ線識別性能を向上させること。
• 最小限のフェルミポテンシャルと端縁イベントおよびガンマ線相互作用に起因する低バックグラウンドを実現する高効率な検出効率を達成すること。
• 長期間にわたるnEDM実験に適した、最大10⁶カウント/sの高カウントレートに対応可能な検出器の設計をすること。
• パルス電荷測定による堅牢でバックグラウンドに左右されないUCN計数を実現し、nEDMデータ解析への影響を最小限に抑えること。

提案手法

• 信号応答を高速化するため、6Liドーピングガラスシンチレーター（GS10、GS20、GS30）を用い、シンチレーション減衰時間が約70 nsであることを活用する。
• ガンマ線相互作用確率とエネルギー損失を低減するため、厚さ100–200 μmのシンチレーターを加工する。
• 端縁イベントを抑制するため、6Liを不活性化したガラス（GS30）と6Liを強化したガラス（GS20）を光学的接触結合で接合する。
• 光電子増倍管（PMT）を用いて光を読み出し、高イベントレートに対応可能なデジタルデータ取得システム（FASTER）を採用する。
• UCNおよびガンマ線源を用いたキャリブレーションにより、パルス高さ応答を測定し、識別しきい値を最適化する。
• 時間経過に伴うパルス電荷安定性をモニタリングし、さまざまな条件下でも一貫した計数性能を維持することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適化された厚さおよび6Li濃度を有する6Liドーピングガラスシンチレーターは、高バックグラウンド環境下におけるUCN検出に十分な中性子-ガンマ線識別性能を達成できるか？
• RQ2 6Liを不活性化したガラスと6Liを強化したガラスを積層し、光学的接触結合を施すことで、端縁イベントを抑制しバックグラウンドを低減できるか？
• RQ3 6Liドーピングガラスシンチレーター検出器の最大カウントレート能力は何か？また、長期にわたるnEDM実験の要件を満たせるか？
• RQ4 パルス電荷測定の時間的安定性はどの程度か？また、UCN計数精度およびnEDMデータ解析に与える影響は何か？
• RQ5 実際の実験条件下で、6Liドーピングガラス検出器の検出効率は標準的な3Heガスカウンターと同等またはそれを上回るか？

主な発見

• 厚さ100–200 μmの単一の6Liドーピングガラスシンチレーター（GS10またはGS20）は、標準的な3Heガスカウンターと同等の検出効率を達成する。
• 6Liを不活性化したガラス（GS30）と6Liを強化したガラス（GS20）を光学的接触結合で積層した構成は、端縁イベントの抑制により中性子-ガンマ線識別性能を顕著に向上させる。
• NANOSCと名付けられた検出器システムは、最大10⁶カウント/sのカウントレートを安定して処理でき、FASTERデータ取得システムにより正確なイベントタイムスタンピングが可能である。
• パルス電荷測定は時間経過に伴って安定しており、チャネル間で最大2%の変動に留まり、カウントレートの変動は1日あたり0.025%未満に抑えられる。
• パルス電荷に基づくUCN計数手順は、長期間にわたる運用下でも堅牢であり、nEDMデータ解析に影響を与えない。
• 2014年以降、2台の同一仕様のNANOSC検出器がnEDM実験で同時にスピンアナライザーとともに運用され、長期的な信頼性と性能が確認された。