[논문 리뷰] A hybrid organic/inorgaic scintillator for high performance measurements

S. Wagner, M. Grassi외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 02.

Neutrino Physics Research참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 미세한 무기 결정체를 유기 scintillating 매트릭스에 분산시켜 만든 하이브리드 유기/무기 scintillator를 제안한다. 이는 빛 수율을 향상시키고, 톤 규모까지의 높은 원소 농도를 가능하게 하며, 펄스 형상 및 스펙트럼 분별을 통한 뛰어난 입자 식별 능력을 제공한다. 설계는 다중 산란을 이용해 상호작용 부위 근처에 빛을 고착시켜, 뉘트리노 실험을 위한 대용량 검출기에서 고해상도 검출을 가능하게 한다.

ABSTRACT

New experimental research programs in the field of neutrino physics are calling for new detectors with large masses, high energy resolution and good background rejection capabilities. This paper presents a novel hybrid organic/inorganic scintillator, which is able to improve on all three aspects simultaneously. This scintillator consists of microscopic grains of inorganic crystals suspended in an organic scintillating carrier medium. Due to multiple scattering off the crystals, this scintillator appears opaque over longer distances and is intended for use in specialized detectors. Thanks to the crystal phase it can natively incorporate a large variety of elements in large quantities, so that a sufficiently large detector can reach elemental loadings on the ton- or multiton scale. At the same time, this composition can produce very high light outputs and provides additional particle identification capabilities. This scintillator concept is expected to provide significant advantages for future neutrino experiments, like searches of neutrinoless double beta experiments and reactor antineutrino physics.

연구 동기 및 목표

• 차세대 뉘트리노 실험, 특히 무반감 이중베타 붕괴 및 반뉴트리노 탐지에 필요한 대용량 고해상도 검출기의 필요성을 해결한다.
• 순수 유기 scintillators의 한계(원소 농도 제한)와 무기 결정체의 한계(달성 가능한 질량가 낮고 비용이 높음)를 극복한다.
• 높은 빛 수율, 뛰어난 에너지 해상도, 그리고 펄스 형상 및 스펙트럼 분별을 통한 배경 제거 능력을 결합하여 고성능 측정을 가능하게 한다.
• 다수 톤의 농축된 동위원소를 포함할 수 있는 확장 가능하고 비용 효율적인 검출기 재료를 개발한다.

제안 방법

• ZnWO4, Lu2SiO5 등의 미세한 무기 scintillating 결정체를 유기 scintillating 액체 또는 젤 매트릭스에 분산시켜 이질적이고 광학적으로 불투명한 매체를 만든다.
• 결정체-액체 인터페이스에서의 다중 Mie 산란을 이용해 상호작용 부위 근처의 작은 영역 내에서 scintillation 광자를 고착시킨다.
• 검출기 부피에 임bed된 파장 이동 섬유를 사용하여 광자를 수집하고 외부 광검출기로 유도한다.
• 유기 매트릭스(빠름)와 무기 결정체(느림)의 고유한 시간 응답 차이를 이용해 펄스 형상 분별을 실현한다.
• 굴절률에 의존하는 파장 의존성 산란 특성(산란 단면적의 파장 의존성)을 활용하여 파장에 따라 다른 광자 확산 패턴을 만들어 스펙트럼 기반 입자 식별을 가능하게 한다.
• 섬세하게 분할된 검출기 또는 단일체 구조로 설계하여 섬유 배열을 통해 빛 수집 영역을 국소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 scintillator는 단일 결정체 수준의 높은 빛 수율과 에너지 해상도를 확보하면서도, 유기 액체 수준의 톤 규모 원소 농도를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 미세 결정립 분산계에서의 다중 산란이 얼마나 효과적으로 scintillation 빛을 고착시켜 빛 수집 효율성과 상호작용 부위 해상도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 유기 및 무기 상의 펄스 형상 차이가 전자, 감마선, 양전자, 알파선, 중성자 유도 사건 간 효과적인 분별을 가능하게 하는가?
• RQ4 광자의 산란 거동이 파장에 따라 달라지는 특성은 광자 군집의 공간 분포에 어떤 영향을 미치며, 이를 통해 스펙트럼 기반 입자 식별이 어떻게 실현되는가?
• RQ5 콜로이드 또는 젤 기반의 미세 결정립 scintillator 시스템에서 원소 농도와 재료 안정성의 실용적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 미세 결정립 scintillator 개념은 높은 농도의 무기 결정체가 동시에 scintillator이자 목표 물질로 기능하므로, 톤 또는 수톤 규모의 원소 농도를 가능하게 한다.
• 무기 결정체의 효율적인 scintillation과 다중 산란, 섬유 기반 추출을 통한 빛 수집 향상으로 높은 빛 수율을 달성한다.
• 높은 빛 수율과 국소화된 광자 고착 덕분에 상호작용 부위를 고정밀도로 해상할 수 있어 에너지 해상도가 크게 향상된다.
• 유기 상(빠름)과 무기 상(느림)의 고유한 시간 응답 차이를 이용해 펄스 형상 분별이 가능해져 다양한 입자 유형의 사건을 분리할 수 있다.
• 파장 의존성 Mie 산란 덕분에 더 긴 파장 광자는 더 멀리 확산되며, 이로 인해 다양한 방출 스펙트럼에 따라 고유한 공간 강도 패턴이 생성되어 스펙트럼 기반 입자 식별이 가능하다.
• 알파선, 감마선, 양전자, 반동 핵의 구조적 및 스펙트럼적 특징을 구분함으로써 배경 억제 잠재력이 입증된다.