[논문 리뷰] Characterization of Gadolinium-loaded Plastic Scintillator for Use as a Neutron Veto

D. M. Poehlmann, D. Barker외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 29.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 슈퍼CDMS와 같은 다크 매터 실험을 위한 고체 상태 중성자 비트로(neutron veto)로 사용 가능한 gadolinium(Gd)을 함유한 플라스틱 산란체를 개발하고 특성화한다. Geant4 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 산란체의 기하학적 형상과 Gd 도핑 조건을 최적화함으로써, 균일하게 도핑된 산란체와 비교해 5% 이내의 중성자 비트로 효율을 달성한 레이어형으로 도핑되지 않은 산란체와 Gd를 함유한 수지 조합을 제안하며, 액체 산란체의 단점인 누출 문제를 피할 수 있는 실용적인 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Scintillator doped with a high neutron-capture cross-section material can be used to detect neutrons via their resulting gamma rays. Examples of such detectors using liquid scintillator have been successfully used in high-energy physics experiments. However, a liquid scintillator can leak and is not as amenable to modular or complex shapes as a solid scintillator. Polystyrene-based scintillators from a variety of gadolinium compounds with varying concentrations were polymerized in our laboratory. The light output, emission spectra, and attenuation length of our samples were measured and light collection strategies using a wavelength shifting (WLS) fiber were evaluated. The measured optical parameters were used to tune a Geant4-based optical Monte Carlo, enabling the trapping efficiency to be calculated. This technology was also evaluated as a possible neutron veto for the direct detection dark matter experiment, Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS).

연구 동기 및 목표

• 스퍼카드미스(SuperCDMS)와 같은 직접 다크 매터 탐지 실험을 위한 실용적이고 고체 상태의 중성자 비트로를 개발하기 위해.
• 다양한 Gd 농도를 가진 실험실에서 제작한 Gd 도핑 플라스틱 산란체의 광출력, 감쇠 길이, 방출 스펙트럼을 특성화하기 위해.
• 균일하게 도핑된 산란체의 대안으로서, 분할된 산란체-수지 레이어 구성을 평가하기 위해.
• 정확한 중성자 비트로 효율 예측을 위해 측정된 광학적 파rameter를 기반으로 Geant4 기반 광학 몬테카를로 시뮬레이션을 校정하기 위해.
• 높은 중성자 포획 효율과 최소한의 광손실을 확보하기 위한 최적의 Gd 화합물과 제조 기술을 규명하기 위해.

제안 방법

• 1 wt% PPO와 0.1 wt% POPOP을 함유한 폴리스티렌 기반 수지에 Gd(i-Pr)3와 Gd(TMHD)3를 Gd 원천으로 사용한 고분자화된 플라스틱 산란체.
• 실험실에서 제작한 샘플과 고농도 샘플의 광출력, 방출 스펙트럼, 유효 감쇠 길이(λ_eff)를 측정.
• 광학 수집을 위해 파장 이동 섬유(WLS)를 사용하고, 측정된 광학적 파rameter를 기반으로 Geant4 광학 몬테카를로 시뮬레이션을 조정.
• 균일하게 도핑된 실린더와 분할된 레이어형 산란체-수지 설계를 포함한 다양한 구성에 대해 중성자 비트로 효율을 시뮬레이션.
• 10–100 μs의 다양한 수집 시간과 50 keV의 에너지 임계값에서 성능을 평가하고, 1 wt% 균일 도핑 기준 샘플과 비교.
• 중성자 포획 효율과 광수집 성능을 균형 잡기 위해 수지 두께와 산란체 대 수지 비율을 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 Gd 질량 분율을 가진 균일 도핑 산란체와 비교해, 분할된 산란체-수지 구성이 중성자 비트로 효율을 유사하게 달성할 수 있는가?
• RQ2 Gd 도핑 농도와 화합물 선택은 플라스틱 산란체의 광출력과 감쇠 길이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 측정된 광학적 파ram터를 사용한 Geant4 기반 광학 몬테카를로 시뮬레이션은 광전자 수확량을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 실제 시간 및 에너지 임계값 조건 하에서 중성자 비트로 효율을 극대화하기 위해 최적의 산란체 대 수지 비율과 수지 두께는 무엇인가?
• RQ5 액체 산란체의 위험을 피하기 위해, 도핑되지 않은 산란체와 Gd를 함유한 수지를 레이어형으로 조합해 실용적이고 누출 방지 가능한 고체 상태 중성자 비트로를 제작할 수 있는가?

주요 결과

• 1 wt% Gd 도핑을 가진 35:1의 산란체 대 수지 비율이 100 μs 수집 창과 50 keV 임계값에서 균일 도핑 산란체와 비교해 5% 이내의 중성자 비트로 효율을 달성하였다.
• 10 wt% Gd 도핑 수지를 사용한 분할 구조는 산란체 부피 감소와 수지 내 감쇠로 인해 1 wt% 균일 도핑 산란체보다 성능이 열 劣하다.
• 실험실에서 제작한 샘플의 유효 감쇠 길이(λ_eff)가 Geant4 몬테카를로 시뮬레이션의 가장 중요한 캘리브레이션 파rameter로 기능하여 광전자 수확량을 정확하게 예측할 수 있었다.
• 일부 화합물에서는 저농도 Gd 도핑 시 광출력이 약간 증가했지만, Gd 농도가 높아질수록 감쇠 길이는 일관되게 감소하였다.
• Gd(i-Pr)3와 Gd(TMHD)3 화합물이 가장 유망한 것으로 나타났지만, 표준 문헌 레시피만으로는 실험실 제조 시 목표 Gd 농도에 도달하는 데에는 부족했다.
• 밀리미터 두께의 도핑되지 않은 산란체와 Gd 도핑 수지를 레이어형으로 조합하면 균일 도핑 산란체 수준의 성능을 달성할 수 있으며, 이는 실용적이고 모듈식이며 누출 방지 가능한 액체 산란체의 유망한 대안을 제공한다.