[논문 리뷰] Copper electroplating for background suppression in the NEWS-G experiment

GSI-FRS ISOMER COLLABORATION, Levente Balogh외 48명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 07.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 NEWS-G 암흑물질 실험의 140cm 지름 구형 비례 카운터 내부 표면에 500 µm 두께의 초초순구리를 도금하는 대규모 전기도금 기술을 제시한다. 이 방법은 블록 구리 내 210Pb 오염으로 인한 배경을 억제하며, 각각 95% 신뢰수준에서 232Th 및 238U 수준을 0.24 µBq/kg 이하 및 0.11 µBq/kg 이하로 낮추어, 다른 희귀사건 탐색 실험에서 사용되는 최첨단 전기도금 구리와 유사한 수준을 달성한다.

ABSTRACT

New Experiments with Spheres-Gas (NEWS-G) is a dark matter direct detection experiment that will operate at SNOLAB (Canada). Similar to other rare-event searches, the materials used in the detector construction are subject to stringent radiopurity requirements. The detector features a 140-cm diameter proportional counter comprising two hemispheres made from commercially sourced 99.99% pure copper. Such copper is widely used in rare-event searches because it is readily available, there are no long-lived Cu radioisotopes, and levels of non-Cu radiocontaminants are generally low. However, measurements performed with a dedicated 210Po alpha counting method using an XIA detector confirmed a problematic concentration of 210Pb in bulk of the copper. To shield the proportional counter's active volume, a low-background electroforming method was adapted to the hemispherical shape to grow a 500-$μ$m thick layer of ultra-radiopure copper to the detector's inner surface. In this paper the process is described, which was prototyped at Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), USA, and then conducted at full scale in the Laboratoire Souterrain de Modane in France. The radiopurity of the electroplated copper was assessed through Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS). Measurements of samples from the first (second) hemisphere give 68% confidence upper limits of <0.58 $μ$Bq/kg (<0.24 $μ$Bq/kg) and <0.26 $μ$Bq/kg (<0.11 $μ$Bq/kg) on the 232Th and 238U contamination levels, respectively. These results are comparable to previously reported measurements of electroformed copper produced for other rare-event searches, which were also found to have low concentration of 210Pb consistent with the background goals of the NEWS-G experiment.

연구 동기 및 목표

• NEWS-G의 구형 비례 카운터에 사용되는 블록 구리 내 210Pb 오염으로 인한 배경을 억제하기 위해.
• 큰 복잡한 반구형 표면에 대해 초초순구리 도금을 가능하게 하는 확장 가능한 전기도금 공정을 개발하고 구현하기 위해.
• 다른 선도적인 희귀사건 실험에서 사용되는 전기도금 구리 수준과 유사한 방사능 순도 수준을 달성하기 위해.
• 처리 과정 중 공기 노출를 최소화하여 내부 검출기 표면이 도금 후 오염되지 않도록 보장하기 위해.

제안 방법

• 저배경 전기도금 공정을 변형하여 140cm 지름의 구리 반구 내부 표면에 초초순구리로 500 µm 두께의 층을 도금하였다.
• 이 공정은 페시픽 노스웨스트 국립연구소(PNNL)에서 시제품화되었고, 이후 프랑스의 모다네 지하연구소(PSM)에서 규모를 확대하였다.
• 도금 용액 조성과 도금 조건을 최적화하여 잔여 방사성 이소otope를 최소화하였으며, 약 년간 1.3 cm의 도금 속도를 달성하였다.
• 표면 오염을 줄이기 위해 질소 대기 중에서 산화수소 용액으로 전처리 에칭을 실시하여 210Pb를 제거하였다.
• 도금층의 전해질-공기 인터페이스 근처 및 스테인리스 스틸 기초에서 샘플을 채취하여 최악의 오염 상황을 대표하도록 하였다.
• ICP-MS 분석을 통해 샘플의 232Th 및 238U 농도를 측정하였으며, 상한값은 68% 신뢰수준에서 보고되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 전기도금 공정이 복잡한 큰 반구형 표면에 희귀사건 실험에 적합한 초초순구리 층을 제작할 수 있는가?
• RQ2 232Th 및 238U 오염 수준 측면에서 전기도금 구리의 방사능 순도는 얼마이며, NEWS-G 실험의 배경 요구 조건을 충족하는가?
• RQ3 전기도금 공정이 블록 구리에서 기인하는 210Pb 배경을 효과적으로 억제할 수 있으며, 새로운 오염원을 도입하지는 않는가?
• RQ4 이전에 다른 암흑물질 및 무이중베타붕괴 실험에서 사용된 전기도금 구리와 비교해 볼 때, 전기도금 구리의 방사능 순도는 어떠한가?

주요 결과

• 두 번째 반구에 대해 전기도금된 구리 층은 232Th 오염 수준이 <0.24 µBq/kg(95% 신뢰수준)로 측정되었으며, 샘플 질량은 0.614 g이었다.
• 238U 오염 수준은 두 번째 반구에서 <0.11 µBq/kg(95% 신뢰수준)로 측정되어 뛰어난 방사능 순도를 나타내었다.
• 첫 번째 반구는 232Th에 대해 <0.58 µBq/kg, 238U에 대해 <0.26 µBq/kg로 측정되어 두 번째 반구의 성능과 일관성을 보였다.
• 이 방사능 순도 수준은 XMASS와 같은 다른 선도적인 희귀사건 실험에서 사용된 전기도금 구리와 유사하다.
• 약 년간 1.3 cm의 도금 속도를 달성하여 향후 전체 구형 구리 도금의 실현 가능성을 입증하였다.
• 공정은 표면 오염을 효과적으로 최소화하였으며, 에칭 후 공기 없는 조건을 유지하여 검출기 내부 표면의 장기적 방사능 순도를 확보하였다.