[논문 리뷰] Development and Mass Production of a Mixture of LAB- and DIN-based Gadolinium-loaded Liquid Scintillator for the NEOS Short-baseline Neutrino Experiment

Ba Ro Kim, Bo-Young Han외 17명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 16.

Neutrino Physics Research참고 문헌 26인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 한국 남부의 한빛 원자력 발전소에서 수행되는 NEOS 단거리 기준 중성자 실험을 위해 90:10 LAB-DIN 기반의 gadolinium 도핑된 액체 신티스코프(이하 GdLS)의 개발 및 대량 생산을 제시한다. PPO(3 g/L)와 bis-MSB(30 mg/L)로 도핑된 GdLS는 ~0.5%의 Gd를 용매-용매 추출 기법을 통해 도핑함으로써 빛의 방출량을 향상시키고 펄스 형태 분류(PSD) 성능을 향상시켜 원자로 반중성자 연구에서 효과적인 중성자 탐지를 가능하게 한다.

ABSTRACT

A new experiment, which is called as NEOS (NEutrino Oscillation at Short baseline), is proposed on the site of Hanbit reactors at Yonggwang, South Korea, to investigate a reactor antineutrino anomaly. A homogeneous NEOS detector having a 1000-L target volume has been constructed and deployed at the tendon gallery ~25 m away from the reactor core. A linear alkylbenzene (LAB) is used as a main base solvent of the NEOS detector. Furthermore, a di-isopropylnaphthalene (DIN) is added to improve the light output and pulse shape discrimination (PSD) ability. The ratio of LAB to DIN is 90:10. PPO (3 g/L) and bis-MSB (30 mg/L) are dissolved to formulate the mixture of LAB- and DIN-based liquid scintillator (LS). Then, ~0.5% gadolinium (Gd) is loaded into the LS by using the solvent-solvent extraction technique. In this paper, we report the characteristics of Gd-loaded LS (GdLS) for the NEOS detector and the handling during mass production.

연구 동기 및 목표

• 한국 남부의 한빛 원자력 발전소에서 단거리 기준 중성자 진동을 측정하여 원자로 반중성자 비정상 현상(reactor antineutrino anomaly)을 해결한다.
• 향상된 빛의 방출량과 펄스 형태 분류(PSD) 성능을 갖춘 액체 신티스코프를 개발하여 중성자 탐지 능력을 향상시킨다.
• 일관된 광학적 및 신티스코프 성질을 갖춘 안정적이고 균일한 Gd 도핑 액체 신티스코프(GdLS)의 대량 생산을 가능하게 한다.
• 1000L의 NEOS 검출기를 1000L의 목표 부피로 제작하여 원자로 환경에 배치함으로써 고정밀 반중성자 측정을 수행한다.

제안 방법

• 빛의 방출량과 PSD 성능을 향상시키기 위해 선형알킬벤젠(LAB)과 이소프로필나프탈렌(DIN)의 90:10 혼합물이 기초 용매로 사용된다.
• LAB-DIN 혼합물에 PPO(3 g/L)와 bis-MSB(30 mg/L)를 용해시켜 신티스코프 빛의 방출량과 에너지 해상도를 최적화한다.
• 중성자 포획 탐지를 가능하게 하기 위해 용매-용매 추출 기법을 사용하여 Gd를 약 0.5% 농도로 GdLS에 도핑한다.
• 검출기 배치를 위해 엄격한 품질 관리를 통해 대량 생산된 GdLS는 균일성, 투명성, 장기적 안정성을 확보한다.
• NEOS 검출기는 1000L의 목표 부피를 가지며, 반중성자 조사 측정을 위해 반중성자 반응로 중심으로부터 약 25m 거리에 설치된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.5% Gd 도핑을 가진 LAB-DIN 기반의 액체 신티스코프는 원자로 중성자 실험에서 효과적인 중성자 탐지를 위해 충분한 빛의 방출량과 펄스 형태 분류 성능을 확보할 수 있는가?
• RQ2 일관된 광학적 및 신티스코프 성질을 갖춘 대량 생산이 가능하고 재현성이 보장되는 Gd 도핑 액체 신티스코프의 제조 공정을 어떻게 확립할 수 있는가?
• RQ3 LAB-DIN GdLS를 사용한 NEOS 검출기가 단거리 기준 중성자 진동 측정에서 어떤 성능을 보이는가?
• RQ4 LAB에 DIN을 첨가함으로써 신티스코프의 빛의 방출량과 PSD 능력은 순수한 LAB 기반 신티스코프에 비해 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• LAB-DIN(90:10) 혼합물은 순수한 LAB 기반 신티스코프에 비해 빛의 방출량과 펄스 형태 분류 성능을 크게 향상시킨다.
• 용매-용매 추출 기법을 통해 도핑된 0.5% Gd는 Gd 포획에서 높은 감마선 방출량을 제공함으로써 효과적인 중성자 포획 탐지를 가능하게 한다.
• 대량 생산 공정을 통해 균일성, 투명성, 장기적 안정성을 확보한 일관된 광학적 및 신티스코프 성질을 갖춘 GdLS를 성공적으로 확보하였다.
• 최적화된 GdLS를 사용한 NEOS 검출기는 단거리 기준 반중성자 측정에서 높은 탐지 효율과 에너지 해상도를 달성하였다.