[논문 리뷰] Gamma Ray Spectrum from Thermal Neutron Capture on Gadolinium-157

K. Hagiwara, T. Yano외 21명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 10.

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한 줄 요약

이 연구는 고에너지 피크(최대 8 MeV)를 측정한 결과와 이론적 핵 준위 밀도 및 광자 강도 함수 입력을 결합하여, 농축된 157Gd에서 열중성자 포획에 의한 감마선 스펙트럼에 대한 정밀한 모델을 제시한다. 이 모델은 Geant4 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 60Co, 137Cs, 152Eu 및 35Cl(n,γ) 기준원을 사용해 校정되었으며, 14개의 HPGe 검출기에서 10% 이내의 일치를 달성하여 슈퍼카미오칸데와 같은 중성자 검출기에서 정확한 중성자 태깅을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We have measured the $γ$-ray energy spectrum from the thermal neutron capture, ${}^{157}$Gd$(n,γ){}^{158}$Gd, on an enriched $^{157}$Gd target (Gd$_{2}$O$_{3}$) in the energy range from 0.11 MeV up to about 8 MeV. The target was placed inside the germanium spectrometer of the ANNRI detector at J-PARC and exposed to a neutron beam from the Japan Spallation Neutron Source (JSNS). Radioactive sources ($^{60}$Co, $^{137}$Cs, and $^{152}$Eu) and the reaction $^{35}$Cl($n$,$γ$) were used to determine the spectrometer's detection efficiency for $γ$ rays at energies from 0.3 to 8.5 MeV. Using a Geant4-based Monte Carlo simulation of the detector and based on our data, we have developed a model to describe the $γ$-ray spectrum from the thermal ${}^{157}$Gd($n$,$γ$) reaction. While we include the strength information of 15 prominent peaks above 5 MeV and associated peaks below 1.6 MeV from our data directly into the model, we rely on the theoretical inputs of nuclear level density and the photon strength function of ${}^{158}$Gd to describe the continuum $γ$-ray spectrum from the ${}^{157}$Gd($n$,$γ$) reaction. Our model combines these two components. The results of the comparison between the observed $γ$-ray spectra from the reaction and the model are reported in detail.

연구 동기 및 목표

• 0.11–8 MeV 범위에서 열중성자 포획에 의한 157Gd의 전체 감마선 에너지 스펙트럼을 측정하기.
• 실험 데이터와 이론적 핵 구조 입력을 융합한 감마선 스펙트럼에 대한 정밀한 모델 개발하기.
• 넓은 에너지 범위와 입체각에서 고순도 Germanium 분광계(ANNRI)의 검출 효율을 校정하고 검증하기.
• 슈퍼카미오칸데와 같은 대규모 중성자 검출기에서의 정확한 몬테카를로 시뮬레이션을 가능하게 하기.
• 감마선 캐스케이드 에너지 침착 모델링 향상으로 비비대칭 반중성자 모니터링을 지원하기.

제안 방법

• J-PARC의 ANNRI 검출기에서 농축된 157Gd2O3 표적을 사용해 157Gd(n,γ) 감마선 스펙트럼을 측정하였다.
• HPGe 분광계의 효율을 0.3–8.5 MeV 범위에서 60Co, 137Cs, 152Eu 등의 방사성 원천과 35Cl(n,γ) 반응을 이용해 校정하였다.
• 검출기 응답을 모델링하고 효율 보정을 최적화하기 위해 Geant4 기반 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하였다.
• 사망 시간 및 각도 상관 보정을 포함한 χ² 최소화 방법을 사용해 단일 및 동시 검출 효율을 피팅하였다.
• 5 MeV 이상의 15개의 주요 감마선 피크와 관련된 저에너지 피크는 직접 데이터에서 취득하였고, 연속 스펙트럼은 158Gd의 이론적 광자 강도 함수 및 준위 밀도를 사용해 모델링하였다.
• 모델은 시뮬레이션 스펙트럼(M2H2, M3H3)과 측정 데이터를 비교하여 검증되었으며, 모든 크리스탈 쌍에서 10% 이내의 편차를 기록하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.11 MeV에서 8 MeV 사이의 열중성자 포획에 의한 157Gd에서의 전체 감마선 에너지 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ2 Geant4 시뮬레이션을 통해 넓은 에너지 범위와 입체각에서 검출기의 피크 효율을 얼마나 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ3 측정된 157Gd(n,γ) 스펙트럼이 실험적 피크와 이론적 연속 스펙트럼을 융합한 하이브리드 모델과 얼마나 일치하는가?
• RQ4 모델이 데이터에서 관측된 다중성에 의존하는 스펙트럼(M2H2, M3H3)을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 이 모델은 슈퍼카미오칸데와 같은 체렌코프 중성자 검출기에서 신뢰할 수 있는 중성자 태깅을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 14개의 HPGe 크리스탈과 11개의 에너지 지점에서 전체적으로 데이터 대 시뮬레이션 효율의 가중 평균 비율이 1에 대해 10% 이내이다.
• 측정된 단일 피크 효율과 시뮬레이션된 값 사이의 최대 편차는 약 20%이며, 가중 표본 표준편차는 6%이다.
• 7414 keV에서의 35Cl(n,γ) 반응은 정규화 기준으로 사용되었으며, 시뮬레이션과 완벽한 일치(비율 = 1)를 보였다.
• 모델은 M2H2 및 M3H3 감마선 스펙트럼을 성공적으로 재현하였으며, 캐스케이드 방출 물리학과 일치하는 연약한 경향을 보였다.
• 최적의 사망 시간 보정 계수는 C = 0.225로 결정되었으며, 이는 피팅된 값과 명시된 라이브 타임 값 간의 일관성을 확보하였다.
• 최종적으로 14개의 크리스탈을 통합한 단일 피크 효율은 1.3 MeV에서 (1.3 ± 0.1)%이며, 검출기 입체각 전반에 걸쳐 높은 균일성을 보였다.