[논문 리뷰] Improvement of radon detector performance by using a large-sized PIN-photodiode

K. Okamoto, Y. Nakano외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 13.

Radiation Detection and Scintillator Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저농도 라돈 농도(<1.0 g/m³)에서 감도를 향상시키기 위해 소형(18×18 mm) PIN-photodiode를 대형(28×28 mm)으로 교체함으로써 라돈 검출기의 감도를 향상시킨다. 이로 인해 감도 효율이 3.8±2.4% 향상되었고, 높은 농도에서는 최대 10–20% 향상되었으며, 내재 배경이 증가하지 않았다. 이 개선은 습한 기체 및 재료 선별에서 더 정밀한 라돈 측정을 가능하게 하며, 희귀 사건 실험에 매우 중요하다.

ABSTRACT

Radioactive noble gas radon ($\mathrm{^{222}Rn}$) is one of the major background sources below the MeV region in rare event search experiments. To precisely measure radon concentration in purified gases, a radon detector with an electrostatic collection method is widely used. In this paper, we discussed the improvements of a radon detector by installing a new PIN-photodiode ($28 imes28$ $\mathrm{mm}$) whose surface area is $2.5$ times larger than that used previously ($18 imes18$ $\mathrm{mm}$). We evaluated the detector's performance by serially connecting two radon detectors equipped with two types of PIN-photodiodes. As a result of the calibrations, we found an improvement of $(3.8\pm2.4)\%$ in the detection efficiencies below $1.0$ $\mathrm{g/m^{3}}$, while a $10$-$20\%$ improvement occurred above this level. The intrinsic background of the detector equipped with the large PIN-photodiode was measured as $0.24^{+0.09}_{-0.05}$ $\mathrm{mBq/m^{3}}$. This background level is consistent with the radon detector with the small PIN-photodiode, although we installed the large one. This improvement is useful for applications in radon emanation measurements from a material, which also emits water from its surface.

연구 동기 및 목표

• 희귀 사건 실험에서 사용되는 라돈 검출기의 감도를 향상시키고, 정제된 기체 내에서 저농도의 라돈을 측정하는 데 목적이 있다.
• 수증기가 라돈 자식 이온을 중화시켜 감도 효율이 떨어지는 습한 환경에서의 감도 저하 문제를 해결하고자 한다.
• PIN-photodiode 표면적을 증가시킬 경우 감도 효율과 내재 배경에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
• 검출기 제작에 사용되는 재료의 라돈 방출률 측정을 더 정확히 수행하고자 한다.
• 대규모 실험에서 배경 감소를 위해 필수적인 정제된 물과 기체 내 라돈의 실시간 모니터링을 지원하고자 한다.

제안 방법

• 전기적 수집 시스템을 갖춘 라돈 검출기에서 표준 18×18 mm PIN-photodiode를 더 큰 28×28 mm 광다이오드로 교체하였다.
• 성능 비교를 위해 두 대의 동일한 라돈 검출기를 직렬로 연결한 캘리브레이션 장치를 구축하였으며, 각각 다른 광다이오드 유형을 장착하였다.
• 다양한 전압 조건에서의 캘리브레이션 인자에 대한 고전압 의존성을 측정하여 전하 수집 효율을 평가하였다.
• 절대 습도에 따른 캘리브레이션 인자의 의존성을 평가하여 습한 기체 조건에서의 성능을 시험하였다.
• 방출 기간 동안 붕괴를 고려하기 위해 ²²²Rn의 3.82일 반감기를 기반으로 감도 보정 계수 ε = 0.1659를 계산하였다.
• 큰 다이오드 검출기의 내재 배경을 0.24⁺⁰·⁰⁹₋₀·⁰⁵ mBq/m³로 측정하여 배경 안정성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 18×18 mm에서 28×28 mm로 PIN-photodiode 표면적을 증가시킬 경우, 저농도 및 습한 기체 환경에서 라돈 검출기의 감도 효율이 향상되는가?
• RQ2 더 큰 광다이오드가 검출기의 내재 배경 수준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 적용된 고전압과 절대 습도에 따라 검출기의 캘리브레이션 인자는 어떻게 변하는가?
• RQ4 더 큰 광다이오드가 재료에서의 라돈 방출률 측정 감도에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 업그레이드된 검출기는 실시간 라돈 모니터링 응용에서 배경을 낮게 유지하면서도 더 높은 효율을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 1.0 g/m³ 이하의 라돈 농도에서 광다이오드 크기를 증가시킴으로써 감도 효율이 (3.8±2.4)% 향상되었다.
• 높은 농도(>1.0 g/m³)에서는 감도 효율 향상률이 10–20%에 이르렀다.
• 큰 PIN-광다이오드를 장착한 검출기의 내재 배경은 0.24⁺⁰·⁰⁹₋₀·⁰⁵ mBq/m³로 측정되었으며, 이는 이전의 소형 다이오드 설계와 일치하였다.
• 고전압이 -0.3 kV 이상일 경우 캘리브레이션 인자에서 15–30% 향상되었으며, 이는 전하 수집 효율 향상을 시사한다.
• 습한 기체 조건에서도 성능 향상이 확인되어, 정제된 물 내 라돈 모니터링과 같은 응용 분야에 매우 중요하다.
• 연구는 광다이오드 크기를 증가시키는 것이 배경을 증가시키지 않으면서도 검출기 감도를 효과적으로 향상시키는 저비용 방법임을 확인한다.