[논문 리뷰] Measurement of Neutron Background at the Pyhasalmi mine for CUPP Project, Finland

J. N. Abdurashitov, В. Н. Гаврин외 5명|ArXiv.org|2006. 07. 20.

Nuclear Physics and Applications참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 핀란드의 피하살미 광산에서 400–1410m의 다양한 깊이에서 저에너지 중성자 배경을 측정하였으며, 액체 스크린티레이터와 3He 비례 카운터를 사용한 맞춤형 중성자 스펙트럼계를 활용하였다. 주요 결과는 열에서 25 MeV에 이르는 에너지 범위에서 중성자 유속을 상세히 측정한 것으로, 우라늄/Thorium 붕괴 계열과 뮤온 유도 스파라션으로 인해 깊이가 깊어질수록 중성자 유속이 크게 증가하는 것으로 나타났으며, 1410m에서 0–1.5 MeV 범위에서 최대 42.2 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹의 유속을 기록하였다.

ABSTRACT

A natural neutron flux is one of significant kind of background in high-sensitive underground experiments. Therefore, when scheduling a delicate underground measurements one needs to measure neutron background. Deep underground the most significant source of neutrons are the U-Th natural radioactive chains giving a fission spectrum with the temperature of 2-3 MeV. Another source is the U-Th alpha-reactions on light nuclei of mine rock giving neutrons with different spectra in the 1-15 MeV energy region. Normal basalt mine rocks contain 1 ppm g/g of U-238 and less. Deep underground those rocks produce natural neutron fluxes of 10^{-7} - 10^{-6} cm^{-2}s^{-1} above 1 MeV. To measure such a background one needs a special techniques. In the Institute for Nuclear Research, Moscow, the neutron spectrometer was developed and built which is sensitive to such a low neutron fluxes. At the end of 2001 the collection of neutron data at the Pyhasalmi mine was started for the CUPP project. During 2002 the background and rough energy spectra of neutron at underground levels 410, 660, 990 and 1410 m were measured. The result of the measurement of the neutron background at different levels of the Pyhasalmi mine is presented and discussed. Data analysis is performed in different energy ranges from thermal neutrons up to 25 MeV and above.

연구 동기 및 목표

• 감도 있는 물리 실험을 지원하기 위해 깊은 지하 환경에서 중성자 배경 유속을 측정하기 위해.
• 자연계의 우라늄/Thorium 방사성 붕괴 계열과 뮤온 유도 스파라션의 기여를 중성자 배경에 평가하기 위해.
• 실제 지하 환경에서 저배경 중성자 스펙트럼계의 성능을 검증하기 위해.
• 미래의 지하 실험, 예를 들어 중성자 및 암흑물질 탐색을 위한 배경 모델링에 실용적 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 액체 유기 스크린티레이터를 3개의 광전자 배율관과 결합한 중성자 스펙트럼계를 개발하였다.
• 빠른 중성자는 스크린티레이터 내에서 수소 핵의 탄성 산란에 의해 발생하는 프로톤 반사 빛 플래시를 통해 감지되었으며, 이후 3He(n,p)t 반응에 의해 지연된 전하 펄스 신호를 얻었다.
• 스크린티레이터의 빛 펄스 신호와 3He 카운터의 신호 간의 공진기 기법을 통해 감마선 배경을 효과적으로 억제하였다.
• 데이터 수집은 두 개의 독립된 채널을 사용하였으며, 하나는 PMT 신호를, 다른 하나는 NC 신호를 위한 것이었고, 신호 대 잡음 비율을 최적화하기 위해 프리앰프를 적용하였다.
• 중성자 에너지는 스크린티레이터의 펄스 높이에서 재구성되었으며, 검출기 효율성과 사각 시간 보정이 적용되었다.
• 유속은 총 카운트에서 상관 배경 사건을 빼낸 후 계산되었으며, 통계적 및 체계적 불확도가 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피하살미 광산의 다양한 깊이에서 에너지에 따라 달라지는 중성자 유속은 어떻게 되는가?
• RQ2 우라늄/Thorium 붕괴 계열과 뮤온 유도 스파라션은 다양한 깊이에서 중성자 배경에 어떤 기여를 하는가?
• RQ3 이 스펙트럼계는 깊은 지하 조건에서 낮은 유속의 중성자를 얼마나 잘 감지하고 구별할 수 있는가?
• RQ4 중성자 유속은 깊이에 따라 어떻게 변화하며, 특정 수준에서의 비정상 현상은 무엇이 원인인가?
• RQ5 고에너지 중성자(>25 MeV)의 기여는 어느 정도이며, 그들은 어떻게 생성되는가?

주요 결과

• 1410m 깊이에서 0–1.5 MeV 에너지 범위의 중성자 유속은 42.2 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹에 도달하였으며, 이는 석영 벽 코팅에 높은 농도의 우라늄/Thorium 오염으로 인한 것으로 보인다.
• 1410m에서 1.5–3 MeV 범위의 유속은 10.5 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹였으며, 방사성 생성에 기인한 깊이 의존성과 일관된 결과를 보였다.
• 400m 깊이에서 25 MeV 이상의 중성자 수요가 뚜렷하게 증가한 것으로 관측되었으며, 이는 lead shielding 내에서 뮤온 유도 히드로닉 쇼어의 영향로 여겨진다.
• 6–12 MeV 범위에서는 모든 깊이에서 0.7 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹ 이하의 유속을 기록하였으며, 최고치인 3.3 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹는 1410m에서 관측되었다.
• 3–6 MeV 범위에서는 1.9–3.0 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹의 유속을 기록하였으며, 깊이가 깊어질수록 증가하는 경향을 보였으며, 이는 방사성 생성 중성자와 일치하였다.
• 1.5 MeV 이하 에너지에서는 3He 카운터 카운트에서 빠른 중성자 기여를 뺀 후 추정한 유속으로, 660m에서 20.8 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹의 유속을 기록하였으며, 불확도는 1.6 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹였다.