[논문 리뷰] Measurements of Radon Concentrations Using CR-39 Detectors in China JinPing Underground Laboratory (2015-2016)

Cuihong Liu, Hao Ma외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 18.

Radioactivity and Radon Measurements참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2015년 5월부터 2016년 3월까지 중국 진핑 지하 실험실(CJPL)에서 CR-39 고체 상태 핵트랙 검출기를 사용하여 방사능 농도를 측정하였다. 이는 수동적이고 시간 통합형 검출 방법이다. 결과적으로, 효과적인 환기 덕분에 주 실험홀의 연평균 방사능 농도는 (58±10) Bq·m⁻³을 기록하였고, 환기가 되지 않은 저장터널의 농도는 (345±15) Bq·m⁻³에 이르렀으며, 이는 자연 방사능 배경 수준을 나타낸다. 이 값들은 다른 국제적 지하 실험실들과 비교해 중간 수준이며, 저배경 실험에 적합하다.

ABSTRACT

Radon background is one of the most critical influences on the ultra-low background and rare-event physical experiments in underground laboratories. To conduct a comprehensive investigation of the radon concentrations in China JinPing underground Laboratory (CJPL), long-term cumulative measurements were carried out using time-integrated passive radon dosimeters containing CR-39 solid-state nuclear track detectors at four sites of CJPL-I. The measurements lasted from May 30,2015 to March 16,2016, a total of 290 days, and the total effective measurement time is 6,953 hours. In the main experiment hall equipped with the ventilation system, the average annual radon concentrations were (55+/-7) Bq m^-3, (58+/-10) Bq^m-3and (53+/-9) Bq m^-3 in three locations respectively. In the storage tunnel without any radon reduction facility, the average annual radon concentrations increased to (345+/-15) Bq m^-3, reflecting the original average annual radon concentration levels in the underground laboratory. Compared with the measured results in the period from 2010 to 2011, the average radon concentration in the main experimental hall was reduced from (86+/-25) Bq m^-3 to (58+/-10) Bq m^-3 due to the well-running ventilation system. Compared with other international underground laboratories, radon concentrations in CJPL-I were at an intermediate level and can meet the demand for low background and rare-event physical experiments.

연구 동기 및 목표

• 초저배경 및 희귀사건 물리 실험을 지원하기 위해 중국 진핑 지하 실험실(CJPL)에서 장기적인 방사능 배경 수준을 평가하기 위해.
• 주 실험홀에서 방사능 농도를 감소시키는 환기 시스템의 효과를 평가하기 위해.
• 환기가 되지 않은 지역, 예를 들어 저장터널과 같은 곳에서 기준 방사능 농도를 설정하여 지하 환경에서의 자연 방사능 배출 수준을 이해하기 위해.
• 다른 국제적 지하 실험실과 비교하여 CJPL의 방사능 수준이 감도 있는 실험에 적합한지 평가하기 위해.

제안 방법

• CJPL-I 내에서 네 개의 별도된 위치에 배치된 CR-39 고체 상태 핵트랙 검출기를 사용한 수동적이고 시간 통합형 방사능 검출.
• 검출기는 290일 동안 노출되었으며(2015년 5월 30일 ~ 2016년 3월 16일), 총 6,953시간의 유효 시간 동안 데이터를 누적하였다.
• 알파 입자 트랙 수를 기반으로 방사능 농도를 결정하기 위해 트랙 수세기 및 분석을 수행하였다.
• 다른 환경 제어 조건에서의 방사능 농도를 비교하기 위해 환기된 영역와 환기가 되지 않은 영역에서 측정을 실시하였다.
• 오차 전파를 적용한 통계 분석을 통해 불확도를 포함한 농도를 보고하였다(예: 58±10 Bq·m⁻³).
• 이전 측정치(2010–2011) 및 국제 기준과 비교하여 추세와 성능 평가를 위해 벤치마킹을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CJPL-I의 주 실험홀에서 장기 평균 방사능 농도는 얼마이며, 환기 여부에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 환기가 되지 않은 지하 영역, 예를 들어 저장터널과 같은 곳에서 자연 방사능 배경 수준은 무엇인가?
• RQ3 CJPL-I의 환기 시스템은 환기 이전 수준과 비교해 방사능 농도를 어느 정도 감소시켰는가?
• RQ4 다른 국제적 지하 실험실과 비교했을 때 CJPL-I의 방사능 농도는 배경 수준 측면에서 어떻게 평가되는가?
• RQ5 CJPL-I의 현재 방사능 수준은 향후 초저배경 및 희귀사건 물리 실험을 수행하는 데 적합한가?

주요 결과

• 환기 시스템을 갖춘 주 실험홀의 연평균 방사능 농도는 (58±10) Bq·m⁻³로 측정되었다.
• 환기가 되지 않은 저장터널에서는 연평균 방사능 농도가 (345±15) Bq·m⁻³에 이르렀으며, 이는 지하 환경에서의 기준 자연 배경 수준을 나타낸다.
• 환기 시스템은 주 홀의 방사능 농도를 2010–2011년 기간의 (86±25) Bq·m⁻³에서 (58±10) Bq·m⁻³로 감소시켜 뚜렷한 감소 효과를 입증하였다.
• CJPL-I에서 측정된 방사능 농도는 다른 국제적 지하 실험실들과 비교해 중간 수준이며, 저배경 실험에 적합하다.
• 결과적으로 현재 CJPL-I의 방사능 배경 수준이 희귀사건 물리 실험, 예를 들어 암흑 물질 및 중성미자 탐지 실험에 대해 허용 가능한 수준임을 확인하였다.