[논문 리뷰] Radio-assay of Titanium samples for the LUX Experiment

D. S. Akerib, X. Bai외 64명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 06.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 3인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 LUX 암흑물질 실험의 냉각기용으로 사용될 티타늄 샘플에 대한 저배경 방사능 측정을 제시하며, CP-1 등급 티타늄(ASTM B-265 Grade 1)이 매우 낮은 장기 방사성 동위원소 농도를 보임을 입증한다—238U는 0.25 mBq/kg 미만, 232Th는 0.2 mBq/kg 미만, 40K는 1.2 mBq/kg 미만으로, 희귀 사건 탐색에 매우 적합하다. 일부 샘플에서 면역선 유도 분열에 의해 유도된 우주선 유래 46Sc 활성화가 관측되었지만, 시간이 지남에 따라 활성도가 크게 감소하여, 저고도에서 보관될 경우 티타늄이 저배경 응용에 적합함을 확인한다.

ABSTRACT

We report on the screening of samples of titanium metal for their radio-purity. The screening process described in this work led to the selection of materials used in the construction of the cryostats for the Large Underground Xenon (LUX) dark matter experiment. Our measurements establish titanium as a highly desirable material for low background experiments searching for rare events. The sample with the lowest total long-lived activity was measured to contain <0.25 mBq/kg of U-238, <0.2 mBq/kg of Th-232, and <1.2 mBq/kg of K-40. Measurements of several samples also indicated the presence of short-lived (84 day half life) Sc-46, likely produced cosmogenically via muon initiated (n,p) reactions.

연구 동기 및 목표

• 대형 지하 Xenon(LUX) 암흑물질 실험의 냉각기 제작에 사용할 저방사능 티타늄 재료를 식별하고 선별하기 위해.
• 238U, 232Th, 40K와 같은 장기 방사성 동위원소로부터 발생하는 배경를 최소화하기 위해 다양한 티타늄 등급(CP-1 및 CP-2)의 방사능 순도를 평가하기 위해.
• 운반 및 보관 중에 면역선 유도 (n,p) 반응으로 발생하는 우주선 활성화, 특히 46Sc의 영향을 평가하기 위해.
• 티타늄, 특히 CP-1 등급이 저배경 실험에서 스테인리스강이나 구리와 같은 전통적 재료의 우수한 대체재가 될 수 있음을 입증하기 위해.
• LUX에 사용될 재료 선정을 지원하기 위해 다수의 저배경 시설에서 확보한 티타늄 샘플의 정량적 방사능 측정 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 로렌스 버클리 국립연구소의 저배경 시설, 오로빌 카운팅 시설, 소단 지하연구소의 SOLO 시설에서 고순도 Germanium(HPGe) 감마선 분광법을 사용해 티타늄 샘플의 방사능 측정을 수행하였다.
• 238U, 232Th, 40K 및 46Sc 동위원소의 감마선 방출을 측정하여 mBq/kg 단위의 특정 활성도를 산정하였다.
• 비검출 결과에는 90% 신뢰수준(CL) 상한선을, 양성 검출 결과에는 ±1σ 불확도를 사용하였다.
• 짧은 반감기(84일)를 가진 46Sc의 붕괴를 추적하기 위해 샘플(Ti6 및 Ti3)을 2~3년간 장기간 모니터링하였다.
• 다양한 티타늄 등급(CP-1 및 CP-2)과 형태(판, 시트, 와이어) 간의 방사능 수준을 비교하여 최저 활성도를 가진 재료를 식별하였다.
• 중성자 에너지 단면적 데이터(5–20 MeV 중성자에서 약 0.25 barn)를 활용해 면역선 분열에 의한 46Ti의 (n,p) 반응을 통해 46Sc 생성 메커니즘을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각기 제작에 사용되는 티타늄의 다양한 등급과 형태에서 장기 방사능(238U, 232Th, 40K) 수준은 어떠한가?
• RQ2 운반 및 보관 중 면역선 유도 분열에 의해 발생하는 46Sc 활성화 수준은 어느 정도이며, 어떤가?
• RQ3 46Sc 활성도는 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하며, 보관 조건을 통해 이를 완화할 수 있는가?
• RQ4 CP-1 등급 티타늄(ASTM B-265 Grade 1)은 LUX와 같은 저배경 실험에 사용할 수 있을 정도로 충분히 방사능 순도가 높은가?
• RQ5 티타늄의 방사능 측정 결과는 스테인리스강이나 구리와 같은 전통적 재료와 비교해 배경 감소 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• CP-1 등급 티타늄(ASTM B-265 Grade 1) 샘플은 가장 낮은 장기 방사능을 보였으며, 238U는 0.25 mBq/kg 이하, 232Th는 0.2 mBq/kg 이하, 40K는 1.2 mBq/kg 이하로, LUX의 1 mBq/kg 허용 기준을 크게 밑도는 수준이었다.
• CP-2 등급 티타늄는 CP-1에 비해 232Th 및 238U 농도가 뚜렷이 높아, 등급 간의 방사능 순도 차이가 있음을 확인하였다.
• 우주선 활성화로 인해 여러 샘플에서 46Sc가 검출되었으며, 활성도는 <0.19 mBq/kg에서 최대 23 mBq/kg까지 다양했다. 주로 운반 중 면역선 유도 분열로 인한 것이었다.
• 해수면에서 3년간 보관한 결과, Ti6-A 샘플의 46Sc 활성도는 검출 불가 수준으로 감소하여, 우주선 활성화가 일시적이며 관리 가능한 것으로 확인되었다.
• 고도가 높은 샌포드 지하연구시설(SURF)에서 6개월간 보관한 샘플은 4.4 ± 0.3 mBq/kg의 46Sc 활성도를 보였으며, 고고도에서의 우주선 활성화가 측정 가능한 수준임을 시사하였다.
• 본 연구는 티타늄, 특히 CP-1 등급이 내재된 낮은 방사능과 구리 및 스테인리스강 대비 기계적 우수성 덕분에 저배경 실험에 매우 적합한 재료임을 확인하였다.