[논문 리뷰] Radon and material radiopurity assessment for the NEXT double beta decay experiment

S. Cebrián, J. Pérez외 69명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 26.

Neutrino Physics Research참고 문헌 21인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 캔프란크 지하 실험소에서 수행되는 NEXT 이중베타 붕괴 실험을 위한 재료 및 라돈 농도에 대한 종합적인 방사능 순도 평가를 제시한다. 초저배경 HPGe 분광법, GDMS, ICPMS를 활용하여 차폐, 용기 및 검출기 구성 요소에 적합한 초순수 재료를 규명하였으며, 현장에서의 라돈 측정을 통해 라돈 제거 전략을 최적화하여 고유량 질소 환기로 라돈 활성도를 10배 감소시켰다. 이는 8×10⁻⁴ 개수 keV⁻¹kg⁻¹y⁻¹의 목표 배경 수준을 달성하는 데 필수적이다.

ABSTRACT

The Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT), intended to investigate the neutrinoless double beta decay using a high-pressure xenon gas TPC filled with Xe enriched in 136Xe at the Canfranc Underground Laboratory in Spain, requires ultra-low background conditions demanding an exhaustive control of material radiopurity and environmental radon levels. An extensive material screening process is underway for several years based mainly on gamma-ray spectroscopy using ultra-low background germanium detectors in Canfranc but also on mass spectrometry techniques like GDMS and ICPMS. Components from shielding, pressure vessel, electroluminescence and high voltage elements and energy and tracking readout planes have been analyzed, helping in the final design of the experiment and in the construction of the background model. The latest measurements carried out will be presented and the implication on NEXT of their results will be discussed. The commissioning of the NEW detector, as a first step towards NEXT, has started in Canfranc; in-situ measurements of airborne radon levels were taken there to optimize the system for radon mitigation and will be shown too.

연구 동기 및 목표

• NEXT 무배경 이중베타 붕괴 실험을 위한 초저배경 조건을 달성하기 위해 재료의 방사능 순도를 철저히 평가한다.
• 차폐, 압력용기, 전기장 격자 및 검출기 구성 요소에 적합한 초순수 재료를 규명하고 자격을 부여한다.
• 캔프란크 지하 실험소에서 공기 중 라돈 농도를 측정하고 제거하여 배경 간섭을 줄인다.
• 검출기 시운전 이전에 질소 환기 및 밀봉 전략을 최적화하여 라돈 억제 시스템을 개선한다.
• HPGe, GDMS 및 ICPMS로부터의 정량적 방사능 순도 데이터를 바탕으로 NEXT-100의 배경 모델을 보완한다.

제안 방법

• 2450 m.w.e. 깊이의 캔프란크 지하 실험소에서 p형 코акс리얼 검출기를 사용한 초저배경 고순도 Germanium(HPGe) 감마 분광법을 수행하였다. 구리 및 lead 차폐를 포함한 시스템을 사용하였다.
• 보조적인 재료 방사능 순도 분석은 U, Th 및 K 농도 측정을 위해 광학적 방출 질량 분석법(GDMS) 및 인덕합성 결합 질량 분석법(ICPMS)을 통해 수행되었다.
• 납 성벽의 다양한 운영 조건에서 AlphaGuard 및 자체 개발한 미크로메가스 기반 라돈 감지기로 현장에서의 라돈 측정을 실시하였다.
• 라돈 제거 전략은 순차적 질소 세척 및 다양한 질소 기체 유량(180–900 L/h)을 통해 라돈 농도에 미치는 영향을 평가하기 위해 시험되었다.
• 실시간으로 NaI(Tl)闪烁검출기를 사용하여 감마 배경 률을 모니터링하여 라돈 농도 및 차폐 효과와의 상관관계를 분석하였다.
• GEANT4 시뮬레이션을 활용하여 HPGe 측정에서 각 샘플의 탐지 효율을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차폐, 압력용기 및 판독 평면에 사용된 핵심 재료의 방사능 순도 수준은 어떠한가?
• RQ2 캔프란크 지하 실험소의 납 성벽 내에서 질소 환기 및 밀봉 전략이 공기 중 라돈 농도를 얼마나 효과적으로 감소시키는가?
• RQ3 잔류 라돈 및 재료의 방사능이 NEXT-100 실험의 전체 배경 모델에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ4 초저배경 HPGe 분광법, GDMS 및 ICPMS는 검출기 제작에 있어 일관되고 신뢰할 수 있는 방사능 순도 데이터를 제공할 수 있는가?
• RQ5 필요한 배경 수준 8×10⁻⁴ 개수 keV⁻¹kg⁻¹y⁻¹을 달성하기 위한 최적의 라돈 제거 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 방사능 순도 선별 과정에서 구리A1(ETP) 구리와 재가공된 OPERA 납이 적합한 재료로 확인되었으며, 210Pb 활성도는 (76.4 ± 8.6) Bq/kg로 측정되어 명시된 값 80 Bq/kg와 일치함을 확인하였다.
• 융해 및 재처리 후 OPERA 납는 오염 없이 얻어져, 차폐 구조물에 사용할 수 있음을 검증하였다.
• 납 성벽을 밀봉함으로써 감마 배경 률은 59.56 Hz에서 1.089 Hz로 감소하여 두 개의 주기 감소를 이루었다.
• 고유량 질소 환기(900 L/h)를 통해 성벽 내부의 라돈 활성도는 약 70 Bq/m³에서 4 Bq/m³로 감소하여 17.5배 감소하였다.
• 고유량 질소 환기 조건에서 성벽 내부의 라돈 활성도는 AlphaGuard 감지기의 감도 한계에 도달하여 효과적인 제거가 이루어졌음을 시사하였다.
• 밀봉과 고유량 질소 환기의 조합이 가장 효과적이었으며, 라돈 농도가 외부 변동에 민감하지 않게 되었다.