[논문 리뷰] Spectroscopic performance evaluation and modeling of a low background HPGe detector using GEANT4

Swati Thakur, Soni Devi외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 22.

Nuclear Physics and ApplicationsPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 IIT Ropar 소재 저배경 HPGe 검출기의 성능을 평가하고 GEANT4 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 모델링하여 환경 방사능 측정의 분광 성능을 최적화한다. 시뮬레이션된 전체 에너지 피크 효율은 실험 데이터와 7% 이내의 편차로 일치했으며(93% 신뢰수준), 토양 및 암석 샘플에서 천연 방사성 동위원소(U/Th/K)의 검출 한계를 향상시켰다.

ABSTRACT

Low background gamma spectrometry employing HPGe detectors is a sensitive technique for measuring low-level radioactivity in environmental applications, material screening, and for rare decay searches. This work presents spectroscopic performance evaluation and modelling of a low background measurement setup developed at IIT Ropar in Punjab, India, to measure trace natural radioactive elements, with a particular interest in studying low-level radioactivity in soil and/or rock samples to generate specific inputs for low background experiments. The performance test and characterization of a low background cryocooled HPGe detector with relative efficiency of $\sim$33% have been carried out. An effective detector model has been developed using GEANT4 Monte Carlo simulation to determine the response of the detector over an energy range of 80.9-1408 keV and compared with the experimental performance of the detector. The response of the detector obtained using Monte Carlo simulations agrees reasonably well within 93% level of confidence, indicating only 7% deviation in the comparison. The present setup offers improved detection limits of primordial radionuclides (U/Th and K) to measure radioactive contamination in environmental matrices, which has been used elsewhere [1].

연구 동기 및 목표

• IIT Ropar에서 환경 기질 내 미량 천연 방사능을 측정하기 위한 저배경 HPGe 검출기 설정을 개발하기 위해.
• 피크 효율, 분辨도 및 배경 기여도를 포함한 검출기의 분광 성능을 특성화하기 위해.
• 정확한 검출기 응답 모델링을 위해 실험 결과를 GEANT4 몬테카를로 시뮬레이션으로 검증하기 위해.
• 희귀 붕괴 물리학을 뒷받침하기 위해 토양 및 암석 샘플에서 천연 방사성 동위원소(238U, 232Th, 40K)의 검출 한계를 향상시키기 위해.
• 배경 기여 원인을 규명하고 향후 저배경 실험의 민감도를 향상시키기 위해 셸터링 및 버티 시스템 업그레이드 방안을 제안하기 위해.

제안 방법

• Ge-결정 기하학, 데드 레이어, 셸터링 구성 요소를 포함한 HPGe 검출기의 상세한 GEANT4 몬테카를로 모델을 구축하였다.
• 일괄 에너지 감마원을 사용하여 게르마늄 결정의 횡방향, 반경 방향 및 축방향 스캔을 수행하여 내부 구조를 매핑하고 검출기 파arameter를 최적화하였다.
• 시뮬레이션 및 실험 데이터를 비교하기 위해 80.9–1408 keV 범위에서 전체 에너지 피크 효율(FEPE)을 계산하였다.
• 배경 보정 후 순 피크 카운트에서 특정 활성도를 산정하기 위해 식 $ A_{\text{γ}} = \frac{N_{\text{γ}}}{I_{\text{γ}} \times m \times \rho_{\text{γ}} \times t} $ 를 사용하였다.
• 피크 형상, 피크 대 컴프턴 비율(P/C), 그리고 최적화 지표(FOM) 평가를 위해 점원자원 측정을 수행하였다.
• 배경 보정 및 효율 캘리브레이션을 적용하여 토양 및 암석 샘플의 활성도 농도를 산정하였다.

Figure 1: Schematic cross-section of the experimental setup of ILM-0 (IIT Ropar Low Background Measurement setup). The soil sample is mounted on the face of the detector, and the setup is placed on a thick stainless steel (SS) table 1 m above the ground.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GEANT4는 넓은 에너지 범위(80.9–1408 keV)에서 저배경 HPGe 검출기의 전체 에너지 피크 효율을 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 지상에 설치된 HPGe 측정에서 지배적인 배경 기여 원인은 무엇이며, 이는 천연 방사성 동위원소의 검출 한계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 검출기 기하학, 결정 치수, 데드 레이어는 분광 성능과 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 IIT Ropar 현장의 토양 및 암석 샘플에서 238U, 232Th, 40K의 특정 활성도 농도는 얼마이며, 문헌 값과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ5 희귀 붕괴 탐색을 위한 배경 감소 및 검출 한계 향상을 위해 어떤 셸터링 및 버티 시스템 업그레이드가 필요한가?

주요 결과

• GEANT4로 시뮬레이션한 HPGe 검출기의 전체 에너지 피크 효율은 실험 측정 결과와 7% 이내의 편차로 일치하여 모델 정확도에 대해 93% 신뢰수준을 확보하였다.
• 농업 시험 지역의 토양 샘플에서 238U, 232Th, 40K의 평균 특정 활성도는 각각 50, 85, 670 Bq/kg였으며, U와 Th는 일관된 분포를 보였고, K는 더 높은 변동성을 보였다.
• 암석 샘플에서는 238U 활성이 7 (1) Bq/kg로 측정되었지만, 232Th와 40K는 현재 설정으로는 검출 가능 수준 이하였다.
• 암석 샘플에서 232Th와 40K를 검출하기 위해서는 현재 배경 수준을 약 10배 감소시킬 필요가 있으며, 이는 저활성도 납 및 coppe r 셸터링을 두껍게 해야 함을 의미한다.
• 지상에 설치된 시스템에서 우주선의 면모에 의한 상호작용이 주요 배경 기여원인으로 작용하며, 우주선 면모 버티 시스템을 추가하면 배경을 약 50% 감소시킬 수 있다.
• 희귀 붕괴 물리 실험의 민감도 향상을 위해 저활성도 셸터링 및 플라스틱 버티 검출기 등의 향후 업그레이드가 진행 중이다.

Figure 2: A cross-sectional view of the detector with scanning directions indicated.