[논문 리뷰] Ultracold neutron detection with 6Li-doped glass scintillators, NANOSC: a fast ultracold neutron detector for the nEDM experiment at the Paul Scherrer Institute

G. Ban, G. Bison외 33명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 23.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 31인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 6Li 도핑된 유리 scintillator를 사용하여 고속 초냉각 중성자(UCN) 검출기를 개발한다. 6Li가 탈리된 유리와 6Li가 농축된 유리를 광학 접합된 스택으로 조합하여 높은 중성자-감마 분리 성능을 달성한다. 이 검출기인 NANOSC는 3He 기체 카운터 수준의 검출 효율을 보이며, 최대 10⁶ 개의 카운트/초를 처리할 수 있으며, 2010년부터 PSI의 nEDM 실험에서 안정적으로 작동해 왔다. 펄스 전하 측정을 통한 배경에 민감하지 않은 카운팅이 가능하다.

ABSTRACT

This paper summarizes the results from measurements aiming to characterize ultracold neutron detection with 6Li-doped glass scintillators. Single GS10 or GS20 scintillators, with a thickness of 100-200 micrometer, fulfill the ultracold neutron detection requirements with an acceptable neutron-gamma discrimination. This discrimination is clearly improved with a stack of two scintillators: a 6Li-depleted glass bonded to a 6Li-enriched glass. The optical contact bonding is used between the scintillators in order to obtain a perfect optical contact. The scintillator's detection efficiency is similar to that of a 3He Strelkov gas detector. Coupled to a digital data acquisition system, counting rates up to a few 10^5 counts/s can be handled. A detector based on such a scintillator stack arrangement was built and has been used in the neutron electric dipole moment experiment at the Paul Scherrer Institute since 2010. Its response for the regular runs of the neutron electric dipole moment experiment is presented.

연구 동기 및 목표

• 3He 기체 카운터의 공급 제약과 느린 반응 시간 문제를 해결하기 위해 고성능·고속 초냉각 중성자(UCN) 검출기를 개발한다.
• 최적화된 scintillator 스택 구성으로 6Li 도핑 유리 scintillator를 활용해 UCN 검출에서의 중성자-감마 분리 성능을 향상시킨다.
• 최소한의 페르미 잠재력과 가장자리 사건 및 감마 상호작용에 의한 낮은 배경을 갖춘 높은 검출 효율을 달성한다.
• 장기적인 nEDM 실험에 적합한 높은 카운팅 레이트(최대 10⁶ 카운트/초)를 처리할 수 있는 검출기 설계를 목표로 한다.
• 펄스 전하 측정을 통한 안정적이고 배경에 민감하지 않은 UCN 카운팅을 확보하여 nEDM 데이터 분석에 미치는 영향을 최소화한다.

제안 방법

• 빠른 신호 반응을 위해 ~70 ns의 스트로베리 수명을 가지는 6Li 도핑 유리 scintillator(GS10, GS20, GS30)를 사용한다.
• 감마 상호작용 확률과 에너지 투과를 줄이기 위해 두께 100–200 μm의 scintillator를 제작한다.
• 완벽한 광학 커플링을 확보하고 가장자리 사건을 억제하기 위해 6Li가 탈리된 유리(GS30)와 6Li가 농축된 유리(GS20)를 광학 접합으로 조합한다.
• 빛 신호를 읽기 위해 광전자 배율관(PMT)을 사용하고, 고속 이벤트 레이트를 처리할 수 있는 디지털 데이터 수집 시스템(FASTER)을 적용한다.
• UCN 및 감마 원천을 사용해 펄스 높이 반응을 캘리브레이션하고 분리 임계치를 최적화한다.
• 시간 경과에 따른 펄스 전하 안정성을 모니터링하여 다양한 조건에서도 일관된 카운팅 성능을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적화된 두께와 6Li 농도를 가진 6Li 도핑 유리 scintillator는 고배경 환경에서 UCN 검출에 충분한 중성자-감마 분리 성능을 확보할 수 있는가?
• RQ2 6Li가 탈리된 유리와 6Li가 농축된 유리를 스택으로 조합함으로써 가장자리 사건 억제와 배경 감소를 통해 중성자-감마 분리 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 6Li 도핑 유리 scintillator 검출기의 최대 카운팅 레이트는 얼마이며, 장기적인 nEDM 실험의 요구 조건을 충족시킬 수 있는가?
• RQ4 시간 경과에 따른 펄스 전하 측정의 안정성은 어떠한가? 이는 UCN 카운팅 정확도와 nEDM 데이터 분석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 실험 조건에서 6Li 도핑 유리 검출기의 검출 효율이 표준 3He 기체 카운터와 비교해 유사하거나 뛰어나게 확보되는가?

주요 결과

• 두께 100–200 μm의 단일 6Li 도핑 유리 scintillator(GS10 또는 GS20)는 표준 3He 기체 카운터 수준의 검출 효율을 달성한다.
• 광학 접합된 6Li가 탈리된(GS30)과 6Li가 농축된(GS20) 유리 스택의 사용은 가장자리 사건 억제를 통해 중성자-감마 분리 성능을 크게 향상시킨다.
• 이 검출기 시스템(NANOSC)은 최대 10⁶ 카운트/초의 카운팅 레이트를 성공적으로 처리했으며, FASTER 데이터 수집 시스템 덕분에 이벤트의 정밀한 타임스탬프가 가능했다.
• 펄스 전하 측정은 시간 경과에 따라 안정되어 있으며, 채널 간 변동률이 최대 2% 이내로 유지되어 카운팅 레이트 변동이 극히 미미함(일일 평균 0.025% 미만)을 보였다.
• 펄스 전하 기반의 UCN 카운팅 절차는 장기 운용 조건에서도 안정적이며 nEDM 데이터 분석에 영향을 주지 않았다.
• 2014년 이후 두 대의 동일한 NANOSC 검출기가 nEDM 실험에서 동시에 스핀 분석기와 함께 작동하며 장기적인 신뢰성과 성능을 입증했다.