[论文解读] A Facility for Low-Radioactivity Underground Argon

Henning Back, W. Bonivento+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文提出建立一个专用的地下氩气（UAr）设施，为高能物理、核物理和环境科学提供超低放射性氩气。通过从深层地下气田中提取并提纯氩气，该设施可显著降低$^{39}$Ar水平——这一成果已在DarkSide-50实验中得到验证——从而支持未来实验如DarkSide-20k，并打造一个可扩展的、面向全体科研社区的资源，同时配备用于监测放射性核素的辅助系统。

ABSTRACT

The DarkSide-50 experiment demonstrated the ability to extract and purify argon from deep underground sources and showed that the concentration of $^{39}$Ar in that argon was greatly reduced from the level found in argon derived from the atmosphere. That discovery broadened the physics reach of argon-based detector and created a demand for low-radioactivity underground argon (UAr) in high-energy physics, nuclear physics, and in environmental and allied sciences. The Global Argon Dark Matter Collaboration (GADMC) is preparing to produce UAr for DarkSide-20k, but a general UAr supply for the community does not exist. With the proper resources, those plants could be operated as a facility to supply UAr for most of the experiments after the DarkSide 20k production. However, if the current source becomes unavailable, or UAr masses greater than what is available from the current source is needed, then a new source must be found. To find a new source will require understanding the production of the radioactive argon isotopes underground in a gas field, and the ability to measure $^{37}$Ar, $^{39}$Ar, and $^{42}$Ar to ultra-low levels. The operation of a facility creates a need for ancillary systems to monitor for $^{37}$Ar, $^{39}$Ar, or $^{42}$Ar infiltration either directly or indirectly, which can also be used to vet the $^{37}$Ar, $^{39}$Ar, and $^{42}$Ar levels in a new UAr source, but requires the ability to separate UAr from the matrix well gas. Finding methods to work with industry to find gas streams enriched in UAr, or to commercialize a UAr facility, are highly desirable.

研究动机与目标

• 建立一个可持续的、面向科研社区开放的低放射性地下氩气（UAr）供应源，用于高能物理和核物理实验。
• 应对DarkSide-50实验成功降低$^{39}$Ar污染后，对UAr日益增长的需求。
• 开发能够检测UAr流中$^{37}$Ar、$^{39}$Ar和$^{42}$Ar超痕量水平的辅助监测系统。
• 推动工业合作或UAr生产的商业化，以确保长期供应的韧性。
• 识别并筛选具有天然低放射性的新地下气源，以支持未来UAr的生产。

提出的方法

• 从深层地下天然气田中提取氩气，利用地质时间尺度内放射性衰变导致的$^{39}$Ar水平自然抑制。
• 采用低温蒸馏和纯化技术，从原始气体混合物中分离出高纯度氩气。
• 使用超灵敏探测系统，在十万亿分之一量级上监测$^{37}$Ar、$^{39}$Ar和$^{42}$Ar，确保纯度。
• 设计模块化基础设施，以支持未来实验需求（包括超越DarkSide-20k的需求）的可扩展性和适应性。
• 集成实时污染监测系统，以检测储存和运输过程中放射性核素的渗入。
• 与工业界合作，识别并利用富含UAr的气流，或实现设施模式的商业化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否建立一个专用的地下氩气设施，以满足物理和环境科学领域对低放射性氩气日益增长的需求？
• RQ2 从深层地下气田中提取和提纯氩气，以实现最小$^{39}$Ar污染的关键技术与运行挑战是什么？
• RQ3 如何可靠地测量$^{37}$Ar、$^{39}$Ar和$^{42}$Ar的超痕量水平，以确保UAr的纯度？
• RQ4 辅助监测系统在验证新UAr源放射性水平方面可发挥何种作用？
• RQ5 存在哪些工业或商业化路径可实现UAr生产的规模化，以确保长期供应的可持续性？

主要发现

• DarkSide-50实验成功证明，与大气氩相比，地下氩气的$^{39}$Ar水平显著降低。
• 该设施概念可实现UAr的可扩展生产，满足DarkSide-20k以外的未来实验需求。
• 对$^{37}$Ar、$^{39}$Ar和$^{42}$Ar的辅助监测系统对于验证新UAr源的纯度至关重要。
• 将UAr与母体气体基质有效分离，是实现污染监测和源验证的关键。
• 商业化或工业合作对于确保UAr长期可行性及科研社区的广泛可及性必不可少。
• 必须识别并筛选新的地下气源，以确保其满足未来实验对超低放射性的要求。