[論文レビュー] A hybrid organic/inorgaic scintillator for high performance measurements

S. Wagner, M. Grassi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、微小な無機結晶を有機シンチレーター媒質に分散させたハイブリッド有機/無機シンチレーターを提案する。この構造により、光出力が向上し、トンスケールの元素含有が可能になり、パルス波形およびスペクトル分離による優れた粒子識別が実現される。設計では、複数回の散乱を活用して光を反応点の周辺に閉じ込め、ニュートリノ実験用の大容量検出器において高エネルギー分解能を達成する。

ABSTRACT

New experimental research programs in the field of neutrino physics are calling for new detectors with large masses, high energy resolution and good background rejection capabilities. This paper presents a novel hybrid organic/inorganic scintillator, which is able to improve on all three aspects simultaneously. This scintillator consists of microscopic grains of inorganic crystals suspended in an organic scintillating carrier medium. Due to multiple scattering off the crystals, this scintillator appears opaque over longer distances and is intended for use in specialized detectors. Thanks to the crystal phase it can natively incorporate a large variety of elements in large quantities, so that a sufficiently large detector can reach elemental loadings on the ton- or multiton scale. At the same time, this composition can produce very high light outputs and provides additional particle identification capabilities. This scintillator concept is expected to provide significant advantages for future neutrino experiments, like searches of neutrinoless double beta experiments and reactor antineutrino physics.

研究の動機と目的

• 次世代ニュートリノ実験、特に無ニュートリノ双ベータ崩壊および原子炉反ニュートリノ検出を目的とした大規模で高分解能の検出器の必要性に対応する。
• 純粋な有機シンチレーターの限界（元素含有量の制限）と無機結晶の限界（入手可能な質量が小さく、高コスト）を克服する。
• 高い光出力、優れたエネルギー分解能、およびパルス波形とスペクトル分離によるバックグラウンド抑制を組み合わせることで、高精度な測定を可能にする。
• 複数トンの強化同位体を組み込めるスケーラブルでコスト効率の良い検出器材料の開発

提案手法

• ZnWO4 や Lu2SiO5 などの微小な無機シンチレーティング結晶を、有機シンチレーティング液体またはゲルマトリックスに分散させ、不均一で光学的に不透明な媒体を形成する。
• 結晶-液体界面での複数回のミー散乱を活用し、シンチレーション光子を反応点の周囲に小さな領域に閉じ込める。
• 検出器体積内に波長シフトファイバーを埋め込み、光子を外部の光検出器に集め導く。
• 有機マトリックス（高速）と無機結晶（遅延）のシンチレーションにおける固有の時間的応答の違いを活用し、パルス波形分離を実現する。
• 屈折率依存の波長依存性を示すミー断面積を応用し、波長依存の光子拡散パターンを生成することで、スペクトルベースの粒子識別を可能にする。
• 高セグメンテーション検出器またはモノリシック構成に適した設計とし、ファイバー配列による光収集の局所化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドシンチレーターは、単結晶と同等の高い光出力とエネルギー分解能を達成しつつ、有機液体と同様にトンスケールの元素含有を実現できるか？
• RQ2 マイクロ結晶懸濁液における複数回の散乱は、光子収集効率とビデオ分解能の向上にどの程度寄与できるか？
• RQ3 有機相と無機相の間のパルス波形の違いは、電子、ガンマ線、陽電子、アルファ線、および中性子誘発イベントの間で効果的な識別を可能にするか？
• RQ4 光子の波長依存散乱挙動が、光子クラウドの空間的分布に与える影響は何か？ そして、スペクトルベースの粒子識別を可能にする仕組みは何か？
• RQ5 コロイド系またはゲル系マイクロ結晶シンチレーター系における、元素含有の実用的限界および材料安定性の限界は何か？

主な発見

• マイクロ結晶シンチレーター概念により、無機結晶の高濃度が実現され、結晶がシンチレイターとしても標的材料としても機能するため、トンまたは複数トンスケールの元素含有が可能になる。
• 無機結晶の効率的なシンチレーションと、複数回の散乱およびファイバーを用いた抽出による光収集の向上により、高い光出力が達成される。
• 高い光出力に加え、局所的な光子閉じ込めにより反応点の高精度な解像が可能になるため、エネルギー分解能が顕著に向上する。
• 有機相（高速）と無機相（遅延）の固有の時間応答の違いを活用することで、パルス波形分離が可能となり、異なる種類の粒子によるイベントを分離可能となる。
• 波長依存のミー散乱により、長波長光子がより遠くまで拡散するため、異なる発光スペクトルに対応する特徴的な空間的強度パターンが形成され、スペクトルベースの粒子識別が可能になる。
• アルファ線、ガンマ線、陽電子、および反跳核のトポロジーとスペクトルの特徴を区別することで、バックグラウンド抑制の可能性を示している。