[论文解读] Development and Mass Production of a Mixture of LAB- and DIN-based Gadolinium-loaded Liquid Scintillator for the NEOS Short-baseline Neutrino Experiment

Ba Ro Kim, Bo-Young Han+17 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 26被引用 6

一句话总结

本文介绍了为韩国南部分核电站短基线中微子实验NEOS所开发并大规模生产的基于90:10 LAB-DIN的钆掺杂液体闪烁体（GdLS）。该闪烁体掺杂有PPO（3 g/L）和双-MSB（30 mg/L），通过溶剂-溶剂萃取法掺入约0.5%的钆，显著提升了光产额并实现脉冲形状甄别，从而在反应堆反中微子研究中实现有效的中子探测。

ABSTRACT

A new experiment, which is called as NEOS (NEutrino Oscillation at Short baseline), is proposed on the site of Hanbit reactors at Yonggwang, South Korea, to investigate a reactor antineutrino anomaly. A homogeneous NEOS detector having a 1000-L target volume has been constructed and deployed at the tendon gallery ~25 m away from the reactor core. A linear alkylbenzene (LAB) is used as a main base solvent of the NEOS detector. Furthermore, a di-isopropylnaphthalene (DIN) is added to improve the light output and pulse shape discrimination (PSD) ability. The ratio of LAB to DIN is 90:10. PPO (3 g/L) and bis-MSB (30 mg/L) are dissolved to formulate the mixture of LAB- and DIN-based liquid scintillator (LS). Then, ~0.5% gadolinium (Gd) is loaded into the LS by using the solvent-solvent extraction technique. In this paper, we report the characteristics of Gd-loaded LS (GdLS) for the NEOS detector and the handling during mass production.

研究动机与目标

• 通过在韩国南部分核电站测量短基线中微子振荡，解决反应堆反中微子异常问题。
• 开发一种具有更高光输出和脉冲形状甄别（PSD）性能的液体闪烁体，以增强中子探测能力。
• 实现一种稳定、均质的钆掺杂液体闪烁体（GdLS）的大规模生产，确保光学与闪烁性能的一致性。
• 在反应堆环境中部署一个1000升的NEOS探测器，使用优化后的GdLS实现高精度反中微子测量。

提出的方法

• 采用线性烷基苯（LAB）与二异丙基萘（DIN）的90:10混合物作为基质溶剂，以提升光产额和PSD性能。
• 将PPO（3 g/L）和双-MSB（30 mg/L）溶解于LAB-DIN混合液中，以优化闪烁光产额和能量分辨率。
• 通过溶剂-溶剂萃取技术，将钆（Gd）以约0.5%的浓度掺入闪烁体中，以实现中子俘获探测。
• 通过严格的质量控制实现GdLS的大规模生产，确保其均质性、透明度以及长期稳定性，以满足探测器部署需求。
• NEOS探测器采用1000升的探测目标体积，并部署在距离反应堆堆芯约25米处，用于测量反应堆反中微子通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于LAB-DIN的液体闪烁体在掺杂0.5% Gd后，能否实现足够的光产额和脉冲形状甄别性能，以在反应堆中微子实验中实现有效的中子探测？
• RQ2 如何建立一种可扩展且可重复的大规模生产工艺，以确保Gd掺杂液体闪烁体具有光学与闪烁性能的一致性？
• RQ3 使用LAB-DIN GdLS的NEOS探测器在测量短基线中微子振荡方面表现如何？
• RQ4 与纯LAB相比，向LAB中添加DIN如何提升闪烁体的光产额和PSD能力？

主要发现

• LAB-DIN（90:10）混合物相比纯LAB基闪烁体，显著提升了光产额和脉冲形状甄别性能。
• 通过溶剂-溶剂萃取法掺杂0.5% Gd，可实现有效的中子俘获探测，并产生高产额的伽马射线信号。
• 大规模生产工艺成功制备出均质、透明且稳定的GdLS，各批次间光学与闪烁性能保持一致。
• 使用优化后的GdLS的NEOS探测器，在短基线测量中实现了高探测效率和优异的能量分辨率，适用于反应堆反中微子测量。