[论文解读] Highly Sensitive Gamma-Spectrometers of GERDA for Material Screening: Part 2

D. Budjáš, W. Hampel+9 more|ArXiv.org|Dec 3, 2008

Nuclear Physics and Applications参考文献 3被引用 15

一句话总结

本论文介绍了用于GERDA无中微子双贝塔衰变实验中高灵敏度材料筛选的两台超低本底伽马谱仪——位于海德堡的Corrado（15 m w.e.）和位于格兰萨索的Ge mpi III（3500 m w.e.）的设计、运行与性能。两台谱仪分别实现了约1 mBq/kg和10 μBq/kg的探测灵敏度，通过使用放射纯材料、多层屏蔽、主动μ子 veto 以及氮气冲洗以抑制氡和宇宙射线本底，其中Ge mpi III的性能因在调试后发现的207Bi污染而受限。

ABSTRACT

The previous article about material screening for GERDA points out the importance of strict material screening and selection for radioimpurities as a key to meet the aspired background levels of the GERDA experiment. This is directly done using low-level gamma-spectroscopy. In order to provide sufficient selective power in the mBq/kg range and below, the employed gamma-spectrometers themselves have to meet strict material requirements, and make use of an elaborate shielding system. This article gives an account of the setup of two such spectrometers. Corrado is located in a depth of 15 m w.e. at the MPI-K in Heidelberg (Germany), GeMPI III is situated at the Gran-Sasso underground laboratory at 3500 m w.e. (Italy). The latter one aims at detecting sample activities of the order ~0.01 mBq/kg, which is the current state-of-the-art level. The applied techniques to meet the respective needs are discussed and demonstrated by experimental results.

研究动机与目标

• 开发并部署高度灵敏的伽马谱仪，用于GERDA实验中低水平材料筛选，以满足严格的本底要求。
• 实现对建筑材料和屏蔽材料中放射性杂质的探测限约为1 mBq/kg和10 μBq/kg。
• 通过先进的屏蔽和环境控制，最大限度减少宇宙射线、氡和本征放射性带来的本底贡献。
• 实现对超放射纯材料的预先筛选，这对GERDA实验的成功至关重要。
• 识别并解决意外污染问题，如207Bi污染，这些问题会损害谱仪的灵敏度。

提出的方法

• 谱仪采用高纯锗（HPGe）探测器，使用轴向、p型晶体（930 g，相对效率37%），以实现高能量分辨率和检测效率。
• 通过被动屏蔽（电解铜、铅、硼掺杂聚乙烯）与主动μ子 veto 相结合，实现本底抑制。
• 通过在气密不锈钢外壳中持续进行略高于大气压的氮气冲洗，最小化氡本底，该外壳配备手套孔和气锁系统。
• 样品室采用Marinelli几何结构（18 L容积），以最大化对大样品的检测效率。
• 利用蒙特卡洛模拟和X射线成像，对杜瓦瓶和屏蔽结构的几何形状进行建模与优化。
• 灵敏度通过公式 $ A_{\text{min}} = \frac{\sqrt{B}}{M \cdot \epsilon \cdot t} $ 量化，其中 $ B $ 为本底，$ M $ 为样品质量，$ \epsilon $ 为峰效率，$ t $ 为测量时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在浅层地下站点，低本底伽马谱仪可实现的灵敏度如何？其是否能满足GERDA实验的材料筛选要求？
• RQ2 多层被动屏蔽与主动μ子 veto 在超灵敏伽马谱仪中抑制本底的效率如何？
• RQ3 哪些污染源可能损害高灵敏度HPGe谱仪的性能？如何识别并缓解这些问题？
• RQ4 在长时间测量中，氮气冲洗是否能有效抑制样品室中由氡引起的本底？
• RQ5 为何Ge mpi III谱仪未能达到10 μBq/kg的目标灵敏度？207Bi污染的来源是什么？

主要发现

• 位于海德堡15 m w.e.的Corrado谱仪实现了约1 mBq/kg的灵敏度（针对228Th），证明即使在浅层地下站点，本底抑制达约1000倍是可行的。
• 位于3500 m w.e.的Ge mpi III谱仪原设计目标为10 μBq/kg的灵敏度，但因杜瓦瓶内存在(3.74 ± 0.39) mBq的207Bi污染而受阻。
• 207Bi污染被追溯至在杜瓦瓶组装过程中，通过被污染的镊子从含207Bi的盐酸溶液中发生交叉污染所致。
• 污染源位于HPGe晶体附近，经额外屏蔽后计数率保持不变，且通过峰叠加分析得到证实。
• 类似207Bi污染后来在Ge mpi IV杜瓦瓶上也被发现，但污染水平低了约一个数量级，表明操作流程存在系统性风险。
• 已启动并测试了清洁程序，包括杜瓦瓶蚀刻和甲醇浴处理，但结果在发表时尚未公布。