[논문 리뷰] Study on cosmogenic activation in copper for rare event search experiments

Ze She, Zhi Zeng외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 03.

Radiation Therapy and Dosimetry참고 문헌 46인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 2469.4m 고도에서 504일 동안 우주선에 노출된 산소가 없는 고도전도성 (OFHC) 구리에서 우주선 유도 활성화를 측정하여 54Mn, 56Co, 57Co, 58Co 및 60Co와 같은 주요 방사성동위원소의 생성률을 산정한다. 저배경 감마 분광법과 Geant4 기반 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 Germanium 검출기의 배경 기여를 정량화하였으며, 60Co가 장기적으로 주요 배경로 작용함을 발견하였고, 우주선 유도 활성화를 억제하기 위해 지상 노출 시간을 최소화하거나 지하에서 전기화학적 도금을 수행할 것을 권장한다. 특히 희귀 사건 실험에서 효과적이다.

ABSTRACT

The rare event search experiments using germanium detectors are performed in the underground laboratories to prevent cosmic rays. However, the cosmogenic activation of the cupreous detector components on the ground will generate long half-life radioisotopes and contribute continually to the expected background level. We present a study on the cosmogenic activation of copper after 504 days of exposure at an altitude of 2469.4 m outside the China Jinping Underground Laboratory (CJPL). The specific activities of the cosmogenic nuclides produced in the copper bricks were measured using a low background germanium gamma-ray spectrometer at CJPL. The production rates at sea level, in units of nuclei/kg/day, are 18.6 \pm 2.0 for Mn-54, 9.9 \pm 1.3 for Co-56, 48.3 \pm 5.5 for Co-57, 51.8 \pm 2.5 for Co-58 and 39.7 \pm 5.7 for Co-60, respectively. Given the expected exposure history of the germanium detectors, a Monte Carlo simulation is conducted to assess the cosmogenic background contributions of the detectors' cupreous components.

연구 동기 및 목표

• 희귀 사건 실험에서의 배경 기여를 평가하기 위해 고고도에서의 우주선에 노출된 OFHC 구리의 우주선 유도 활성화를 측정하기 위해.
• 우주선에 노출된 구리에서 54Mn, 56Co, 57Co, 58Co 및 60Co와 같은 장수명 방사성동위원소의 정밀한 생성률을 결정하기 위해.
• CDEX 실험에서 사용되는 p형 점접촉 게르마늄(PPC) 검출기의 구리 부품에서 기인하는 우주선 유도 배경 기여를 평가하기 위해.
• 측정된 생성률을 몬테카를로 시뮬레이션과 이전 연구 결과와 비교하여 배경 예측의 정합성과 정교화를 검토하기 위해.
• 지상 노출 시간을 최소화하거나 지하에서 전기화학적 도금을 활용하는 등의 효과적인 완화 전략을 규명하여 초저배경 실험에서 우주선 유도 배경을 감소시키기 위해.

제안 방법

• 중국 지진강 지하실험실(CJPL) 외부에서 2469.4m 고도에서 504일 동안 16개의 OFHC 구리 블록(총 142.5kg)을 우주선에 노출시켰다.
• CJPL에서 배경율이 100–2700keV 범위에서 일일 732개의 카운트인 저배경 게르마늄 감마선 분광기(GeTHU)를 사용하여 우주선 유도 방사성동위원소의 특정 활성도를 측정하였다.
• 선형 배경 가정을 사용한 스펙트럼 분석을 통해 순 피크 면적을 추출하였으며, 각 방사성동위원소에 대해 Geant4.10.06를 사용하여 감도 효율을 시뮬레이션하였다.
• 지수 감쇠 모델 A = R(1−e−λt) + A₀e−λt를 적용하여 생성률 R를 유도하였으며, 장수명 동위원소의 경우 초기 활성도 A₀ = 0을 가정하였다.
• SAGE 프레임워크를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 PPCGe 검출기 어레이의 배경 스펙트럼을 모델링하였으며, 방사성동위원소를 구리 부품 전역에 균일하게 분포시켰다.
• 측정된 생성률을 시뮬레이션 결과 및 이전 연구 결과와 비교하여 일관성 여부를 평가하고 차이점을 규명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2469.4m 고도에서 노출된 OFHC 구리에서 54Mn, 56Co, 57Co, 58Co 및 60Co의 우주선 유도 생성률은 얼마인가?
• RQ2 측정된 생성률은 몬테카를로 시뮬레이션과 이전 연구에서 예측한 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 CDEX 실험에서 사용되는 게르마늄 검출기의 구리 부품에서 기인하는 우주선 유도 방사성동위원소의 총 배경 기여는 얼마인가?
• RQ4 저에너지(2–4keV) 및 2039keV(무중성자 이중베타 붕괴) 영역에서 지배적인 우주선 유도 뉴클리드는 무엇인가?
• RQ5 희귀 사건 실험에서 구리에서 기인하는 우주선 유도 배경을 감소시키기 위해 가장 효과적인 완화 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 해수면에서 54Mn의 생성률은 18.6±2.0 nuclei/kg/day이다.
• 해수면에서 56Co의 생성률은 9.9±1.3 nuclei/kg/day이다.
• 해수면에서 57Co의 생성률은 48.3±5.5 nuclei/kg/day이다.
• 해수면에서 58Co의 생성률은 51.8±2.5 nuclei/kg/day이다.
• 해수면에서 60Co의 생성률은 39.7±5.7 nuclei/kg/day이다.
• 시뮬레이션된 배경율은 2–4keV 에너지 범위에서 7.17×10⁻² cpkty이며, 2039keV 부근에서는 1.82×10⁻³ cpkty이다. 122keV 이하에서는 57Co가 지배적이며, 830keV 이하에서는 54Mn이 지배적이며, 고에너지 영역에서는 60Co가 지배적이다.