[论文解读] Characterization of Gadolinium-loaded Plastic Scintillator for Use as a Neutron Veto

D. M. Poehlmann, D. Barker+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2018

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 18被引用 5

一句话总结

本研究开发并表征了掺钆塑料闪烁体作为暗物质实验（如SuperCDMS）的固态中子拒收器。通过Geant4蒙特卡罗模拟优化闪烁体几何结构与钆掺杂浓度，团队在使用分层无掺杂闪烁体与钆掺杂树脂的配置下，实现了与均匀掺杂闪烁体相比误差在5%以内的中子拒收效率，提供了一种实用且防泄漏的液态闪烁体替代方案。

ABSTRACT

Scintillator doped with a high neutron-capture cross-section material can be used to detect neutrons via their resulting gamma rays. Examples of such detectors using liquid scintillator have been successfully used in high-energy physics experiments. However, a liquid scintillator can leak and is not as amenable to modular or complex shapes as a solid scintillator. Polystyrene-based scintillators from a variety of gadolinium compounds with varying concentrations were polymerized in our laboratory. The light output, emission spectra, and attenuation length of our samples were measured and light collection strategies using a wavelength shifting (WLS) fiber were evaluated. The measured optical parameters were used to tune a Geant4-based optical Monte Carlo, enabling the trapping efficiency to be calculated. This technology was also evaluated as a possible neutron veto for the direct detection dark matter experiment, Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS).

研究动机与目标

• 为像SuperCDMS这样的直接暗物质探测实验开发一种实用的固态中子拒收器。
• 表征实验室制备的掺钆塑料闪烁体在不同钆浓度下的光输出、衰减长度与发射光谱。
• 评估分段式闪烁体-树脂层结构配置作为均匀掺杂闪烁体的替代方案的性能。
• 利用实测光学参数校准基于Geant4的光学蒙特卡罗模拟，以准确预测中子拒收效率。
• 识别最优的钆化合物与制备工艺，以实现高中子捕获效率并最小化光损失。

提出的方法

• 以聚苯乙烯为基体，掺杂1 wt% PPO与0.1 wt% POPOP，采用Gd(i-Pr)3与Gd(TMHD)3作为钆源的聚合物闪烁体。
• 测量实验室制备样品与高浓度商业样品的光输出、发射光谱与有效衰减长度（λ_eff）。
• 使用波长位移（WLS）光纤收集光，并利用实测光学参数调节Geant4光学蒙特卡罗模拟。
• 模拟多种配置的中子拒收效率，包括均匀掺杂圆柱体与分段式层状闪烁体-树脂设计。
• 在不同收集时间（10–100 μs）与能量阈值（50 keV）下评估性能，并与1 wt%均匀掺杂参考样品比较。
• 优化树脂厚度与闪烁体-树脂比例，以平衡中子捕获效率与光收集性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 分段式闪烁体-树脂结构能否实现与等量钆质量分数的均匀掺杂闪烁体相当的中子拒收效率？
• RQ2 钆掺杂浓度与化合物选择如何影响塑料闪烁体的光输出与衰减长度？
• RQ3 基于Geant4的光学蒙特卡罗模拟在使用实测光学参数时，能否准确预测光电子产额？
• RQ4 在实际时间与能量阈值条件下，最大化中子拒收效率的最优闪烁体-树脂比例与树脂厚度为何？
• RQ5 能否通过分层无掺杂闪烁体与钆掺杂树脂的组合，制备出实用、防泄漏的固态中子拒收器，从而避免液态闪烁体的危险？

主要发现

• 在100 μs收集窗口与50 keV能量阈值下，35:1的闪烁体-树脂比例与1 wt%钆掺杂量的配置，实现了与均匀掺杂闪烁体相比误差在5%以内的中子拒收效率。
• 使用10 wt%钆掺杂树脂的分段结构性能劣于1 wt%均匀掺杂闪烁体，原因在于闪烁体体积减少与树脂对伽马射线的吸收。
• 实验室制备样品的衰减长度（λ_eff）是Geant4蒙特卡罗模拟中最关键的调参参数，可实现光电子产额的准确预测。
• 部分化合物在低钆掺杂时光输出略有提升，但衰减长度随钆浓度升高而持续下降。
• Gd(i-Pr)3与Gd(TMHD)3化合物表现最佳，但标准文献配方在实验室制备中难以达到目标钆浓度。
• 毫米级厚度的无掺杂闪烁体与钆掺杂树脂分层结构可实现接近均匀掺杂的性能，提供一种可行、模块化且防泄漏的液态闪烁体替代方案。