[论文解读] First Large Scale Production of Low Radioactivity Argon From Underground Sources

Henning Back, E. de Haas+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用 27

一句话总结

本文首次通过真空变压吸附（VPSA）装置，利用地下二氧化碳井大规模生产低放射性氩气，单次通过即实现氩气浓度达3–5%。与大气氩相比，该方法将³⁹Ar活度降低逾100倍，可实现每日0.5公斤的持续生产速率，为高灵敏度暗物质与中微子探测实验提供支持。

ABSTRACT

We report on the first large-scale production of low radioactivity argon from underground gas wells. Low radioactivity argon is of general interest, in particular for the construction of large scale WIMP dark matter searches and detectors of reactor neutrinos for non-proliferation efforts. Atmospheric argon has an activity of about 1 Bq/kg from the decays of 39Ar; the concentration of 39Ar in the underground argon we are collecting is at least a factor of 100 lower than this value. The argon is collected from a stream of gas from a CO2 well in southwestern Colorado with a Vacuum Pressure Swing Adsorption (VPSA) plant. The gas from the well contains argon at a concentration of 400-600 ppm, and the VPSA plant produces an output stream with an argon concentration at the level of 30,000-50,000 ppm (3-5%) in a single pass. This gas is sent for further processing to Fermilab where it is purified by cryogenic distillation. The argon production rate is presently 0.5 kg/day.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，从地下气源提取低³⁹Ar氩气，以支持大规模暗物质与中微子探测实验。
• 证明可将地下CO₂气流中微量氩气（400–600 ppm）在单次通过内浓缩为可用的3–5%氩气产品。
• 实现适合吨级WIMP暗物质探测器与反应堆中微子研究的低放射性氩气持续生产速率。
• 验证VPSA技术在低浓度天然气流中现场浓缩氩气的可行性，且放射性极低。
• 确保工业规模生产超低本底氩气的长期运行稳定性与成本效益。

提出的方法

• 在科罗拉多州科蒂斯的Kinder Morgan CO₂设施部署并启用了大型真空变压吸附（VPSA）装置，用于从地下气流中浓缩氩气。
• VPSA工艺利用不同压力下气体的吸附速率差异，优先吸附氮气与CO₂，从而在出口气流中富集氩气。
• 该装置以循环方式运行，进料气在低压下进入，高浓度氩气产品在高压下排出，实现从400–600 ppm到3–5%的连续氩气浓缩。
• VPSA出口气体在费米国家加速器实验室进一步通过低温精馏提纯，以去除残留杂质并实现极低的³⁹Ar水平。
• 为提高长期稳定性并减少因进料气中水分导致的阀门故障，加装了水汽捕集器并实施了系统升级。
• 系统于2010年3月投入运行，此后持续运行，性能通过在线气体分析与UGA（超痕量气体分析）测量进行监控。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在大规模上从CO₂井中提取地下氩气，生产出高纯度、低³⁹Ar的氩气流，以适用于大规模探测器？
• RQ2 VPSA技术是否能有效将微量氩气（400–600 ppm）在单次通过内浓缩至3–5%，从高流量、高CO₂含量的气流中实现？
• RQ3 VPSA装置能否在偏远、高湿度环境中实现持续、可靠的运行，且停机时间最少？
• RQ4 通过此现场浓缩方法，可实现的低放射性氩气生产速率与工作因子是多少？
• RQ5 最终氩气产品中³⁹Ar浓度相比大气水平降低了多少？

主要发现

• VPSA装置成功将井口气体中400–600 ppm的氩气浓缩至出口气体中2.5–5%的浓度，单次通过浓缩因子超过10。
• 所产氩气中³⁹Ar活度至少比大气氩低100倍，实测浓度低于大气³⁹Ar水平的0.65%。
• 该装置实现了每日0.5公斤低放射性氩气的持续生产速率，系统升级后工作因子超过30%。
• 截至2012年3月底，总氩气产量达85.8公斤，证明了在目标规模下长期运行的可行性。
• 加装水汽捕集器与系统改进后，设备故障率显著降低，可靠性与运行时间大幅提升。
• 该方法成本效益高且可扩展，可为未来暗物质与中微子实验生产数百公斤的超低本底氩气。