[论文解读] Gamma Ray Spectrum from Thermal Neutron Capture on Gadolinium-157

K. Hagiwara, T. Yano+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2018

Nuclear Physics and Applications参考文献 36被引用 8

一句话总结

本研究提出了一种关于富集157Gd热中子俘获的伽马射线能谱的精确模型，结合了测量的高能峰（最高达8 MeV）与理论核态密度及光子强度函数输入的连续谱。该模型通过Geant4蒙特卡罗模拟验证，并利用60Co、137Cs、152Eu和35Cl(n,γ)源进行标定，在14台HPGe探测器中实现了低于10%的符合度，使超级神冈中微子探测器中的中子标记得以精确实现。

ABSTRACT

We have measured the $γ$-ray energy spectrum from the thermal neutron capture, ${}^{157}$Gd$(n,γ){}^{158}$Gd, on an enriched $^{157}$Gd target (Gd$_{2}$O$_{3}$) in the energy range from 0.11 MeV up to about 8 MeV. The target was placed inside the germanium spectrometer of the ANNRI detector at J-PARC and exposed to a neutron beam from the Japan Spallation Neutron Source (JSNS). Radioactive sources ($^{60}$Co, $^{137}$Cs, and $^{152}$Eu) and the reaction $^{35}$Cl($n$,$γ$) were used to determine the spectrometer's detection efficiency for $γ$ rays at energies from 0.3 to 8.5 MeV. Using a Geant4-based Monte Carlo simulation of the detector and based on our data, we have developed a model to describe the $γ$-ray spectrum from the thermal ${}^{157}$Gd($n$,$γ$) reaction. While we include the strength information of 15 prominent peaks above 5 MeV and associated peaks below 1.6 MeV from our data directly into the model, we rely on the theoretical inputs of nuclear level density and the photon strength function of ${}^{158}$Gd to describe the continuum $γ$-ray spectrum from the ${}^{157}$Gd($n$,$γ$) reaction. Our model combines these two components. The results of the comparison between the observed $γ$-ray spectra from the reaction and the model are reported in detail.

研究动机与目标

• 测量从0.11至8 MeV范围内热中子俘获在157Gd上的完整伽马射线能量谱。
• 开发一种结合实验数据与理论核结构输入的精确伽马射线能谱模型。
• 在宽能量范围和立体角内，对高纯锗光谱仪（ANNRI）的探测效率进行标定与验证。
• 实现大型中微子探测器（如超级神冈）中中子标记的精确蒙特卡罗模拟。
• 通过改进伽马射线级联能量沉积的建模，支持非闭合式反中微子监测器。

提出的方法

• 利用在J-PARC的ANNRI探测器中使用的富集157Gd2O3靶，测量了157Gd(n,γ)的伽马射线谱。
• 使用放射性源（60Co、137Cs、152Eu）和35Cl(n,γ)反应，将HPGe探测器的效率标定于0.3至8.5 MeV范围。
• 采用基于Geant4的蒙特卡罗模拟，以建模探测器响应并优化效率修正。
• 通过卡方最小化方法拟合单峰与符合探测效率，同时考虑死时间与角度相关性修正。
• 将15个显著的高于5 MeV的伽马射线峰及其关联的低能峰直接从数据中引入，而连续谱则通过158Gd的理论光子强度函数和态密度进行建模。
• 通过比较模拟谱（M2H2、M3H3）与实测数据验证模型，在所有晶体检测量对中均实现了<10%的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 从0.11 MeV到8 MeV，热中子俘获在157Gd上的完整伽马射线能量谱是什么？
• RQ2 能否利用Geant4模拟在宽能量范围和立体角内精确建模探测器的光峰效率？
• RQ3 实测的157Gd(n,γ)谱与结合实验峰和理论连续谱的混合模型之间的符合程度如何？
• RQ4 该模型在多峰相关谱（如M2H2、M3H3）的再现能力如何，是否与级联发射物理一致？
• RQ5 该模型能否支持超级神冈等切伦科夫中微子探测器中可靠的中子标记？

主要发现

• 在全部14个HPGe晶体和11个能量点上，数据与模拟效率的加权平均比值在1.0的10%以内。
• 实测与模拟单光峰效率之间的最大偏差约为20%，加权样本标准偏差为6%。
• 7414 keV处的35Cl(n,γ)反应作为归一化参考，与模拟结果完全一致（比值=1）。
• 该模型成功再现了M2H2和M3H3伽马射线谱，其软化趋势与级联发射物理一致。
• 最优死时间修正因子确定为C = 0.225，确保了拟合值与标称活时间的一致性。
• 所有14个晶体合并后的单光峰效率在1.3 MeV处为(1.3 ± 0.1)%，在探测器立体角范围内具有高度均匀性。