[论文解读] Measurement of Neutron Background at the Pyhasalmi mine for CUPP Project, Finland

J. N. Abdurashitov, В. Н. Гаврин+5 more|ArXiv.org|Jul 20, 2006

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究在芬兰Pyhäsalmi矿井内多个深度（400–1410 m）测量了低能中子背景，采用基于液态闪烁体和³He正比计数器的定制中子谱仪。主要结果是在从热中子到25 MeV的能量范围内实现了中子通量的详细测量，结果显示随着深度增加，由于U/Th衰变链和μ子诱导的散裂作用，中子通量显著上升，在1410 m深度处0–1.5 MeV能量范围内的通量达到最高值42.2 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹。

ABSTRACT

A natural neutron flux is one of significant kind of background in high-sensitive underground experiments. Therefore, when scheduling a delicate underground measurements one needs to measure neutron background. Deep underground the most significant source of neutrons are the U-Th natural radioactive chains giving a fission spectrum with the temperature of 2-3 MeV. Another source is the U-Th alpha-reactions on light nuclei of mine rock giving neutrons with different spectra in the 1-15 MeV energy region. Normal basalt mine rocks contain 1 ppm g/g of U-238 and less. Deep underground those rocks produce natural neutron fluxes of 10^{-7} - 10^{-6} cm^{-2}s^{-1} above 1 MeV. To measure such a background one needs a special techniques. In the Institute for Nuclear Research, Moscow, the neutron spectrometer was developed and built which is sensitive to such a low neutron fluxes. At the end of 2001 the collection of neutron data at the Pyhasalmi mine was started for the CUPP project. During 2002 the background and rough energy spectra of neutron at underground levels 410, 660, 990 and 1410 m were measured. The result of the measurement of the neutron background at different levels of the Pyhasalmi mine is presented and discussed. Data analysis is performed in different energy ranges from thermal neutrons up to 25 MeV and above.

研究动机与目标

• 测量深地下的中子背景通量，以支持对灵敏度要求高的物理实验。
• 评估天然U/Th放射性衰变链和μ子诱导的散裂对中子背景的贡献。
• 验证低本底中子谱仪在真实地下环境中的性能表现。
• 为未来地下实验（如中微子和暗物质探测）的背景建模提供实测数据。

提出的方法

• 采用液态有机闪烁体与三个光电倍增管耦合，并配备19个³He正比计数器，构建中子谱仪。
• 通过闪烁体中质子反冲产生的荧光脉冲探测快中子，随后通过³He(n,p)³He反应产生延迟电荷脉冲。
• 利用闪烁体荧光脉冲与³He计数器信号之间的符合技术，有效抑制伽马射线本底。
• 数据采集采用两个独立通道：一个用于PMT信号，一个用于中子计数器信号，通过前置放大器优化信噪比。
• 通过闪烁体脉冲幅度重建中子能量，并对探测器效率和死时间进行修正。
• 通过从总计数中减去相关背景事件计算通量，包含统计误差和系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Pyhäsalmi矿井的不同深度，中子通量如何随能量变化？
• RQ2 U/Th衰变链和μ子诱导的散裂在不同深度对中子背景的贡献如何？
• RQ3 该谱仪在深地条件下检测并区分低通量中子的能力如何？
• RQ4 中子通量如何随深度变化？特定深度的异常现象由哪些因素解释？
• RQ5 高能中子（>25 MeV）的贡献如何？其产生机制是什么？

主要发现

• 在1410 m深度，0–1.5 MeV能量范围内的中子通量达到42.2 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹，为测得的最高值，可能源于花岗岩壁涂层中U/Th污染水平升高。
• 在1410 m深度，1.5–3 MeV能量范围内的通量为10.5 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹，表明通量随深度显著增加，与放射性成因中子产生增强一致。
• 在400 m深度观察到25 MeV以上中子的显著过量，归因于铅屏蔽中μ子诱导的强子簇射。
• 在6–12 MeV能量范围内，所有深度的通量均低于0.7 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹，其中1410 m深度的最高值为3.3 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹。
• 在3–6 MeV能量范围内，通量为1.9–3.0 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹，随深度增加而上升，与放射性成因中子产生一致。
• 对于能量小于1.5 MeV的中子，通过从³He计数器读数中扣除快中子贡献后推导出通量，在660 m深度测得20.8 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹，不确定度为1.6 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹。