[论文解读] Measurements of Radon Concentrations Using CR-39 Detectors in China JinPing Underground Laboratory (2015-2016)

Cuihong Liu, Hao Ma+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2018

Radioactivity and Radon Measurements参考文献 13被引用 3

一句话总结

本研究于2015年5月至2016年3月期间，使用CR-39固体核径迹探测器对中国的锦屏地下实验室（CJPL）的氡浓度进行了测量，该方法为被动式、时间积分检测法。结果显示，由于有效的通风，主实验厅的年均氡浓度达到（58±10）Bq·m⁻³；而在未通风的储物隧道中，氡浓度达到（345±15）Bq·m⁻³，表明其为自然本底水平；这些数值与其他国际地下实验室相比处于中等水平，适合开展低本底实验。

ABSTRACT

Radon background is one of the most critical influences on the ultra-low background and rare-event physical experiments in underground laboratories. To conduct a comprehensive investigation of the radon concentrations in China JinPing underground Laboratory (CJPL), long-term cumulative measurements were carried out using time-integrated passive radon dosimeters containing CR-39 solid-state nuclear track detectors at four sites of CJPL-I. The measurements lasted from May 30,2015 to March 16,2016, a total of 290 days, and the total effective measurement time is 6,953 hours. In the main experiment hall equipped with the ventilation system, the average annual radon concentrations were (55+/-7) Bq m^-3, (58+/-10) Bq^m-3and (53+/-9) Bq m^-3 in three locations respectively. In the storage tunnel without any radon reduction facility, the average annual radon concentrations increased to (345+/-15) Bq m^-3, reflecting the original average annual radon concentration levels in the underground laboratory. Compared with the measured results in the period from 2010 to 2011, the average radon concentration in the main experimental hall was reduced from (86+/-25) Bq m^-3 to (58+/-10) Bq m^-3 due to the well-running ventilation system. Compared with other international underground laboratories, radon concentrations in CJPL-I were at an intermediate level and can meet the demand for low background and rare-event physical experiments.

研究动机与目标

• 评估中国锦屏地下实验室（CJPL）长期氡本底水平，以支持超低本底及稀有事例物理实验。
• 评估通风系统在降低主实验厅氡浓度方面的有效性。
• 建立未通风区域（如储物隧道）的氡本底水平，以了解地下环境中天然氡的排放情况。
• 将CJPL的氡水平与其他国际地下实验室进行比较，评估其在敏感实验中的适用性。

提出的方法

• 在CJPL-I内四个不同位置部署CR-39固体核径迹探测器，采用被动式、时间积分的氡检测方法。
• 探测器暴露时间为290天（2015年5月30日至2016年3月16日），累计有效时间为6,953小时。
• 通过轨迹计数与分析，根据记录的α粒子轨迹数量确定氡浓度。
• 在通风与未通风区域进行测量，以比较不同环境控制条件下的氡浓度。
• 应用误差传播的统计分析方法，报告带有不确定度的浓度值（例如，58±10 Bq·m⁻³）。
• 将结果与以往测量（2010–2011年）及国际标准进行比对，以评估趋势与性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 CJPL-I主实验厅的长期平均氡浓度是多少？其在通风条件下的变化情况如何？
• RQ2 在未通风的地下区域（如储物隧道）中，天然氡本底水平是多少？
• RQ3 与通风前水平相比，CJPL-I的通风系统在多大程度上降低了氡浓度？
• RQ4 与其他国际地下实验室相比，CJPL-I的氡浓度在本底水平方面表现如何？
• RQ5 CJPL-I当前的氡水平是否足以支持未来的超低本底及稀有事例物理实验？

主要发现

• 配备通风系统的主实验厅，年均氡浓度测量值为（58±10）Bq·m⁻³。
• 在未通风的储物隧道中，年均氡浓度达到（345±15）Bq·m⁻³，代表了地下环境中天然本底水平。
• 通风系统使主厅的氡浓度从2010–2011年的（86±25）Bq·m⁻³显著降低至（58±10）Bq·m⁻³，证明了其有效缓解作用。
• CJPL-I测得的氡浓度与其他国际地下实验室相比处于中等水平，适合开展低本底实验。
• 结果证实，CJPL-I当前的氡本底水平在可接受范围内，适用于暗物质探测与中微子探测等稀有事例物理实验。