[论文解读] Monitoring of the thermal neutron flux in the LSM underground laboratory

S. Rozov, E. Armengaud+43 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2010

Nuclear Physics and Applications被引用 14

一句话总结

本研究在深地下的 LSM 实验室中，利用充 ³He 的正比计数器实现了对热中子通量的连续、高精度监测。报告了在 EDELWEISS-II 实验附近每日平均通量为 3.57 × 10⁻⁶ 个中子/cm²/sec，不同位置之间的通量变化超过三倍，且在日或周时间尺度上未观测到显著的时间波动。

ABSTRACT

This paper describes precise measurements of the thermal neutron flux in the LSM underground laboratory in proximity of the EDELWEISS-II dark matter search experiment together with short measurements at various other locations. Monitoring of the flux of thermal neutrons is accomplished using a mobile detection system with low background proportional counter filled with $^3$He. On average 75 neutrons per day are detected with a background level below 1 count per day (cpd). This provides a unique possibility of a day by day study of variations of the neutron field in a deep underground site. The measured average 4$π$ neutron flux per cm$^{2}$ in the proximity of EDELWEISS-II is $Φ_{MB}=3.57\pm0.05^{stat}\pm0.27^{syst} imes 10^{-6}$ neutrons/sec. We report the first experimental observation that the point-to-point thermal neutron flux at LSM varies by more than a factor two.

研究动机与目标

• 在深地下的 LSM 实验室中以高精度测量并监测热中子通量。
• 评估中子通量在日和周时间尺度上的时间稳定性。
• 研究 LSM 实验室内不同位置之间热中子通量的空间变化。
• 为 LSM 未来新一代暗物质实验和双贝塔衰变实验的本底特征提供支持。
• 验证 ³He 正比计数器在地下环境中用于低本底、高灵敏度中子通量监测的适用性。

提出的方法

• 使用便携式充 ³He 正比计数器（CHM-57）通过 n + ³He → T + p 反应探测热中子。
• 探测器配备聚四氟乙烯和铜层，以抑制铀/钍子核产生的 α 衰变本底。
• 利用电荷灵敏前置放大器和 12 位 ADC 获取能谱，脉冲幅度分析聚焦于 660–830 keV 区域。
• 使用经聚乙烯慢化后的 PuBe 中子源进行校准，以模拟热中子响应。
• 在 LSM 的 10 个不同位置进行测量，包括 EDELWEISS-II、NEMO-3 和控制室附近。
• 对时间序列数据进行统计分析，采用 χ² 检验评估 3 小时、每日和每周间隔内通量的恒定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LSM 深地实验室内不同位置之间，热中子通量的空间分布如何？
• RQ2 在固定位置，热中子通量在短时间尺度（3 小时、日、周）内是否稳定？
• RQ3 在 EDELWEISS-II 暗物质实验附近，绝对热中子通量是多少？
• RQ4 材料成分和含水量在多大程度上影响局部中子通量的变化？
• RQ5 基于 ³He 的探测器是否具备足够的灵敏度和低本底，以实现对热中子的连续、逐日监测？

主要发现

• 在 EDELWEISS-II 实验附近的平均热中子通量为 Φ_MB = 3.57 × 10⁻⁶ 个中子/cm²/sec，统计不确定度和系统不确定度分别为 ±0.05 和 ±0.27 × 10⁻⁶。
• LSM 实验室内不同位置之间的热中子通量变化超过三倍，最高通量（6.6 × 10⁻⁶ cm⁻²s⁻¹）出现在靠近实验室墙壁的位置。
• 在任何位置均未观测到 3 小时、日或周时间间隔内中子通量的显著时间波动，χ²/ndf 值与恒定通量一致。
• 探测器实现了每日 75 次计数的计数率，本底水平低于每日 1 次，从而实现了高精度监测。
• 系统不确定度主要由探测器灵敏度（6.2%）和有效体积（4.6%）主导，总系统误差估计为 7.7%。
• 本研究首次在深地实验场所观测到点对点热中子通量变化超过两倍的现象。