[论文解读] Monitoring Reactor Anti-Neutrinos Using a Plastic Scintillator Detector in a Mobile Laboratory

John L. Carroll, J. P. Coleman+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 16被引用 6

一句话总结

本论文展示了一款基于挤出塑料闪烁体和滨松MPPC的紧凑型、可移动反中微子探测器，部署于英国威尔法镁氧堆的20英尺国际标准集装箱内。在反应堆启动27小时后，成功观测到反β衰变候选事例的3σ过剩，证明了使用坚固、非液态闪烁体技术实现自主、非侵入式反应堆监控在保障应用中的可行性。

ABSTRACT

Technology developed for the T2K electromagnetic calorimeter has been adapted to make a small footprint, reliable, segmented detector to characterise anti-neutrinos emitted by nuclear reactors. The device has been developed and demonstrated by the University of Liverpool and underwent field tests at the Wylfa Magnox Reactor on Anglesey, UK. It was situated in a 20\,ft ISO shipping container, above ground, roughly 60\,m from the 1.5\,\GWt\ reactor core. Based on the design of the T2K Near Detector ECal, the device detects anti-neutrinos through the distinctive delayed coincidence signal of inverse $β$-decay interactions using extruded plastic scintillator and Hamamatsu Multi-Pixel Photon Counters.

研究动机与目标

• 开发一种适用于民用核电站部署的紧凑、安全且便携的反中微子探测器。
• 证明使用塑料闪烁体和MPPC技术在真实世界、非实验室环境中探测反应堆反中微子的可行性。
• 验证探测器在反应堆运行期间观测到统计显著的反中微子信号的能力，从而实现对反应堆功率和燃料燃耗的非侵入式监测。
• 通过确保设备为非液态、坚固且可轻松部署于标准海运集装箱，满足国际保障要求。
• 为未来大规模部署反中微子探测器以实现连续、自动化的反应堆监测奠定基础。

提出的方法

• 探测器使用挤出塑料闪烁体棒，通过滨松多像素光子计数器（MPPCs）读出带电粒子产生的电离信号。
• 通过延迟符合信号识别逆β衰变（IBD）相互作用：先检测到一个瞬时正电子信号，随后是钆对中子的延迟捕获信号。
• 探测器安置于20英尺国际标准集装箱内，提供机械坚固性和辐射屏蔽，部署于距离威尔法反应堆堆芯60米处。
• 通过脉冲波形分析实现中子-γ鉴别，其性能通过掺钆闪烁体层得到增强。
• 数据获取与分析实时进行，候选事例依据能量和时间标准筛选，以匹配IBD特征。
• 通过反应堆关闭期间背景率的泊松分布推导出p值，评估统计显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于无毒、固态闪烁体技术的紧凑型、可移动反中微子探测器，能否在距离1.5 GWth反应堆堆芯60米处可靠探测到反应堆反中微子？
• RQ2 该探测器是否具备足够的中子-γ鉴别能力和信号识别能力，可在商业核电站环境中区分IBD事例与本底？
• RQ3 探测器能否在反应堆运行期间实现统计显著的反中微子过剩检测，并具备适用于保障监测的时间分辨率？
• RQ4 在更近距离（如45米）时，探测器的预期性能如何？是否能在单日内实现3σ显著性？
• RQ5 探测器的设计与材料在多大程度上能满足在民用核电设施中部署的安全性、运行性和法规要求？

主要发现

• 探测器在反应堆启动27小时内实现了3σ显著性，观测到反中微子候选事例的过剩，证实了IBD信号的探测。
• 15小时后达到1σ显著性，24小时后达到2σ显著性，表明在反应堆运行期间信号明显且持续增强。
• 反应堆开启期间观测到的候选事例率为203.7 ± 19.6起/天，与60米距离处1.5 GWth反应堆堆芯的预期通量一致。
• 在预测的45米距离下，基于1亿次伪实验，预计24小时内可达到4.4σ显著性，表明在更近距离下具有极强的可探测性。
• 探测器表现出有效的中子-γ鉴别能力，反应堆关闭期间的本底率为171.6 ± 13.1起/天，与统计预期高度一致。
• 该装置由无毒、高闪点材料制成，并安置于标准ISO集装箱内，证明其坚固可靠，适用于商业核电站的地面自主运行。