[论文解读] Radio-assay of Titanium samples for the LUX Experiment

D. S. Akerib, X. Bai+64 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 15

一句话总结

本文针对LUX暗物质实验液氮杜瓦中的钛样品进行了低本底放射性检测，表明CP-1级钛（ASTM B-265 Grade 1）具有极低的长寿命放射性核素水平——<0.25 mBq/kg 238U，<0.2 mBq/kg 232Th，以及<1.2 mBq/kg 40K，使其非常适合用于稀有事例探测。部分样品中观察到宇宙射线诱发的46 Sc活化，源于μ子引起的散裂反应，但随时间推移活化水平显著降低，证实当钛在低海拔处储存时，其适用于低本底应用。

ABSTRACT

We report on the screening of samples of titanium metal for their radio-purity. The screening process described in this work led to the selection of materials used in the construction of the cryostats for the Large Underground Xenon (LUX) dark matter experiment. Our measurements establish titanium as a highly desirable material for low background experiments searching for rare events. The sample with the lowest total long-lived activity was measured to contain &lt;0.25 mBq/kg of U-238, &lt;0.2 mBq/kg of Th-232, and &lt;1.2 mBq/kg of K-40. Measurements of several samples also indicated the presence of short-lived (84 day half life) Sc-46, likely produced cosmogenically via muon initiated (n,p) reactions.

研究动机与目标

• 确定并筛选适用于大型地下氙（LUX）暗物质实验杜瓦的低放射性钛材料。
• 评估不同钛等级（CP-1与CP-2）的放射纯度，以最小化238U、232Th和40K等长寿命核素带来的本底干扰。
• 评估宇宙射线诱发的活化，特别是通过μ子引起的(n,p)反应在运输和储存过程中产生的46 Sc的影响。
• 确立钛，尤其是CP-1级钛，作为低本底实验中不锈钢或铜的可行替代材料。
• 提供来自多个低本底设施的钛样品的定量放射性检测数据，以支持LUX实验的材料选择。

提出的方法

• 在低本底设施中使用高纯锗（HPGe）伽马射线谱仪对钛样品进行放射性检测：劳伦斯伯克利国家实验室的低本底设施、奥罗维尔计数设施，以及萨乌丹地下实验室的SOLO设施。
• 测量238U、232Th、40K和46Sc核素的伽马射线发射，以确定其在mBq/kg单位下的比活度。
• 对未检测到的核素采用90%置信水平（CL）的上限，对检测到的核素采用±1σ不确定度。
• 对样品（如Ti6和Ti3）进行长达2–3年的长期监测，以追踪半衰期为84天的短寿命46Sc的衰变过程，并评估宇宙射线活化水平。
• 比较不同钛等级（CP-1与CP-2）及不同形态（板、片、线）的放射性水平，以识别活性最低的材料。
• 利用中子能量截面数据（5–20 MeV中子的σ ~ 0.25 barns）评估46Ti通过(n,p)反应生成46Sc的产额，以模拟μ子散裂引起的宇宙射线活化。

实验结果

研究问题

• RQ1 用于杜瓦结构的钛不同等级和形态中，长寿命放射性（238U、232Th、40K）的水平如何？
• RQ2 通过μ子诱发的散裂反应，钛在运输和储存过程中产生的宇宙射线活化对46Sc的贡献有多大？
• RQ3 46Sc活度随时间如何演变？是否可通过储存条件减轻其影响？
• RQ4 CP-1级钛（ASTM B-265 Grade 1）是否具有足够的放射纯度，可适用于LUX等低本底实验？
• RQ5 与传统材料（如不锈钢和铜）相比，钛的放射性检测结果在本底抑制方面表现如何？

主要发现

• CP-1级钛（ASTM B-265 Grade 1）样品表现出最低的长寿命放射性水平，238U <0.25 mBq/kg，232Th <0.2 mBq/kg，40K <1.2 mBq/kg，远低于LUX允许的1 mBq/kg容许限值。
• CP-2级钛的232Th和238U水平显著高于CP-1级，表明其放射纯度具有等级依赖性。
• 在多个样品中检测到宇宙射线诱发的46Sc，活度范围从<0.19 mBq/kg至高达23 mBq/kg，主要源于运输过程中的μ子诱发散裂反应。
• 在海平面储存3年后，Ti6-A样品的46Sc活度已降至不可检测水平，证实宇宙射线活化是暂时性的，可被管理。
• 在高海拔的桑福德地下研究设施（SURF）储存6个月的样品，46Sc活度为4.4 ± 0.3 mBq/kg，表明在高海拔地区存在可测量的宇宙射线活化。
• 本研究证实，钛，尤其是CP-1级钛，由于其本底放射性极低且机械性能优于铜和不锈钢，是低本底实验的极佳材料选择。