[论文解读] Radon and material radiopurity assessment for the NEXT double beta decay experiment

S. Cebrián, J. Pérez+69 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 21被引用 7

一句话总结

本文针对卡夫朗地下实验室的NEXT无中微子双贝塔衰变实验，开展了材料和氡水平的全面放射纯度评估。通过超低本底HPGe谱仪、GDMS和ICPMS分析，识别出适用于屏蔽、容器和探测器组件的超纯材料；同时，通过原位氡测量优化了抑制策略，采用高流量氮气冲洗实现氡活度降低10倍，对实现8×10⁻⁴ counts keV⁻¹kg⁻¹y⁻¹的目标本底水平至关重要。

ABSTRACT

The Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT), intended to investigate the neutrinoless double beta decay using a high-pressure xenon gas TPC filled with Xe enriched in 136Xe at the Canfranc Underground Laboratory in Spain, requires ultra-low background conditions demanding an exhaustive control of material radiopurity and environmental radon levels. An extensive material screening process is underway for several years based mainly on gamma-ray spectroscopy using ultra-low background germanium detectors in Canfranc but also on mass spectrometry techniques like GDMS and ICPMS. Components from shielding, pressure vessel, electroluminescence and high voltage elements and energy and tracking readout planes have been analyzed, helping in the final design of the experiment and in the construction of the background model. The latest measurements carried out will be presented and the implication on NEXT of their results will be discussed. The commissioning of the NEW detector, as a first step towards NEXT, has started in Canfranc; in-situ measurements of airborne radon levels were taken there to optimize the system for radon mitigation and will be shown too.

研究动机与目标

• 通过严格评估材料放射纯度，实现NEXT无中微子双贝塔衰变实验的超低本底条件。
• 识别并认证适用于屏蔽、压力容器、电场笼和探测器组件的超纯材料。
• 测量并抑制卡夫朗地下实验室的空气中氡水平，以减少本底干扰。
• 在探测器调试前，通过氮气冲洗和密封策略优化氡抑制系统。
• 利用HPGe、GDMS和ICPMS获得的定量放射纯度数据，为NEXT-100的本底模型提供支持。

提出的方法

• 在卡夫朗地下实验室2450米水当量深度，使用p型轴向高纯锗（HPGe）探测器配合铜和铅屏蔽，进行了超低本底高纯锗γ谱测量。
• 通过辉光放电质谱法（GDMS）和电感耦合等离子体质谱法（ICPMS）对铀、钍和钾浓度进行补充材料放射纯度分析。
• 在铅城堡的不同运行状态下，使用AlphaGuard和基于微MOMAS的定制氡检测器进行原位氡测量。
• 通过顺序氮气冲洗和不同氮气流量（180–900 L/h）测试氡抑制策略，评估其对氡浓度的影响。
• 使用NaI(Tl)闪烁体实时监测γ本底率，以关联氡水平与屏蔽效果。
• 利用GEANT4模拟估算每个样品在HPGe测量中的探测效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 用于NEXT探测器组件（包括屏蔽、压力容器和读出平面）的关键材料的放射纯度水平如何？
• RQ2 在卡夫朗地下实验室的铅城堡内，氮气冲洗和密封策略在降低空气中氡水平方面的有效性如何？
• RQ3 残余氡和材料放射性对NEXT-100实验整体本底模型的贡献如何？
• RQ4 超低本底HPGe谱仪、GDMS和ICPMS能否提供一致且可靠的放射纯度数据以支持探测器建造？
• RQ5 为实现8×10⁻⁴ counts keV⁻¹kg⁻¹y⁻¹的所需本底水平，最优的氡抑制策略是什么？

主要发现

• 放射纯度筛选识别出CuA1（ETP）铜和翻新的OPERA铅为合适材料，210Pb活度测量值为（76.4 ± 8.6）Bq/kg，与标称值80 Bq/kg一致。
• 熔炼和再加工后，OPERA铅未检测到污染，验证了其在屏蔽结构中的适用性。
• 密封铅城堡后，γ本底率从59.56 Hz降至1.089 Hz，降低两个数量级。
• 高流量氮气冲洗（900 L/h）使城堡内氡活度从约70 Bq/m³降至4 Bq/m³，实现17.5倍的降低。
• 在高流量氮气冲洗下，城堡内氡活度降至AlphaGuard探测器的检测限，表明抑制效果显著。
• 密封与高流量氮气冲洗相结合最为有效，使氡水平对环境波动不敏感。