[论文解读] Study on cosmogenic activation in copper for rare event search experiments

Ze She, Zhi Zeng+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 46被引用 7

一句话总结

本研究测量了在海拔2469.4米处暴露于宇宙射线504天的氧自由高电导率（OFHC）铜中宇宙成因活化的情况，确定了54Mn、56Co、57Co、58Co和60Co等关键放射性核素的生成速率。通过低本底伽马谱仪和基于Geant4的蒙特卡罗模拟，量化了高纯锗探测器中的本底贡献，发现60Co是长期本底的主要来源，并建议通过减少地面暴露时间或采用地下电化学成形工艺来抑制稀有事例实验中宇宙成因活化的影响。

ABSTRACT

The rare event search experiments using germanium detectors are performed in the underground laboratories to prevent cosmic rays. However, the cosmogenic activation of the cupreous detector components on the ground will generate long half-life radioisotopes and contribute continually to the expected background level. We present a study on the cosmogenic activation of copper after 504 days of exposure at an altitude of 2469.4 m outside the China Jinping Underground Laboratory (CJPL). The specific activities of the cosmogenic nuclides produced in the copper bricks were measured using a low background germanium gamma-ray spectrometer at CJPL. The production rates at sea level, in units of nuclei/kg/day, are 18.6 \pm 2.0 for Mn-54, 9.9 \pm 1.3 for Co-56, 48.3 \pm 5.5 for Co-57, 51.8 \pm 2.5 for Co-58 and 39.7 \pm 5.7 for Co-60, respectively. Given the expected exposure history of the germanium detectors, a Monte Carlo simulation is conducted to assess the cosmogenic background contributions of the detectors' cupreous components.

研究动机与目标

• 测量在高海拔暴露于宇宙射线的OFHC铜中宇宙成因活化的程度，以评估稀有事例实验中的本底贡献。
• 确定在宇宙射线照射下，54Mn、56Co、57Co、58Co和60Co等长寿命放射性核素在铜中的精确生成速率。
• 评估在CDEX实验中使用的p型点接触高纯锗（PPC）探测器中，铜部件带来的宇宙成因本底贡献。
• 将实测生成速率与蒙特卡罗模拟结果及已有文献模型进行比较，以验证并优化本底预测。
• 识别有效的缓解策略，如减少地面暴露时间或采用地下电化学成形，以降低超低本底实验中铜引起的宇宙成因本底。

提出的方法

• 将16块OFHC铜块（总质量142.5 kg）在海拔2469.4米处暴露于宇宙射线504天，实验位于中国锦屏地下实验室（CJPL）外部。
• 利用中国锦屏地下实验室（CJPL）的低本底高纯锗伽马射线谱仪（GeTHU）测量宇宙成生成放射性核素的比活度，能量范围100–2700 keV，本底率为每天732计数。
• 采用线性本底假设进行谱分析以提取净峰面积，各放射性核素的探测效率通过Geant4.10.06模拟。
• 应用指数衰减模型 A = R(1−e−λt) + A₀e−λt 推导生成速率R，假设长寿命核素初始活度为零（A₀ = 0）。
• 利用SAGE框架进行蒙特卡罗模拟，以模拟PPCGe探测器阵列中的本底谱，将放射性核素在铜部件中均匀分布。
• 将实测生成速率与模拟结果及已有文献数据进行比较，以评估一致性并识别差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在海拔2469.4米处暴露于宇宙射线的OFHC铜中，54Mn、56Co、57Co、58Co和60Co的生成速率是多少？
• RQ2 实测生成速率与蒙特卡罗模拟及以往研究预测的速率相比如何？
• RQ3 铜部件中宇宙成生成放射性核素对CDEX实验所用高纯锗探测器总本底的贡献有多大？
• RQ4 在低能区（2–4 keV）和2039 keV（无中微子双贝塔衰变能区）中，哪种宇宙成生成核素主导本底？
• RQ5 在稀有事例实验中，哪种缓解策略最有效，可降低铜引起的宇宙成因本底？

主要发现

• 在海平面，54Mn在铜中的生成速率为18.6±2.0个核素/(kg·天)。
• 在海平面，56Co的生成速率为9.9±1.3个核素/(kg·天)。
• 在海平面，57Co的生成速率为48.3±5.5个核素/(kg·天)。
• 在海平面，58Co的生成速率为51.8±2.5个核素/(kg·天)。
• 在海平面，60Co的生成速率为39.7±5.7个核素/(kg·天)。
• 模拟本底速率在2–4 keV能量区间为7.17×10⁻² cpkty，在2039 keV附近为1.82×10⁻³ cpkty，其中57Co主导122 keV以下本底，54Mn主导830 keV以下本底，60Co主导高能区本底。