プラスチックシンチレータを用いた 原子炉ニュートリノ検出器の開発 2010/12/04 長岡技術科学大学 第３９回日本物理学会新潟支部例会 2010/12/04　長岡技術科学大学 第３９回日本物理学会新潟支部例会 新潟大自然A,新潟大B,日歯大新潟C 高橋克幸A, 宮田等B,小野裕明C, 宮本賀透A, 石田恭平B

目的 原子炉由来の反電子ニュートリノを観測することで、 原子炉内の状態をモニターする。 一般的な原子炉ニュートリノ検出器には、 大型化が必要なため可燃性の液体シンチレータが使用される。 安全性の面から、液体シンチレータを 原子炉近傍に設置することは難しいと考えられる。 難燃性のプラスチックシンチレータを用いた検出器であれば、 比較的安全である。 　　→原子炉近傍に設置できる可能性がある。 原子炉のより近くに検出器を設置することで、 検出器に到達するニュートリノのフラックスの増加が期待できる 　　　　→電気出力1GWの原子炉の場合、 　　　　　　1トン(1m3)の体積の検出器を20m離れた位置に設置すると 　　　　　　１日当たり約5000ニュートリノイベントが期待できる

熱中性子吸収断面積の大きなガドリニウム（155,157Gd）を使用 原子炉由来のニュートリノの検出方法 逆ベータ崩壊反応からの二つの信号で遅延同時計測を行い、 ニュートリノを検出する 　　→バックグラウンドを強く低減できる e+ + e- → 2γ (ΣEγ=1.02MeV) n + Gd → Gd + γ (ΣEγ～8MeV) 原子 熱中性子断面積[barn] １０ホウ素(10B) 3837 ６リチウム(6Li) 940 ３ヘリウム(3He) 5333 ガドリニウム(Gd) 48870 平均中性子 捕獲時間 τ 平均中性子捕獲時間τ Gd含有液体シンチレータ（質量比0.1%）：τ ～ 30μs 熱中性子吸収断面積の大きなガドリニウム（155,157Gd）を使用 1. 二次信号になる中性子を効率的に検出 2. 高いエネルギーのガンマ線を放出する

プラスチックシンチレータを用いた 原子炉ニュートリノ１トン検出器モデル 細分化することで宇宙線の信号を分離 プラスチックシンチレータ中の陽子には ・原子炉ニュートリノの標的 ・中性子の減速材 としての役割がある。

… 試作検出器の構造 2インチ光電子増倍管 宇宙線 veto 検出器 反射材 白：ホウ素入りポリエチレンブロック ガドリニウムペイントシートを以下のように挿入 (Gd添加量が重量比:1.5%に 　対応) … 反射材 線源 　白：ホウ素入りポリエチレンブロック 　　　→環境中性子バックグラウンドの除去 　灰色：鉛ブロック 　　　→自然放射線の除去 Gd ペイントシート シンチレータ （18cm ×18cm×2mm）

60Co線源を用いたエネルギーの較正 60Co線源からのガンマ線（Eγ=1.17, 1.33MeV） のコンプトンエッジで検出器の較正を行った。 　* Repic製 RPV-171 16ch CS ADC 　　　 → フルスケールが4000カウント 60Coを用いた測定のADC分布 ・ エッジの値は60Coの 平均エネルギーの1.25MeVとした。 ・コンプトンエッジは検出器分解能から 不明瞭なためエッジ部の高さの半分の位置でのADCカウントを用いた ・10MeV程度の信号までADCフルスケールに 入るようにPMT印加電圧を調整した。 　　　として較正を行った。 400カウント/1.25MeV

241Am/Be線源を用いたニュートリノ疑似イベント 241Am → 237Np + α 12C* → 12C + γ (Eγ=4.43MeV) α + 94Be → 126C* + n 平均中性子捕獲時間 τ 中性子～230個/s n + Gd → Gd + γ (ΣEγ～8MeV) 一次、二次信号による遅延同時計測を行うことで、 ニュートリノ疑似イベントの観測を行う。

１次信号と２次信号の時間差（Δt）をTDCで測定する。 遅延同時計測 １次信号と２次信号の時間差（Δt）をTDCで測定する。

測定セットアップ HVA,B =( -2300V, -2100V), threthold = -50mV HVveto = -2400V, thretholdveto = -30mV ADC Gate = 150ns TDCとの同期幅 = 50μs 測定時間 = 12 時間 一次信号 二次信号

疑似ニュートリノイベントの選別 同期信号から更にニュートリノイベントらしい信号を選別する。 一次信号 : 4.43 MeVのγ線 エネルギーカットにより信号事象の選別、バックグラウンド事象の除去を行う。 一次信号 二次信号 一時信号V.S.二次信号 一次信号：4.43MeVのガンマ線 4 MeV付近にコンプトンエッジが観測された 二次信号：合計8MeVの複数本のガンマ線 コンプトンエッジや全吸収ピークは観測されないため 高いエネルギー損失をしたイベントを中性子吸収信号と して選択する。 一次信号 2MeV < Ep < 7MeV 二次信号 1.5MeV < Ed

検出器内ガドリニウム含有量の調整 Gd (重量比1.5%) Gd (重量比0.7%) Gd (重量比0.3%) Gd (重量比0.1%) 検出器内のガドリニウム含有量を調整して、中性子捕獲時間の変化を測定する。 Gd (重量比1.5%) Gd (重量比0.7%) Gd (重量比0.3%) プラスチックシンチレータ ２枚ごとに Gdペイントシート１枚 プラスチックシンチレータ ３枚ごとに Gdペイントシート１枚 Gd (重量比0.1%) Gd (重量比0.05%) Gd (重量比0.0%)

平均中性子捕獲時間のガドリニウム含有量依存性 2つの信号の時間差Δt分布を 指数関数でフィットし、 平均中性子捕獲時間τを求めた。 一次信号と二次信号の時間差 平均中性子吸収時間τ　[μs] f = P0e-t/τ ガドリニウム含有量[%/W] プラスチックシンチレータ中のガドリニウムの含有量の 増加に応じて、平均中性子捕獲時間が短くなる傾向がある。

簡易検出器モデルでのシミュレーション シミュレータ：Geant4 Version : 4.9.3 Physics List : QGSP_BERT_HP date base : G4NDL3.13 入射粒子：中性子、運動エネルギー：4MeV、10000個 10m 10m 吸収体は一様にGd（0.1%/W） の混ざっているプラスチック シンチレータ（CH標的）と仮定 10m 中心で中性子を発生

実験値とシミュレーションとで傾向が一致している。 平均中性子捕獲時間の分布 ○シミュレーション値 ○実験値 Gd [%/W] 平均中性子捕獲時間 [μs] 実験値 シミュレーション値 0.0 139.5±70.1 281.7±4.4 0.05 77.1±19.6 45.5±0.6 0.1 35.1±2.7 25.1±0.5 0.7 12.1±0.2 4.8±0.1 1.5 8.9±0.2 3.3±0.1 平均中性子捕獲時間τ　[μs] ガドリニウム含有量[%/W] 実験値とシミュレーションとで傾向が一致している。

まとめ 今後の展望 １．プロトタイプ検出器を作成し、遅延同時計測を行い、 ニュートリノ擬似イベントを測定した。 　　ニュートリノ擬似イベントを測定した。 ２．平均中性子捕獲時間の検出器内のガドリニウム含有量依存性を測定した。 ３．簡易検出器モデルでガドリニウム含有量依存性のシミュレーションを行い、 　　実験結果を再現するような傾向が得られた。 今後の展望 シミュレーションで実験と同様の検出器構造を作成する 実験に用いた検出器のガドリニウム依存性を再現する 検出器を大型化した場合の検出性能について、シミュレーションで検証する プロトタイプ検出器の光電子増倍管読み出し数を増やすことで、 エネルギー分解能の改善を試みる