王 楨, 何漢濤, 劉書(shū)魁, 林興德, 幸浩洋, 朱敬軍
(1. 四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所 輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610064; 2. 中國(guó)原子能院, 北京 102413; 3.四川大學(xué)物理學(xué)院, 成都 610064)
無(wú)中微子雙β衰變[1]、中微子振蕩[2]、暗物質(zhì)探測(cè)[3]等稀有事例的探測(cè)對(duì)于環(huán)境本底有著苛刻的要求,多數(shù)課題組選擇深地實(shí)驗(yàn)室作為理想實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所. 對(duì)于深地稀有事例探測(cè),中子是環(huán)境本底的重要來(lái)源之一,影響著實(shí)驗(yàn)的精確程度,數(shù)千米的巖石層可有效減少宇宙射線(xiàn)通量以及宇生中子量. 然而,受(α,n)反應(yīng)及238U自發(fā)裂變的影響,實(shí)驗(yàn)選用材料、巖石、混凝土、支撐結(jié)構(gòu)等會(huì)產(chǎn)生大量的中子,這將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差. 中子對(duì)于實(shí)驗(yàn)本底的貢獻(xiàn)主要取決于地下實(shí)驗(yàn)室的深度,宇宙射線(xiàn)在淺層地下實(shí)驗(yàn)室中處于主導(dǎo)地位. 中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(CJPL)[4]的巖石層厚度達(dá)到2 400 m,等效水深6 700 m,是目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室. CJPL位于中國(guó)四川錦屏縣. 中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)課題組(CDEX)致力于采用高純鍺探測(cè)器(PPCGe)用于弱相互作用重粒子(WIMPs)的直接探測(cè). CDEX合作組現(xiàn)已搭建一個(gè)聚乙烯室用于放置CDEX-1A,CDEX-1B和CDEX-10探測(cè)器. 圖1展示了中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的位置.
圖1 中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室布局及實(shí)驗(yàn)室地理位置示意圖
中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室大廳的熱中子通量已通過(guò)3He正比計(jì)數(shù)器測(cè)量[5],熱中子通量為(4.00±0.08)×10-6cm-2·s-1,采用邦納多球中子譜儀測(cè)量了大廳內(nèi)20 MeV以下的中子通量[6]. 能區(qū)1~10 MeV的中子通量受探測(cè)器響應(yīng)以及解譜的限制尚未測(cè)量. 本文采用摻雜0.5% Gd的液體閃爍體探測(cè)器測(cè)量了CJPL聚乙烯室的快中子能區(qū)通量. 文章實(shí)驗(yàn)搭建部分介紹了聚乙烯室內(nèi)探測(cè)器整體結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ). 借助于Geant4模擬,探測(cè)器響應(yīng)部分介紹了能量刻度及探測(cè)器效率. 數(shù)據(jù)處理部分介紹了中子反沖譜的獲取及解譜方法,并計(jì)算了液體閃爍體內(nèi)α本底計(jì)數(shù)率. 本文最后一部分分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果并對(duì)此提出合理解釋.
摻釓液閃(Gd-Ls)中子探測(cè)器用于中子及中微子實(shí)驗(yàn)已有數(shù)十年歷史. 借助于Gd-Ls,Boulby地下實(shí)驗(yàn)室測(cè)量了中子能譜及中子通量[7]. 致力于中微子混合角θ13測(cè)量的大亞灣課題組[8],RENO課題組[9]都在實(shí)驗(yàn)中采用Gd-Ls. 與傳統(tǒng)液體閃爍體相比,摻釓液閃中子探測(cè)器的特性在于優(yōu)良的中子與α粒子的甄別能力. 快中子與原子核的多次彈性散射會(huì)產(chǎn)生大量的反沖核,這些反沖核被DAQ以快信號(hào)的形式所采集. 大約7 μs后,慢化后形成的熱中子被釓所俘獲,反應(yīng)放出一組高能γ射線(xiàn)(E>8 MeV),這一信號(hào)以慢信號(hào)被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄. 信號(hào)的快慢符合用于從本底中篩選中子,尤其是α粒子.
直徑30 cm,長(zhǎng)40 cm的圓柱形摻釓液閃中子探測(cè)器容積為28 L,灌裝有0.5% Gd的EJ-335有機(jī)閃爍體. 圓柱上預(yù)留了小口用于灌裝液閃及防止漏液,石英玻璃容器兩端連接濱松R5912-02光電倍增管,外層纏繞一層聚四氟乙烯用以增加光的反射,提高光收集率,采用無(wú)氧銅作為支撐結(jié)構(gòu).探測(cè)器放置在聚乙烯實(shí)驗(yàn)室的角落,如圖2(b)所示.支撐結(jié)構(gòu)上預(yù)留小孔用于能量刻度實(shí)驗(yàn). 圖2展示了探測(cè)器構(gòu)造和模擬設(shè)計(jì).
圖2 (a) 用于Geant4模擬的Gd-Ls; (b)未搭建聚乙烯板時(shí)的探測(cè)器實(shí)物Fig.2 (a) The design of Gd-Ls for simulation in Geant4; (b) the experiment without PE
圖3顯示了數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DAQ)的流程. 來(lái)自于兩端光電倍增管的信號(hào)與函數(shù)發(fā)生器信號(hào)經(jīng)扇入扇出后,經(jīng)過(guò)閾值甄別插件進(jìn)行邏輯與,函數(shù)發(fā)生器用于記錄死時(shí)間段的脈沖信號(hào),經(jīng)快速模數(shù)轉(zhuǎn)換插件后由采數(shù)電腦收集分析.
137Cs和60Co放射源依次用于能量刻度實(shí)驗(yàn)中.放射源通過(guò)探測(cè)器頂端預(yù)留的小孔懸掛在液閃的中心位置,距離鉛室小口30 cm處. 圖2(a)顯示了用于Geant4模擬的探測(cè)器整體構(gòu)造.對(duì)于雙端液閃探測(cè)器,信號(hào)可定義為一個(gè)與位置無(wú)關(guān)的量.
(1)
公式中,E表示能量,a為常量,Q值表示脈沖波形譜的剔除基線(xiàn)后的積分結(jié)果,0, 1分別代表兩端不同的光電倍增管. 與試驗(yàn)不同的是,模擬結(jié)果中缺少能量分辨率,因而模擬結(jié)果用一高斯函數(shù)做展寬處理. 高斯展寬量σ可有下式導(dǎo)出
(2)
該式中,兩個(gè)參數(shù)α與β分別取0.001, 0.003 5 MeV. 脈沖波形譜的峰值位置作為能量刻度點(diǎn).
圖4 Gd-Ls的能量刻度: 刻度函數(shù)為Q=353.33E+11.94Fig.4 Calibration of Gd-Ls: the result of calibration is Q=353.33E+11.94
Gd-Ls對(duì)不同能量的單能中子探測(cè)效率受能量影響,依據(jù)解譜區(qū)間,選取1~10 MeV能區(qū)內(nèi)的單能中子用于模擬. 單能中子源定義為將探測(cè)器完全包裹的面源,采用與實(shí)驗(yàn)相同的數(shù)據(jù)分析流程,如能量篩選,波形篩選等條件,具體篩選流程參照4.1小節(jié). 圖5顯示了探測(cè)器對(duì)不同單能中子的探測(cè)效率.
圖5 Gd-Ls的單能中子探測(cè)效率Fig.5 Efficiency of Gd-Ls detector of monoenergetic neutrons
中子作為不帶電的中性粒子,在液閃探測(cè)器中能量主要以彈性碰撞損失. 反沖核在液體閃爍體中沉積能量并發(fā)出熒光,通常實(shí)驗(yàn)獲得的為核反沖譜數(shù)據(jù). 中子能譜的重建即從核反沖能譜反推入射中子能譜,中子能譜與核反沖能譜的關(guān)系可由下式導(dǎo)出,
(3)
公式中Nk表示實(shí)驗(yàn)反沖譜中第k個(gè)區(qū)間內(nèi)計(jì)數(shù),Rk(E)為第k種入射單能中子的響應(yīng)矩陣,φ(E)為中子通量,基于多道迭代算法的GRAVEL應(yīng)用于解譜.
j=0, 1, 2, …,J
(4)
液體閃爍體內(nèi)的核反沖信號(hào)與電子反沖信號(hào)在下降沿有明顯的差異,如圖6所示,帶電粒子的波形差異可用于區(qū)分兩種信號(hào),甄別因子DisFactor被定義為下式.
(5)
式中,Qtail為時(shí)間區(qū)間70~200 ns的積分面積,Qtotal為整個(gè)脈沖波形的積分面積,0, 1分別代表不同的光電倍增管信號(hào). 通常,包括中子及α粒子的核反沖信號(hào)的甄別因子大于電子反沖信號(hào)甄別因子.
圖6 核反沖信號(hào)與電子反沖信號(hào)的差異Fig.6 Difference between nuclear recoil signals and electron recoil singals
本底數(shù)據(jù)中篩選核反沖信號(hào)的過(guò)程如下:
(1) 延遲信號(hào)篩選:在摻釓液體閃爍體中,快中子經(jīng)彈性散射慢化后形成熱中子,釓元素對(duì)熱中子有較大俘獲截面,熱中子在俘獲過(guò)程中伴隨高能γ射線(xiàn). 能量篩選的下閾為3 MeV,剔除了環(huán)境中的γ本底,尤其是208Tl釋放的2.6 MeV γ射線(xiàn). 甄別因子上閾為0.12,以此抑制能量高于3 MeV的中子形成的核反沖信號(hào).雙高斯函數(shù)用于計(jì)算此次篩選效率.
(2) 快信號(hào)篩選:圖8顯示了瞬時(shí)-延遲信號(hào)的時(shí)間間隔,時(shí)間窗[2, 40] μs用以扣除殘留的偶然符合事例但保留候選中子事例. 摻釓液閃中子探測(cè)器的閾值為0.23 MeVee,等效入射中子能量1 MeV時(shí)的沉積能量. 甄別因子與時(shí)間間隔篩選的結(jié)果如圖9所示.
(3) 殘留電子反沖事例的扣除:候選中子事例以區(qū)間0.1 MeVee切片,雙高斯函數(shù)用于擬合候選中子事例中的,選取較大甄別因子的高斯峰面積表示中子事例,擬合過(guò)程如圖10所示.
圖7 甄別因子與能量的關(guān)系Fig.7 The relationship of DisFactor and energy
圖8 時(shí)間間隔分布Fig.8 The distribution of time interval
圖9 時(shí)間篩選結(jié)果Fig.9 The results of time discrimination
圖10 雙高斯擬合獲取中子事例Fig.10 Double Gaussian fit for neutron events
所有材料都會(huì)含有一定量的U/Th雜質(zhì),其中238U,235U,232Th會(huì)發(fā)生級(jí)聯(lián)衰變,包括多級(jí)α衰變和β衰變,因此液體閃爍體中會(huì)少量的α和β粒子.通過(guò)選取時(shí)間間隔較短的級(jí)聯(lián)衰變鏈,使得更容易通過(guò)時(shí)間間隔篩選粒子,依次選取以下3條級(jí)聯(lián)衰變鏈[10].
(6)
(7)
(8)
級(jí)聯(lián)衰變過(guò)程如下所示:
(1) 能量篩選:圖11展示了通過(guò)高斯擬合后實(shí)驗(yàn)測(cè)得α粒子能量,高斯擬合區(qū)間α測(cè)量能量的高斯平均值±σ之內(nèi)篩選效率為68.26%. 對(duì)于電子事例,能譜為連續(xù)譜,要求其閾值下限為0.23 MeV. 對(duì)于214Bi與212Bi粒子,能量篩選上限分別為3.5和2.4 MeVee,篩選效率為100%.
(2) 甄別因子篩選:基于液體閃爍體優(yōu)良的n-γ波形甄別特性,通過(guò)定義甄別量 Dis對(duì)α事例和電子事例篩選. 級(jí)聯(lián)衰變鏈中,要求α粒子的Dis大于其高斯平均值減去一倍σ,用以篩除電子反沖事例,篩選效率為84.13%. 圖12a顯示了214Po的Dis分布,甄別因子與能量的二維圖如圖12b與圖12c所示,篩選效率為100%.
(3) 時(shí)間間隔篩選:對(duì)于214Bi-214Po-210Pb級(jí)聯(lián)衰變,時(shí)間間隔為(0.5τ1/2, 3τ1/2);對(duì)于212Bi-212Po-208Pb,時(shí)間間隔為(500 ns, 5τ1/2);對(duì)于219Rn-215Po-211Pb,時(shí)間間隔為(τ1/2, 5τ1/2). 如圖13所示,級(jí)聯(lián)衰變的半衰期通過(guò)時(shí)間間隔圖上的指數(shù)衰減擬合得出,平滑部分通過(guò)擬合用于計(jì)算隨機(jī)本底量.
圖11 天然放射系的級(jí)聯(lián)衰變鏈中實(shí)驗(yàn)所測(cè)α粒子的能量,紅色為高斯擬合線(xiàn)
圖12 甄別因子篩選:(a) 214Po級(jí)聯(lián)衰變?chǔ)亮W诱鐒e因子分布;(b)214Bi中電子反沖事例篩選,紅色分割線(xiàn)上方為篩選事例區(qū)間;(c) 212Bi電子反沖事例,線(xiàn)框內(nèi)為電子反沖事例
圖13 時(shí)間間隔篩選Fig.13 The discrimination of time interval
表1列出了篩選流程及各次篩選效率,考慮到隨機(jī)本底計(jì)數(shù),探測(cè)器效率,采數(shù)時(shí)間及Gd-Ls尺寸等因素,Gd-Ls中會(huì)發(fā)生級(jí)聯(lián)衰變并產(chǎn)生α粒子的U/Th衰變鏈中間產(chǎn)物分別是214Po (0.113 ± 0.010) mBq/kg,212Po(0.139 ± 0.010) mBq/kg,215Po(0.835 ± 0.020) mBq/kg.
假設(shè)天然放射系處于長(zhǎng)期平衡,根據(jù)上節(jié)衰變鏈中間產(chǎn)物Po的含量,可計(jì)算出液閃中238U,232Th和235U的含量分別為(9.08±0.83)×10-12, (5.35±0.38)×10-11和(1.04±0.03)×10-11g/g,如表2所示. 此外,考慮放射性核素的α衰變分支比大于1%時(shí),238U,232Th和235U的總α計(jì)數(shù)率分別為(0.022 7±0.000 1), (0.032 9±0.000 1)和(0.147 1±0.000 2) s-1. Gd-Ls中α粒子總計(jì)數(shù)率為(0.202 7±0.000 4) s-1.
表1 級(jí)聯(lián)衰變篩選效率及事例結(jié)果
表2 摻釓液閃中的鈾釷含量
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為Gd-Ls在CJPL聚乙烯實(shí)驗(yàn)室自2018年4月到11月結(jié)果,采數(shù)時(shí)間為206 d. 通過(guò)數(shù)據(jù)篩選及α粒子計(jì)數(shù)率計(jì)算,核反沖譜如圖14所示. 借助于Geant4,模擬得到單能中子入射摻釓液閃探測(cè)器后的能譜響應(yīng),放射源采用將探測(cè)器包裹的單能中子面源. 采用與實(shí)驗(yàn)相同的數(shù)據(jù)分析方法,如粒子甄別,時(shí)間甄別,能量篩選等,并依據(jù)探測(cè)器效率考慮了淬滅效應(yīng)下的高斯展寬. GRAVEL算法用于CJPL地下實(shí)驗(yàn)室聚乙烯室內(nèi)的中子重建. 圖15顯示了1~10 MeV能區(qū)的快中子能譜.能譜積分后得到1~10 MeV區(qū)間不含誤差的快中子通量為4.45×10-8cm-2·s-1.
圖14 經(jīng)數(shù)據(jù)篩選后的核反沖譜Fig.14 The recoil spectrum after data analysis
圖15 CJPL聚乙烯實(shí)驗(yàn)室快中子能譜
采用摻雜0.5%釓的液體閃爍體探測(cè)器測(cè)量了CJPL聚乙烯室內(nèi)的快中子通量. 此外,摻釓液閃中子探測(cè)器的α本底計(jì)數(shù)率為(0.202 7±0.000 4) s-1. 借助于Geant4及GRAVEL算法,完成了對(duì)聚乙烯實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的中子能譜重建,快中子通量為4.45×10-8cm-2·s-1. 與2015年CJPL聚乙烯室的快中子通量(4.9±0.9(stat.)±0.5(syst.))×10-9cm-2·s-1相比,探測(cè)器所處的實(shí)驗(yàn)環(huán)境發(fā)生了變化,增設(shè)了5 mm厚鋁板,50 cm厚的聚乙烯板. 聚乙烯的主要成分為碳和氫,高能快中子與碳核主要發(fā)生(α, n)反應(yīng). 與世界上的其他深地實(shí)驗(yàn)室中子通量相比,中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室中子通量處于極低水平,非常有利于開(kāi)展稀有事例探測(cè)實(shí)驗(yàn). 目前,關(guān)于探測(cè)器響應(yīng)的單能中子淬滅效應(yīng)正在實(shí)施中,這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果將有利于改善探測(cè)器的響應(yīng)矩陣及能譜重建結(jié)果.