Calibration issues and shape factor analysis Radiation Metrology Center K.B. Lee (lee@kriss.re.kr)

Initial thoughts on source calibration What to calibrate Energy calibration for each channel of thermal detector Energy resolution near the neutrinoless DBD peak for each channel of thermal detector Alpha-beta discrimination power calibration Direct calibration of light detector, not through scintillation light from crystals???

Energy calibration and resolution monitoring Should be performed periodically during the normal data-taking period. Best source candidate : gamma lines from the Th-232 decay chains (511, 583, 911, 968, 1588, 2615 keV gamma lines) 2615 keV gamma line from Tl-208 => Needs thoriated source, not Th-232 standard source Calibration done for each channel => calibration source put near the detector module under calibration A couple of source wires with source driving motor or manually Source tubes are built-in either inside the detector array or just outside the VC of DR, depending on the array geometry.

Alpha-beta separation source Maybe once or a couple of times during the R&D phase of the experiment Better to use a source emitting both alpha and beta => decay chain radionuclide U-238 source 4.2 MeV alpha (U-238)+2.3 MeV Max beta energy (Pa-234) Beta from Th-234 < 0.2 MeV Pure U-238 solution evaporated on the surface of the crystal.

Feasibility for shape factor analysis Accurate determination of the beta spectrum is important in the activity standardization of beta-decaying radionuclides. Allowed beta transition by Fermi contact interaction + some ad-hoc corrections Forbidden beta transition => experimentally determined

Beta spectrum in forbidden transitions Unique shape factor First order : p2+q2 Second order : p4+10/3p2q2+q4 Third order : p6+7p2q2(p2+q2)+q6 Non-unique shape factor First order : 1+(p2+q2), p2+aq2 Second order : p4+ap2q2+bq4 Determination of functional forms and coefficients for each beta transitions, and tabulation. Initial thoughts on experimental implementation Dry active solution and enclose it with a metal absorber Attach the absorber thermally to the crystal Energy spectrum do not overlap with the ROI of neutrinoless DBD

KRISS is the national metrology institute of Korea. Radioactivity team KRISS is the national metrology institute of Korea. Metrology : science of measurement and its application Mission Realization and maintenance of the definition of the SI unit of activity Bq Propagation of the measurement standards to the industry, clinics and academia Development of new technologies of radiation measurement

Calibration hierarchy in activity measurement Definition of units CIPM-CCRI e.g., Bq : the quantity of a radionuclide that undergoes one decay per second. Definitional uncertainty ‘0’ Primary standard Traceability chain established by the realization of the definition. Korean primary standard is set by 4- coincidence counting system uncertainty(≠0) of KRISS primary standard Secondary standard assigned through calibration against, or comparison with, a primary standard. (gamma-ray ionization chamber, Certified reference material ) Working tools Isotope calibrator, HPGe, LSC, surface contamination monitor, alpha spectroscopy system, …etc.

Primary standard systems Developed and maintained the different types of the primary systems depending on the decay scheme, the physical and chemical state, the type and energy of emitted radiations Radionuclides decaying by the emission of two or more coincident radiations ( < 0.1 s) : 4- coincidence counting system Radionuclides decaying by the emission of two gammas : photon-photon coincidence counting system Pure-beta emitting radionuclides : TDCR (Triple-to-Double Coincidence Counting ) system Radionuclides in gaseous state : internal proportional counter, Cryogenic radon detector Extended area sources, planchet sources : MWPC, gas proportional counter 그러면 방사능 국가일차표준을 확립에 사용되는 일차표준기에 대해서 소개하겠습니다. 사실 방사능일차표준기는 하나가 아닙니다. 다양한 방사성핵종에 따라 여러 개의 표준기를 개발 유지하고 있습니다.,

Two 4- coincidence counting systems Beta detector : Pressurized proportional counter Liquid scintillation detector 이 사진은 KRISS 에서 보유하고 있는 방사능측정표준기입니다. 대부분의 방사성핵종이 배타-감마 동시방출하므로 두개의 베타-감마동시계수장치를 보유하고 있습니다. 면적선원과 같은 넓은 면적의 방사선원의 측정표준으로 그림과 같은 다중선비례계수기가 사용합니다. 베타-감마가 동시에 방출되지 않고 베타만 방출되는 핵종는 또다른 시스템이 사용됩니다. 그리고 방사성핵종이 기체인 경우 즉 kryton zenon 이나 라돈인 경우에는 이와 같이 내부비례계수기가 사용되고 특히 라돈의 중요성에 비추어 특별히 저온 라돈일차표준기를 개발되고 있습니다.

TDCR system 이 사진은 KRISS 에서 보유하고 있는 방사능측정표준기입니다. 대부분의 방사성핵종이 배타-감마 동시방출하므로 두개의 베타-감마동시계수장치를 보유하고 있습니다. 면적선원과 같은 넓은 면적의 방사선원의 측정표준으로 그림과 같은 다중선비례계수기가 사용합니다. 베타-감마가 동시에 방출되지 않고 베타만 방출되는 핵종는 또다른 시스템이 사용됩니다. 그리고 방사성핵종이 기체인 경우 즉 kryton zenon 이나 라돈인 경우에는 이와 같이 내부비례계수기가 사용되고 특히 라돈의 중요성에 비추어 특별히 저온 라돈일차표준기를 개발되고 있습니다.

Yet another primary systems MWPC Cryogenic radon detector Internal proportional counter 이 사진은 KRISS 에서 보유하고 있는 방사능측정표준기입니다. 대부분의 방사성핵종이 배타-감마 동시방출하므로 두개의 베타-감마동시계수장치를 보유하고 있습니다. 면적선원과 같은 넓은 면적의 방사선원의 측정표준으로 그림과 같은 다중선비례계수기가 사용합니다. 베타-감마가 동시에 방출되지 않고 베타만 방출되는 핵종는 또다른 시스템이 사용됩니다. 그리고 방사성핵종이 기체인 경우 즉 kryton zenon 이나 라돈인 경우에는 이와 같이 내부비례계수기가 사용되고 특히 라돈의 중요성에 비추어 특별히 저온 라돈일차표준기를 개발되고 있습니다.

Schematic of 4- system The source activity is measured without knowledge of detector efficiencies. ⇒ Absolute measurement Applicable to all radionuclide decaying by the emission of two or more coincident radiations ( < 0.1 s) -γ, -γ, EC-γ, γ-γ, γ-x, etc.

The simplest decay scheme a single  followed by a γ transition 그럼 이 시스템을 가장 간단한 베타-감마 decay scheme 에 적용합니다. 한 번 붕괴에 베타하나와 감마하나가 동시에 방출한다고 합시다. 우리가 알고자 하는 방사능이 A 이고 각가의 배테와 감마효율이 epsil 베타 epiㅣ gamma 라하면 우리가 모르는 량은 3개가 됩니다. 그리고 우리가 측정한 량은 베타계수율 , 감마계수율,그리고 배타-감마 동시계수율이라고 하면 측정량이 3 개가 됩니다. 우리가 모르는 량이 3개이고 측정한 량이 3 개이므로 싯을 잘 세우ㅠ면 전부 다 풀리게 됩니다. <= using 4 detector

Dead time and resolving time correction dead time correction for a single channel (Non-extendable dead time ==) Dead time and resolving time correction for the coincidence channel <= Cox-Isham formula Accidental coincidence correction 원리적으로는 간단하지만 실제적으로 좀 더복잡합니다. 실제적으로 계수율을 측정할 때 우리가 실제적으로 측정하는 것은 로가 아니라 R 베타,감, Rc 가 됩니다, 관찰한게수율은 실제게수율에 시스템의 불감시간과 분해시간에 영행을 받게되고 이들 영향을 보정하기 위한 식리 필요하게 됩니다. 만약 우리가 반면에 동시채널에 대한 불감시간과 분해시간의 보정은 따로 수행될 수 없고 Cox-Isham 보정공식이라는 이왁같은 복잡한 식을 사용하여여 합니다.

Coincidence from Compton scattering Complex Decay Scheme gamma sensitivity of beta detector Conversion electron contribution Coincidence from Compton scattering 지금까지는 가장간단한 베타-감마 decay scheme 에 관한 것이고 실제적으로 이렇게 간단하게 붕괴하는 핵종은 거의 없습니다. 일반적인 붕괴형태는 그림과 같습니다. 먼저 여러 개의 베타브랜치가 존재할 수 있습니다. 그리고 각 베타에 대해 여러게의 감마가 발생할 수 잇고 또한 감마전이가 꼭 감마가 아닌 전자변환형태로 나타날 수 있습니다. 이와같은 상황에서의 베타계수율에 대한 식은 다음과 같이 복잡하게 됩니다. 베타게수율은 모든 베타 브랜치에 대한 sum으로 되어있고 도한 변환전자에 대한 기여, 또는 방출된 감마가 베타검출기에서 상호작용하는 효율도 포함되게 됩니다. 동시계수율 감마의 컴프턴산란에 의한 동시계수율에 기여도 포함되어야 합니다. ar : branching ratio for r-th branch r : conversion coefficient for r-th branch r : detection efficiency of beta detector for r-th gamma cr : additional coincidence for r-th gamma due to compton scattering

If r = 1 – gr(1- s)  1 as s  1 , Efficiency Extrapolation If r = 1 – gr(1- s)  1 as s  1 , 효율함수 검출기 효율이나 붕괴모형 의존성 흡수 unspecified, 대개 1차나 2차 다항식 효율변환에 의한 실험적 data 에 의해 추정 A Experimental variation of beta detector Count rates are measured for each beta detection efficiency Linear extrapolation of measured data points Source activity is the extrapolated value when the beta efficiency is equal to 100 %. 이와같은 복잡한 경우에는 효율외삽이라는 방법을 사용합니다. 이 방법은 원리적으로 베타검출기의 효율을 강제적으로 변환하여 계수율을 측정하는 것입니다. 그림에서 x측은 이 양이고 y 축은 이 양으로 하면 x 측은 베타검출효율에 상응하는 양이고 ㅛ 츠ㅜㄱ은 시료의 방사능에 상응하는 양입니다. 베타 검출효율이 바꾸어 측정하면 그림과 같이 몇 개의 데이터 포인틀 얻을 수잇고 이 데이터 포인트를

AND-gates(coincidence) Schematic for the TDCR system A B C AB BC CA ABC Three PMT’s Preamps Discriminators AND-gates(coincidence) OR-gates(logic sum) Counters Experimental parameter K = N t /Nd = t / d 베타-감마동시계수장치 다음으로 중요한 방사능 측정표준기는 TDCR 시스템을 틀 수 있습니다. 이 시스템은 한 번 붕괴에 베타선이 하나 방출되는 C-14, H-3 같은 해종의 방사능 절대측정에 사용됩니다. 이 측정방법은 액체섬광검출기와 3 개의 광증배관을 사용합니다. 액체섬광체에 발생하는 광자들이 3 개의 pmt 에 검출되어 그림과 같이 double coincidence rate 과 triple coincidence rate 을 측정하게 됩니다. Triple 는 1 초당 3 개의 pmt 에 동시신호 객수이고 double 는 3 개 중 2 개의 pmt 에 동시신호가 측정된 개수가 됩니다. 실험적으로 중요한 파라미터 이 triple coindidnec rate 와 double coindec erate 의 비율이 됩니다. AB+BC+CA Nd NAB NBC NCA Nt Counting rates

TDCR measurement principle theoretical beta spectrum +Poisson probability of photo-electron emission +Birks’ formula for ionization quenching 이와 같이 실험적으로 측정된 비율은 이론적으로 계산된 수식과 비교하여 시료의 방사능을 측정합니다. 이 이론적인 비율은 의 구 할 수 있습니다. 이와같은 비교를 통해 우리는 다음을 동시에 결정하게 됩니다.  : # of PMT photo electons/ keV Q(E) : Birks ionization function kB : free parameter (cm/Mev) , kB, Ax (sample activity) 결정

PMT Base Manufacture 600 800 V for the variations of PMT detection efficiency 800 V to insure the high and unchanging secondary emission factor 2200 3000 V, plus high voltage to allow the cathode to be grounded

Dynodic characteristics of PMT using H-3 source Coincidence Electronics and SPE Peak dead time Scheme : extendable dead time with base dead time of 10 s to protect against after-pulses and spurious pulses coincidence resolving time : 40 ns background : subtracted with a blank vial Dynodic characteristics of PMT using H-3 source pedestal events Counting threshold set between two peaks Double photo-electron peaks. SPE peaks

Efficiencies are single-valued functions of Kth. Calculation Results(I) H-3 P-32 Efficiencies are single-valued functions of Kth.

Effects of ionization quenching on efficiencies at Kth = 0.52 Calculation Results(II) Effects of ionization quenching on efficiencies at Kth = 0.52 H-3 P-32 Ionization quenching is significant for the nuclides emitting low energy beta particles. Ionization quenching effects should be taken into account in determining the activity of low energy beta emitter.

Anodic Characteristics High voltage plateau curve Defocalization voltage characteristics Defocalization as a means to change the PMT efficiency really works.

H-3 Measurements Beckman sets of quenched H-3 and C-14 standards is measured with two efficiency variation methods. Chemical quenching A = (4623.0  4.9) Bq kB = 0.00878 cm/MeV Kexp Defocalization A = (4661.9  1.8) Bq kB = 0.01295 cm/MeV

C-14 Measurements Defocalization Chemical quenching A = (2730.0  1.0) Bq kB = 0.00764 cm/MeV Defocalization A = (2742.2  0.7) Bq kB = 0.01452 cm/MeV

KC of Y-88 activity measurements KC of Co-57 activity measurements KC participations with other NMIs KC of Y-88 activity measurements KC of Co-57 activity measurements

Myself Name : K.B. Lee Belongs to : radiation metrology center, quality-of-life division, KRISS Work on Previously : e+e- collider physics, fixed target charm physics, and neutrino physics Currently : radonuclide standardization, liquid scintillation counting technique, nuclear decay data evaluation, low level activity measurement, calibration of radiation detector,…, etc. Interested in : radiation detector development (nuclear imaging), statistics, nuclear electronics, digital data processing, computer programming (Monte Carlo detector simulation),..., etc. Contact : lee@kriss.re.kr

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