Gd, B loaded liquid scintillator for detecting thermal neutron Presentation in Mooju workshop So joong ho(KNU) Kim hong joo(Pf.KNU) Kwak jung won(Dr.SNU)

Introduction ● Property 1. WIMP로부터 환경방사선과 Cosmic-ray에 의한 중성자 Background를 효과적으로 검출 2. 중성미자 검출에 이용 3. 환경 중성자 모니터링 ● Why using liquid scintillator loaded Gd, B 1. 입사입자에 대한 빠른 반응시간과 반응성 2. Material과의 혼합에 용이 3. Neutron capture Cross section의 증가(Gd, B loaded)

Theory about Gd, B loading 1. 입자 입사 후 Scintillator 내부에서 n Capture e 2. 입사한 입자가 Scintillator내부에서 material과 충돌, 외부로 방출 3. 입사한 입자가 Scintillator 표면에서 Capture

Theory about Gd, B loading(계속) 1. 157Gd – Neutron capture reaction ● n과의 반응에서 multi gamma 생성 ☞ Q value : 8MeV ● Gd의 열중성자에 대한 Cross section : 255,000 barn 2. 10B (n, α) 반응 ● 510B + 10n(중성자) → 37Li + 24α ☞ Q value : 2.792MeV(ground state) → 37Li* + 24 α ☞ Q value : 2.310MeV(excited state) ● 10B 의 열중성자에 대한 Cross section : 3840 barn 3. 6Li(n, α) 반응 ● 36Li + 01n → 13H + 24α ☞ Q value : 4.78MeV ● Li의 열중성자에 대한 Cross section : 940 barn 4. 3He(n, p)반응 ● 23He + 01n → 13H + 11p ☞ Q value : 0.764MeV ● He의 열중성자에 대한 Cross section : 5330 barn

Scintillator formulation ● Liquid scintillator loading 1. Gd(2-ethylhexnoate) loading ○ Gadolinium 2-ethylhexnoate(~25% in toluene) ○ BC501A 와 STD의 질량비로 혼합(0.1%~1.5%) ○ 시험관 속에 10g의 liquid scintillator에 해당 비율의 g수를 혼합, 실험 2. B (Trimethylborate 98%) loading ○ 전반적인 혼합방법은 Gd와 동일(단 10~90%) ○ B의 특징 (moisture sensitive) : N2 bubbling이 필요

Experiment Setup Samples of LS PMT + Sample R&D 전경 VME 전자회로

How to experiment ● Electronic setup V M E (For light out check) PMT Discriminator High Voltage Delay (50ns) Gate Generator ADC Gate Root DAQ

2. FA25MHz (For neutron capture signal) PMT Discriminator High Voltage Shaper Gate Generator FADC 25MHz Gate Root DAQ

Measurement (BC501A, light out) 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 85% 0.1% 0.2% 0.5% 1.0% 1.5% Measurement (BC501A, light out) Only BC501A Gd loaded BC501A BC501A는 Gd loading에서는 1.5%까지 loading을 하더라도 lightout의 감소가 크지 않음을 확인. B의 경우 60%까지 loading하여 실험. B loaded BC501A

Measurement (STD, light out) 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 90% 0.1% 0.2% 0.5% 1.0% 1.5% Measurement (STD, light out) Gd loaded STD B loaded STD STD역시 BC501A와 거의 동일한 형태를 보여줌을 확인. ※ STD (Standard Scintillator) : PC + PPO(1.5~4g/l) + POPOP(10~50mg)

Measurement (Neutron capture from Cf252) Only BC501A B60% loading B loading의 경우 연세대 이종호 학생에 의한 선행 연구에서는 분리에 무리가 없었던 것으로 판명 전체적으로 material의 혼합에 의한 측정에서 bc501a 단독으로 측정하는 값에 비해 크게 뒤지지 않음을 확인 Gd1.5% loading

Measurement (Neutron capture time from Cf252, Gd1.5% loaded) Neutron capture time : 4.4 μs Palo Verde experiment(1999. 4. 1 published) : 30 μs(Gd 0.1% loading in BC523) ※ Capture time in Unloaded liquid scintillator : 180 μs

Conclusion & Plan Gd, B Loading으로 Liquid scintillator의 중성자 검출에 대한 활용성을 높일 수 있음을 확인 Neutrino Capture time을 측정 현재 시험관 크기의 실험으로 확인 된 사실을 토대로 대용량 실험을 계획(1 ~ 5 ℓ) 대용량 실험에서도 만족할만한 결과를 얻을 시 NMD에 활용