Gd를 넣은 액체 섬광검출기의 특성 연구 J.H.So from KNU KPS in JNU BHANG H.C., CHOI J.H., KWAK J.W., KIM S.C., KIM S.K., KIM S.Y., LEE H.S., LEE J., LEE M.J., LEE J.H., MYUNG S.S., KIM Y.D., LEE J.I., KIM H.J., KWON Y.J., HWANG M.J., HAHN I.S., LI Jin, HE Dao, LI Xin, ZHU J.J., YUE Q.

Introduction Property Why Gd loaded liquid scintillator 환경방사선과 Cosmic-ray에 의한 중성자 Background를 효과적으로 검출 원자로에서 방출되는 중성미자 검출에 이용 환경 중성자 모니터링 Why Gd loaded liquid scintillator Neutron capture Cross section의 극대화 입사입자와의 반응 시간이 빠름 Material과의 혼합에 용이

Theory about Gd, B loading Liquid Scintillator C Gd H Neutron n Gamma H C N과 C, H와 충돌, n은 에너지를 잃게 된다. 1. 입자 입사 후 Scintillator 내부에서 n Capture 2. 입사한 입자가 Scintillator내부에서 material과 충돌, 외부로 방출 3. 입사한 입자가 Scintillator 표면에서 Capture 액체 섬광물질 속으로 입사한 중성자는 에너지를 잃게 되고, 에너지를 잃고 멈춘 중성자는 loading된 Gd와 반응하여 Gamma를 방출하게 된다. 이때 방출되는 Gamma의 E를 측정하여 중성자검출 여부를 판단하게 된다.

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

Gd loading 방법 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 Molecule mass의 g수를 계산하여 혼합, 실험 안정성에 대해서는 미지수

Measurement (Ⅰ) (light out, Cs137) BC501A Gd 1.5% loaded BC501A

Measurement (Ⅱ) (n/γ separation from Cf252) BC501A Gd 1.5% loaded BC501A

Gd loading 방법 2 Gd compound와 Tri ethyl phosphate의 혼합 시 6개의 H2O가 분리되고 Gd는 Phosphate와 결합, 유기물의 형태가 됨 Gd(NO3)3(H2O)6 + 3(C6H15O4P) → Gd(NO3)3(C6H15O4P)3 + 6H2O 혼합된 compound를 LS에 질량비(1.5%)로 혼합 10g sample을 제작하여 실험을 실시

Gd-Phosphate product ( Before rotating) 두 물질의 적정 혼합비율 확인을 위해 3 종류의 sample을 제작 → 1 : 2.5, 1 : 3, 1 : 3.5 적정 비율이 1 : 3 ~ 1 : 3.5 사이임을 확인 1 : 3 혼합물을 LS에 Loading H2O 용해되지 못한 물질 없음 1: 2.5 1 : 3 1 : 3.5

Gd-Phosphate product ( After rotating) 완전히 섞이지 않은 화합물이 생성 1 : 3.5 비율 1 : 3 비율 1 : 2.5 비율

Gd-Phosphate product(15h) 새로운 층이 형성 Loading직후에 불투명 상태를 보이다가 시간이 지나면서 서서히 맑아 지는 것을 확인 새로운 층과 침전물이 발생 → 시간이 지나도 여전히 존재 바닥에 침전물이 발생 Gd compound를 LS에 Loading한 직후와 15시간 후

실험 장비 DAQ System Oscilloscope Samples PMT + Sample

Lightout Comparison Only BC501A (10g) BC501A + Gd (10g, 0.638g) Condition - HV : -1400 - Source : Cs137 - Count : 2000 모든 Sample은 제작 후 3개월이 지난 뒤 측정 3개월은 안정성을 확인 하기에는 불충분 좀더 오랜 기간이 필요 Only BC501A (10g) BC501A + Gd (10g, 0.638g) BC501A + Gd Phosphate (9.16g, 0.84g)

Summary and Plan Gd loading방법1과 방법2를 사용, Gd loaded liquid scintillator에 관한 연구를 수행 Loading한 Gd 유기물의 양에 따른 light out의 감소에 대한 체계적인 연구 수행 장시간에 걸친 실험을 통한 Gd를 넣은 혼합물의 안정성 연구 필요(1년 이상) 중성자 선원을 사용하여 n/γ 분리에 대한 연구