Gd 를 넣은 액체 섬광검출기의 특성 연구

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.

KPS in JNU

J.H.So from KNU

Introduction Property

환경방사선과 Cosmic-ray 에 의한 중성자 Background 를

효과적으로 검출

원자로에서 방출되는 중성미자 검출에 이용

환경 중성자 모니터링

Why Gd loaded liquid scintillator Neutron capture Cross section 의 극대화

입사입자와의 반응 시간이 빠름

Material 과의 혼합에 용이

Theory about Gd, B loading

• 액체 섬광물질 속으로 입사한 중성자는 에너지를 잃게 되고 , 에너지를 잃고 멈춘 중성자는 loading 된 Gd 와 반응하여 Gamma 를 방출하게 된다 .• 이때 방출되는 Gamma 의 E 를 측정하여 중성자검출 여부를 판단하게 된다 .

NeutronC

H CH

Liquid Scintillator

N 과 C, H 와 충돌 , n은 에너지를 잃게 된다 .

n Gd

1. 입자 입사 후 Scintillator 내부에서 n Capture

2. 입사한 입자가 Scintillator 내부에서 material 과 충돌 , 외부로 방출

3. 입사한 입자가 Scintillator 표면에서 Capture

Gamma

Theory about Gd, B loading( 계속 )1. 157Gd – Neutron capture reaction

● n 과의 반응에서 multi gamma 생성 ☞ Q value : 8MeV● Gd 의 열중성자에 대한 Cross section : 255,000 barn

2. 10B (n, α) 반응● 5

10B + 10n( 중성자 ) → 3

7Li + 24α ☞ Q value : 2.792MeV(ground state)

→ 37Li* + 2

4 α ☞ Q value : 2.310MeV(excited state)

● 10B 의 열중성자에 대한 Cross section : 3840 barn

3. 6Li(n, α) 반응● 3

6Li + 01n → 1

3H + 24α ☞ Q value : 4.78MeV

● Li 의 열중성자에 대한 Cross section : 940 barn

4. 3He(n, p) 반응● 2

3He + 01n → 1

3H + 11p ☞ Q value : 0.764MeV

● He 의 열중성자에 대한 Cross section : 5330 barn

Gd loading 방법 1 Gd(2-ethylhexnoate) loading

Gadolinium 2-ethylhexnoate(~25% in toluene)

BC501A 와 STD 의 질량비로 혼합 (0.1%~1.5%)

시험관 속에 10g 의 liquid scintillator 에 Molecule

mass 의 g 수를 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 compound 와 Tri ethyl phosphate 의 혼합 시 6 개의 H2O 가

분리되고 Gd 는 Phosphate 와 결합 , 유기물의 형태가 됨

Gd(NO3)3(H2O)6 + 3(C6H15O4P)

→ Gd(NO3)3(C6H15O4P)3 + 6H2O

혼합된 compound 를 LS 에 질량비 (1.5%) 로 혼합

10g sample 을 제작하여 실험을 실시

Gd loading 방법 2

Gd-Phosphate product( Before rotating)

두 물질의 적정 혼합비율 확인을 위해 3 종류의 sample 을 제작

→ 1 : 2.5, 1 : 3, 1 : 3.5 적정 비율이 1 : 3 ~ 1 : 3.5 사이임을 확인 1 : 3 혼합물을 LS 에 Loading

1: 2.5 1 : 3 1 : 3.5

H2O

용해되지 못한 물질없음

1 : 3.5 비율 1 : 3 비율

1 : 2.5 비율

완전히 섞이지 않은 화합물이 생성

H2O

Gd-Phosphate product( After rotating)

Gd compound 를 LS 에 Loading 한 직후와 15 시간 후

새로운 층이 형성

바닥에 침전물이 발생

• Loading 직후에 불투명 상태를 보이다가 시간이 지나면서 서서히 맑아 지는 것을 확인• 새로운 층과 침전물이 발생→ 시간이 지나도 여전히 존재

Gd-Phosphate product(15h)

실험 장비

DAQ System Oscilloscope

Samples PMT + Sample

Lightout Comparison

Only BC501A(10g)

BC501A + Gd(10g, 0.638g)

BC501A + Gd Phosphate(9.16g, 0.84g)

Condition- HV : -1400- Source : Cs137- Count : 2000

• 모든 Sample 은 제작 후 3 개월이 지난 뒤 측정• 3 개월은 안정성을 확인 하기에는 불충분• 좀더 오랜 기간이 필요

Summary and Plan Gd loading 방법 1 과 방법 2 를 사용 , Gd loaded liquid sc

intillator 에 관한 연구를 수행

Loading 한 Gd 유기물의 양에 따른 light out 의 감소에

대한 체계적인 연구 수행

장시간에 걸친 실험을 통한 Gd 를 넣은 혼합물의 안정성

연구 필요 (1 년 이상 )

중성자 선원을 사용하여 n/γ 분리에 대한 연구