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Summary of Gd+Liquid Scintillator 김김김 , 김김김 , 김김김 ( 김김김김김 ) 김김김 ( 김김김김김 ) 김김김 ( 김김김김김김 ) 김김김 , 김김김 ( 김김김김김 ) 9 th RENO Collaboration Meeting at SNU Oct. 10~11, 2008 RENO LS Subgroup Collaboration 주주주 ( 주주주 )

Summary of Gd+Liquid Scintillator 김수봉, 박정식, 이재승 ( 서울대학교 ) 서준석 ( 경북대학교 ) 유인태 ( 성균관대학교 ) 주경광, 김선희 ( 전남대학교

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Summary of Gd+Liquid Scintillator

김수봉 , 박정식 , 이재승 ( 서울대학교 )서준석 ( 경북대학교 ) 유인태 ( 성균관대학교 ) 주경광 , 김선희 ( 전남대학교 )

9th RENO Collaboration Meeting at SNU

Oct. 10~11, 2008

RENO LS Subgroup Collaboration

주경광 ( 전남대 )

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RENO DetectorBuffer with PMT Front view

Side view

RENO detector consists of four concentric

cylindrical containers.

384 PMTs

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Liquid Scintillator at a Glimpse

• Transparency• High light yield• Long term stability• High radiopurity • Safety matter• Reasonable price• Massive quantity available

Base solvent For mixing FluorWave-length

shifter

PC, PXE MO, Dodecane PPO, BPO bis-MSB, POPOP

Base solvent + primary scintillating fluor + secondary wavelength shifter

Required Properties

General elements of Liquid ScintillatorEffect of wavelength shifter

Before

After

PMT sensitive regionPC is widely used for base solventfor its excellent transparency and fluor dissolution.

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RENO Base Liquid Scintillator

PC(20%) + dodecane(80%) + PPO(3g/L) + bis-MSB(30mg/L)

• Gd-LS R&D with the Russian INR/IPCE group : Gd-LS stability: good for > 6 months• Performance study of various LS recipes : : light yield : Optical properties (transmission & attenuation lengths, etc.)• Development of purification system to enhance optical properties & reduce radioactive materials. : Al2O3 adsorption : Vacuum distillation : Water extraction, etc• Long-term stability test• Reactivity test with acrylic • Study of Linear Alkyl Benzene(LAB) for replacing PC.

Purification with Al2O3

Before

After

Transparency can be increased by purification.

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LAB(Linear Alkyl Benzene)

CnH2n+1-C6H5 (n=9~14)

PC LAB

Molecular formula C9H12 CnH2n+1-C6H5

Molecular weight(g/mol) 120.19 233~237

Flash point (°C) 48 130

Density(g/ml) 0.89 0.86

Compatibility(acryllic) Negative, need diluent Test in progress

Cost Moderate Cheap

Fluor dissolution Very good Moderate

Domestic availability Abroad Available

etc Harmful odor Colorless & odorless

LAB

n Percent(%)

9 0.47

10 9.7

11 33.85

12 34.72

13 20.83

14 0.43

GC-MS result of LAB

Light Yield Comparison

4 main component

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Optimization of PPO & bis-MSB Concentration

Light Yield Measuremen

t

LY saturated when PPO 3g/L and bis-MSB 30mg/L

Bis-MSB

PPO

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Optimization of PPO & bis-MSB Concentration

Light Yield Measuremen

t

LY saturated when PPO 3g/L and bis-MSB 30mg/L

Bis-MSB

PPO

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Problems reported

CHOOZ 실험에서- 5t 0.09% Gd-loaded scintillators - 변색문제 : Not stable (turned yellow after few months of deployment) ~250 일 경과 후 )- 출력감소 문제 : Degradation of its optical properties. 즉 , very rapid decay of attenuation length 관측됨 . ~0.4% degradation/day

또한 , Palo Verde 실험에서도 비슷한 결과가 보고됨- 12t 0.1% Gd-loaded scintillators - Slight deterioration with time- ~0.03% degradation/day

Gd-doped Liquid Scintillator Chemistry

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Gd -CBX

Precipitated Gd-CBX powder was filterated and rinse with 18MΩ water several times and dried in desiccator.

After filteration

Stored in bottle

Gd needs to transform to Gd-CBX for loading in organic phase

Gd-CBX precipitated

Reaction equation

RCOOH + NH3•H2O ->RCOONH4 + H2O3RCOONH4(aq) + GdCl3(aq) -> Gd(RCOO)3 + 3NH4Cl

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FT-IR 에 의한 Gd-TMHA 성분분석

FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, 적외선 분광법 )

적외선을 시료에 주사하면 시료의 분자운동에 의한 적외선흡수가 발생하고 흡수된 적외선스펙트럼을 얻어 시료를 분석하는장치

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만족 시켜야 할 조건

1. OH group 유무 - FT-IR 3200~3500 사이에 peak 나타남 .

2. Free acid peak 유무 - FT-IR ~1700 근방에 peak 나타남 .

3. Carboxylic peak 유무 - ~1420 & 1580 근방에 peak 나타남 .

4. Gd loading into LAB

Gd-(TMHA)3 powder 제조가 목적Gd-OH 는 불순물로 작용 .

이유

여분의 TMHA 가 남아있는 것 .물로 세척 할 때 씻겨나가지 않는다 . 불순물로 작용 .

Gd-TMHA 가 만들어 진것을나타내는 증거

성공적인 RENO 실험을 위해

Requirements for Gd-TMHA

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결정 요인 : after reaction 의 pH 값

pH 7.4

pH 6.5

pH 6.2

pH 6.0After reaction pH ~ 6.0 이하로제작해야 OH peak이 보이지 않는다 .

Carboxylic-1420 & 1580

OH-3200~3500

Peak position

Free Acid-1710

OH peak

OH group

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결정 요인 : 중화반응 시 남는 여분의 TMHA 의 유무

TMHA 과량

NH3 다량 과량

NH3 미량 과다

Almost 1:1

중화반응 시 NH3 양이 더 많아야 함

: pH > 7

pH ~5

pH ~7.2

pH ~7.5

pH ~9.7

Free acid peak

Free acid

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R&D 결과- pH control 이 중요- After reaction pH ~ 6

After reaction pH 결정 요인- Gd 수용액 pH 4.5~5- 중화반응 pH > 7

8:8 Sample1

sample2

Sample3

sample4

sample5

Sample7

Sample10

sample13

GdCl3*6H2O N/A 2.0154 2.007 2.012 2.008 1.6088 2.403 2.0013 2.0072

Gd pH N/A 5 5 5 5 5 5 5 5

중화 pH N/A 8 7.5 8 7.5 7.5 7.5 7.2 7

After reaction

N/A 6.9 5.6 6.7 6.5 7.4 6.2 6.0 6.47

Purity ( 질산 )

122 102.8 95.7 102.7 98.7 97.5 95.7 93.2 94.2

Sample lists

OH group

OH group + 염 과다

Worst

Gd-TMHA Samples

Best sample

Sample 10 PH 배합이 가장 promising

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Sample 10 LAB loading 적정 결과 : 2.81 g/L 까지 해봄

LAB 에 문제없이 loading 됨

Gd Loading in LAB

Reproduce

pH 6.0

pH 6.47

pH 6.83

Sample 10-1- LAB loading 적정 : 92.4%- 질산 적정 : 94.3%- LAB / 질산 = 0.98

Sample 10-2 비교 sample- LAB loading 적정 : 93.8%- 질산 적정 : 94.9%- LAB / 질산 = 0.99

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Vol(L)

Flow Rate

Target

153 2 L/min

G.Catcher

1120 6 L/min

Buffer

6889 24 L/min

Flow rate to keep same level

GdLS200L

LS200L

MO200L Mockup

123

N2

N2

N2

AccumulateFlow Meter

Flow Meter

Magnetic Pump

Schematic Design of LS Handling System

for Mockup

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• Mixing Tank+ Capacity : 200 L+ Material : P.E.

• 3 tanks for Target, Gamma Catcher and Buffer.• All tubing for liquid transportation is made from Teflon. • N2 purging with Ф6 Teflon tubing

MO 고순도 LAB

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Production of LS for Mockup

• Baseline LS cocktail : – PPO(3g/L) + bis-MSB(30mg/L) + LAB

• PPO, bis-MSB 20 배 농축 일의 효율성증가• 1 회 200L LS 생산한 후 filling 시작예정

– LAB (190L) + 20 times concentrated LS (10L) : with circulation mixing method

– 20 times concentrated LS = LAB (10L) + PPO (600g) + bis-MSB (6g)

• 목표량 : 200L of LS / a day ( 총 4 일정도 소요 )

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Summary

• LAB is promised material to replace PC, dodecane. (e.g. Optical properties, radiopurity, …) • Concentrations of PPO and bis-MSB for Liquid Scintillator are optimized.

• Light yield was measured in special dark box using Compton edge.

• Long term stability test will be carried out.

• Gd-TMHA 제작 R&D + Mock-up sample recipe 확정 . Reproduce & quality control 진행 중

• RENO 검출기를 위한 대량 생산 준비

• Mock-up 용 powder 준비기간 + R&D 끝나면 대량 생산 시작 + 하루 ~80g 생산 예정 ( 제작에 2 주 소요될 것으로 예상됨 )