Development of a large area VUV sensitive gas PMT

Super-Kamiokandeのラドンによる
バックグラウンドについての研究
日本物理学会2013年秋季大会高知大学
2013年9月21日
関谷洋之
東京大学宇宙線研究所
中野佑樹,田阪茂樹,松原正也,竹内康雄
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
1
太陽ニュートリノ測定の意義

MSW効果の検証
太陽の物質効果による”Energy spectrum up-turn”
Neutrino survival probability
Vacuum oscillation dominant
ne
Matter oscillation
dominant
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
2
現状
SNO
KamLAND
Super-K
BOREXINO
より高統計、より低バックグラウンド化が必要
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
3
これまでの努力
太陽方向分布
3.5~4.0MeV(kin.)
event/day/kton
イベントレート
4.0-4.5MeV(kin.)
SK-III
SK-III
SK-IV
Stable low
background level
SK-IV
3.5MeV閾値の達成！
Solar peak ~7.5σ level
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
4
受け身な努力：対流の抑制

送水温度を0.01℃の精度でコントロールすることで
底部のラドンのＦＶへの侵入を阻止
Return to
Water system
3.5MeV-4.5MeV
Event distribution
Temperature gradation in Z
The difference is only 0.2 oC
Purified
Water supply
r2
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
5
BGレートから求まるラドン濃度
関谷日本物理学会第62回大会(2007年)
SKへ9.2Bq Rn 注入
 140 counts/day/12.3kt/4.5-5.5MeV (tot.)

SK-IV final sample (4.0-5.0MeV (kin.))
0.2mBq/m3
3.5mBq/m3
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
6
Rn濃度の直接測定
中野日本物理学会第68回年次大会
イベントレート
と合っている
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
7
Rn源は何なのか

給水に3mBq/m3 あるとすると
底部内水槽の対流層６ｍのラドン濃度は
循環レート: 60m3/hour
給水パイプは16本だが、そのうち12本が内水槽
3mBq/m3 x 60 x12/16 m3/hour x 24 hour/day
(1- exp(-1.0/5.48)) /day x 16.9m x 16.9m x 3.14 x 6m
～3.5 mBq/m3
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
8
送水口

SK-IV final sample z<-15m
ガラスが詰まっている？
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
しかし、別の解釈も可能

Rnの放出レート2mBq/1PMT/day
SK NOTE 97-05
底部内水槽の対流層６ｍのラドン濃度は
1cmφ HOLEs
底部の1740 PMT+FRPsが寄与するとすると
2 mBq/PMT/day x 1740 x 5.48 day
16.9m x 16.9m x 3.14 x 6m
～3.5 mBq/m3
送水のラドン濃度を系統誤差を含めきちんと測定することが重要
→現在低バックグラウンド化をすすめた新しいセットアップ開発中
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
純水中のRn除去についての検証
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
11
reject
compensation
pump
FI-2
PI-8
strainer
PI-1
PI-11
PI-A
PI-B
PI-2
PI-3
Rn-free-air
RO-3 pump dissolving tank
RO-3
reject (drain)
550
UV
sterilizer
FI-202
reject
HE3
700
vacuum
degasifier
A
B
FI-10
reject
FI-3
PI-5
RT-1
FI-5
CIA-2
RT-3
CIA-1
reject (drain)
CV-2
post RO
pump
RO water tank
RO-1-2 reject
UF reject pump
RT-2
RT-4
CIA-3 Ion exchanger 1/2
PI-20
CIA-4
HE4
TIA-2
UF reject tank
v94
CIA
FI-101
CV-1 PI-18
ultra filter
TI-101
membrane
degasifier
purified water
supply pump A/B
Super-Kamiokande Water System
関谷洋之
CIA-6
RO-1-1
HE1
reject
drain
FP-4
FP-5
RO-2
RO-1
pump
filter
mine water
FI-6
FI-204
FI-7
RO-2
pump
filter
FI-1
Primary pump
PI-9
strainer
2013.9.21
PI-C
FI-ID
SK
tank
ID
bottom
JPS2013秋季大会
Main return
pump A/B
高知大学
膜脱気システム
ラドン除去のため、SK-IIの時代に
最終段に追加された脱気膜ユニット
2011年に2倍に増強
膜モジュール
DIC(株) EF-040P-JO
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
13
膜脱気ユニット有無でのRn濃度比較
今回膜脱気ユニットをバイパスして送水のRn濃度を測定した。
膜脱気有での濃縮ラドンの崩壊
通水量680L
膜脱気無での濃縮ラドンの崩壊
通水量580L
報告済み
Preliminary
送水ラドン濃度
送水ラドン濃度
3.1±0.7mBq/m3
4.1±1.0mBq/m3
膜脱気ユニットの有無でラドン濃度変わっていないように見える！
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
14
ラドン除去の効率
SK NOTE 2001-1
本モジュールのラドン除去効率は
～90％と報告されている。
その後のユニット導入後の評価
は今回までされていなかった。
(2001年だったから)
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
15
原因の追究
ユニット化に際し、使用したEPDMガスケット(120枚)が怪しい
→ラドンの放出を測定した。
超純水システムに一般的な脱脂処理を施した
エチレン－プロピレン－ジエンゴム（EPDM）
関谷洋之
2013.9.21
Rn放出が少ないと報告があったので
比較のためのウレタンガスケット
JPS2013秋季大会
高知大学
16
(ガス中への)放出ラドン測定システム
露点計
-70℃
熱浴
ラドン検出器
系の体積
１００Ｌ
循環ポンプ
サンプル容器
0.8L/minで循環
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
17
測定
BG
2013年2月10日 -2013年3月10日
5.153± 0.279 mBq/m3
EPDM(10枚) 2013年5月14日 -2013年5月26日
187.59± 2.51 mBq/m3
ウレタン(20枚) 2013年9月7日 -2013年9月16日
7.736± 0.649 mBq/m3
ガスケットから空気中へのRn放出量
EPDM
ウレタン
1.82 ±0.03 mBq/枚
0.013±0.004 mBq/枚
EPDMガスケットが明らかにRn放出多い
水中放出レートは未測定だが、放出しつつ90%除去で膜脱気意味無状態の可能性
→ウレタンガスケットへ変更(リスク伴うが)するべき
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
18
結論
• ＳＫに残るラドン源を探る研究をしている
• ＳＫタンク内起源もあるけれど、送水起源の分も
あることが分かった
• そのレベルまでＢＧを下げたということ
• タンク内起源のものは対応難しいが、純水装置
起源のものは改善をめざす
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
19
Extra slides
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
20
高感度ラドン検出器
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
21
水中ラドン測定システム
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
22
水中ラドン測定方法１
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
23
水中ラドン測定方法２
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
24
水中濃度の導出１
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
25
水中濃度導出２
関谷洋之
測定系のＢＧ
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
26
ガス中への放出測定 1日毎の濃度
BG
関谷洋之
ウレタン
EPDM
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
27
Super-K water transparency
@ Cherenkov light wavelength
Measured by decay e-e+ from cosmic m-m+
SK-III
SK-IV
Started automatic
temperature control
anti-correlated with
Supply water temperature
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学
28
冷却水による2重ＰＩＤ温度コントロール

Pure water flow 60t/h →55t/h
HE
3
SK
HE
4
HE
1
New
Pump
PIT
Ditch water stream
Cold & clear
関谷洋之
2013.9.21
JPS2013秋季大会
高知大学

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