S uper- Kamiokande のラドンによるバックグラウンドについての研究...

関谷洋之　　　　　　　 2013.9.21 JPS2013 秋季大会高知大学

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

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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 2

ne

太陽ニュートリノ測定の意義

Vacuum oscillation dominant

Matter oscillation dominant

up-turn!

Neutrino survival probability

太陽の物質効果による” Energy spectrum up-turn”

MSW 効果の検証


現状

BOREXINO

SNO KamLAND

Super-K

より高統計、より低バックグラウンド化が必要

3


これまでの努力

イベントレート4.0-4.5MeV(kin.)

Stable low background level

太陽方向分布 3.5~4.0MeV(kin.)

3.5MeV 閾値の達成！ Solar peak ~7.5σ level

even

t/da

y/kt

on

SK-IV

SK-IIISK-III

4

SK-IV


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

5

3.5MeV-4.5MeVEvent distributionReturn to

Water system

PurifiedWater supply

r2

Temperature gradation in Z

The difference is only 0.2 oC


BG レートから求まるラドン濃度

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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　日本物理学会第 62 回大会 (2007年 )


Rn 濃度の直接測定

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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


Rn 源は何なのか

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給水に 3mBq/m3 あるとすると

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

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

～ 3.5 mBq/m3

底部内水槽の対流層６ｍのラドン濃度は


送水口SK-IV final sample z<-15m

ガラスが詰まっている？


しかし、別の解釈も可能

底部の 1740 PMT+FRPs が寄与するとすると

1cmφ 　 HOLEs

2 mBq/PMT/day x 1740 x 5.48 day 16.9m x 16.9m x 3.14 x 6m

～ 3.5 mBq/m3

Rn の放出レート 2mBq/1PMT/day

底部内水槽の対流層６ｍのラドン濃度は

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

SK NOTE 97-05


純水中の Rn 除去についての検証

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Super-Kamiokande Water System

reject (drain)

reject (drain)

mine water

drainreject

Primary pump

filter

filter

RO-1 pump

RO-2pump

RO water tankpost RO pump

RO-2

RO-1-1

vacuum degasifier

RO-3

reject

RO-3 pump

Ion exchanger 1/2

UVsterilizer

purified water supply pump A/B

A

B

SKtank

ultra filter membrane degasifier

reject

550

Rn-free-air dissolving tank

PI-1

PI-2 PI-3

PI-8 PI-9

PI-A PI-B

strainerFI-1

FI-2

PI-5

PI-11

PI-18

FI-10

FI-101

PI-20TIA-2

FI-6

FI-7

FI-204

FI-5

FI-3

FP-4 FP-5

FI-202

RT-3

RT-4RT-2

RT-1

CIA-1

CIA-6

CIA-2

CIA-3

CIA-4

TI-101CV-1

IDbottom

FI-ID

CIA

CV-2

v94

700

compensation pump strainer

UF reject tank

HE1

rejectHE3 reject UF reject pump

Main return pump A/B

HE4

PI-C

RO-1-2


膜脱気システム

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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


膜脱気ユニット有無での Rn 濃度比較

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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！

膜脱気有での濃縮ラドンの崩壊膜脱気無での濃縮ラドンの崩壊

報告済み Preliminary

送水ラドン濃度3.1±0.7mBq/m3

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。

送水ラドン濃度4.1±1.0mBq/m3

通水量 680L 通水量 580L


ラドン除去の効率

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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 )

SK NOTE 2001-1


原因の追究

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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）

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。

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　


( ガス中への ) 放出ラドン測定システム

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循環ポンプサンプル容器

ラドン検出器

露点計

-70℃熱浴

系の体積１００Ｌ

0.8L/min で循環


測定

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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

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

EPDM 　　　　　　 1.82 　 ±0.03 　 mBq/枚ウレタン　　　　 0.013±0.004 mBq/枚

ガスケットから空気中への Rn 放出量


結論

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• 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


Extra slides

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高感度ラドン検出器

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水中ラドン測定システム

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水中ラドン測定方法１

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水中ラドン測定方法２

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水中濃度の導出１

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水中濃度導出２　　測定系のＢＧ

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ガス中への放出測定　 1 日毎の濃度

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BG EPDM ウレタン


Super-K water transparency

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anti-correlated with Supply water temperature

@ Cherenkov light wavelengthMeasured by decay e-e+ from cosmic m-m+

SK-IVSK-III

Started automatic temperature control


冷却水による 2 重ＰＩＤ温度コントロール

SK

PIT

HE1

HE3

Cold & clear

Ditch water stream

New Pump

Pure water flow 60t/h →55t/h

HE4

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