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地下環境sub-MeV中性子測定へ 向けた原子核乾板検出器の開発 白石 卓也 東邦大学 博士研究員 2020/06/02 @ 新学術領域「地下宇宙」合同研究会

地下環境sub-MeV中性子測定へ 向けた原子核乾板検 …グランサッソ→北緯:42.5 東経:13.6 高度:1.0 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04

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地下環境sub-MeV中性子測定へ向けた原子核乾板検出器の開発

白石 卓也

東邦大学 博士研究員

2020/06/02 @ 新学術領域「地下宇宙」合同研究会

Page 2: 地下環境sub-MeV中性子測定へ 向けた原子核乾板検 …グランサッソ→北緯:42.5 東経:13.6 高度:1.0 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04

Nano Imaging Tracker (NIT) as a Sub-MeV Neutron Detector• NIT is a nuclear emulsion tracking detector with achieving submicro-

metric accuracy

• It developed for Directional Dark Matter Search, also has high potential as a sub-MeV neutron detector

• The principle is to detect elastic collision with hydrogen contained 1.7% in NIT

5mm

Neutron

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Motivation• Background study for WIMP or 0n2b search

• If assumed DAMA signal (Eee=2~6keV) as neutron, it’s energy region is sub-MeV

• It should be well understood

• Reactor Neutron Imaging …

En (keV)

Other detectors @LNGS

22040

This study

DAMA signal assumed as neutron

Na (QF=0.3)

Na (QF=0.15)

Rp,max (mm)

720 2200

509.72.00.4

1000

151.1

13080

0.7

250

2.4

I (QF=0.09)

No spectrum and directional data in sub-MeV environmental neutron at LNGS

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Monochromatic Neutron Exposure at AIST

Sample3822.5keV

Sample2540.5keV

Sample1405.0keV

100cm

100cm

20°

60°

16°

Proton

Target (Li or T)

Neutron

50cm

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Reconstructed Energy vs AIST Energy

Energy Reconstruction by Manual AnalysisRp vs Ep in NIT

𝑬𝒏 =𝑬𝒑

𝒄𝒐𝒔²𝜽𝒑

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Comparison with Geant4Simulation

Data(Sample2): 451 ± 39 events, Simulation: 489 ± 30 events Manual Analysis Data is good agreement with Monte Carlo Simulation

Monochromatic Neutron

NIT

Geometry for Geant4

Head and Tail points of the simulation are smeared with optical resolution

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Automatic AnalysisRaw Image Filtering

BanalizationContour Detection

Detect contours in all layers Best focus selection by Clustering

5mm

116 layer images taken by PTS3

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Automatic Analysis3 Dimensional Chain Tracking AlgorithmClustering

Chain Tracking

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Automatic Analysis

After manual check for triggered events by Automatic Analysis

Manual Check

Number of Events in these analysis

Chain analysis is good trigger for proton recoil tracks!

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Performance of Automatic Analysis

Comparison with Manual and Automatic analysis

Energy reconstruction accuracy is comparable with Manual Analysis

Recognition efficiency for recoil-proton is ~70%

𝑅𝑒𝑐𝑜𝑔𝑛𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 ≡𝐴𝑢𝑡𝑜𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐 𝐴𝑛𝑎𝑙𝑦𝑠𝑖𝑠

𝑀𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝐴𝑛𝑎𝑙𝑦𝑠𝑖𝑠

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g-rays Rejection Power

No significant g-ray excess both of 2 samples NIT has quite high g-rays rejection power!

We prepared 2 type of g-ray exposed samples

Automatic Scanning Results

This is comparable to the 10 years exposure in LNGS environment

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Surface Run @ LNGS

Zenith Angle3D Range

Red:DataBlue:EXPACS Flux +

Geant4 Simulation

12

Data @ 4um~15um (400keV~2.5MeV)(6.9±1.7)×10-3 [neutron/cm2/s]

Simulation using EXPACS and Geant4 7.7×10-3 [neutron/cm2/s]

Nu

mb

er

of

pro

ton

( /

4.6

g・d

ay)

Nu

mb

er

of

pro

ton

( /

4.6

g・d

ay)

NIT was installed outside the building Analyzed Amount: 4.6 g・day

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For Underground Run

Image Data Taking(~ 0.8 s/view)

Current Analysis Speed= 2.4 s/view= 12 g/year

Chain Analysis(Filtering: 1.4 s/view, Other: 0.2 s/view)

This should be faster by using GPU

Surface Run is available!

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Summary

• NIT also has high potential as sub-MeV neutron detector• High detection efficiency, energy resolution, directionality and quite high g-

rays rejection power

• We developed the Automatic Analysis as the proton recoil trigger for large scale analysis• Still developing (should be optimized)

• Contaminated dust in NIT can be 1 order decrease by through 0.22um filter• There are some parameters (e.g. brightness, shape, linearity, …), almost of them are not

used yet

• Analysis speed must be 10 times faster for Underground Run• It has been already shown to be faster with GPU processing

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Backup

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1.00E-06

1.00E-05

1.00E-04

1.00E-03

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

1.00E+01

1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02

Ne

utr

on

flu

x

(10

^-6

ne

utr

on

/cm

^2・

s)

Neutron energy (MeV)⁶Li液体シンチレーター プラスチックシンチレーター BF₃比例計数管 ³He比例計数管

6Li liquid scintillator(Hall A)

Plastic Scintillator(Hall C)

BF3 Counter(Hall A)

3He Counter (Tunnel)

No spectrum and directional data in sub-MeV

Environmental Neutron Measurement@LNGS Underground

Neutron Detector Energy Range g-ray rejection power

DetectionEfficiency

EnergySpectrum

Directionality

Organic Scintillator 1MeV~100MeV Bad Good Good Bad

BF₃ ,3He Counter thermal~20MeV Good Good Bad Bad

Proton-recoil Proportional Counter

10keV~2MeV Bad Bad Good Bad

NIT Sub-MeV~ Good Good Good Good

H. Wulandari, et al., Astropart. Phys. 22 (2004) 313.A. Rindi, et al., Nucl. Inst. Meth. A, 272 (1988) 871.

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Manual Analysis

3D track of recoil protonHead(x1,y1,z1)

Tail(x2,y2,z2)5mm

qp

Accuracyx, y :0.14 mmz : 0.60 mm

Neutron

Rp

Range Cut > 2um

Proton Range vs Energy in NIT(Geant4 simulation)

𝑬𝒏 = 𝑬𝒑 𝒄𝒐𝒔²𝜽𝒑

451 events are found in Sample2 by Manual Analysis

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Automatic AnalysisRaw Image Filtering

BanalizationContour Detection

Detect contours in all layers Best focus selection by Clustering

5mm

116 layer images taken by PTS3

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Automatic Analysis3 Dimensional Chain Tracking AlgorithmClustering

Chain Tracking

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Recognition Accuracy by Automatic Analysis

Recognition efficiency for recoil-proton is ~70%

𝑅𝑒𝑐𝑜𝑔𝑛𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 ≡𝐴𝑢𝑡𝑜𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐 𝐴𝑛𝑎𝑙𝑦𝑠𝑖𝑠

𝑀𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝐴𝑛𝑎𝑙𝑦𝑠𝑖𝑠

Comparison with Manual and Automatic analysis

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Cooler Box

Aluminum Foil

Water Shield

NIT + Shading Pack

The neutron flux of Surface is 1000 times higher than that of Underground in LNGS

NIT was installed outside the building Exposure Time: 140 hours Analyzed Mass Scale: 780 mg Analyzed Amount: 4.6 g・day

33cm

16cm

Demonstration experiment for sub-MeV environmental neutron detection

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Surface Run @ LNGS

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Surface Run @ LNGSZenith Angle3D Range

Red:DataBlue:EXPACS Flux +

Geant4 Simulation

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Data @ 4um~15um (400keV~2.5MeV)(6.9±1.7)×10-3 [neutron/cm2/s]

Simulation using EXPACS and Geant4 7.7×10-3 [neutron/cm2/s]

Nu

mb

er

of

pro

ton

( /

4.6

g・d

ay)

Nu

mb

er

of

pro

ton

( /

4.6

g・d

ay)

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1.00E-12

1.00E-11

1.00E-10

1.00E-09

1.00E-08

1.00E-07

1.00E-06

1.00E-05

1.00E-04

1.00E-03

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

1.00E+01

1.00E+02

1.00E-02 1.00E+00 1.00E+02 1.00E+04

φ(/

cm2/

s/(M

eV/n

)/sr

)

Energy (MeV/n)

Condition 1

Condition 2

Condition 3

Condition 4

60°

120°

180°

Surface Neutron Flux expected by EXPACS

24

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Geant4 Simulation @ LNGS SurfaceEXPACSによって地上の中性子fluxを設定しそれをGeant4で照射地上の条件グランサッソ→北緯:42.5 東経:13.6 高度:1.0㎞

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05

プロットした各粒子のフラックス

(/cm

2/s

/(M

eV/n

))

エネルギー(MeV/n)

PARMAモデルで計算した大気中宇宙線フラックス(角度積分値)

10㎜10㎜

100㎜

Neutron

上から来る中性子のみを考えるので下面からの中性子は発生しないものとする

球面から等方的に中性子を照射

1MeV

25