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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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純水中のRn除去についての検証
関谷洋之
2013.9.21
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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
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Main return
pump A/B
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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
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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
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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
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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
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(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
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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
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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
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Extra slides
関谷洋之
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20
高感度ラドン検出器
関谷洋之
2013.9.21
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水中ラドン測定システム
関谷洋之
2013.9.21
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水中ラドン測定方法１
関谷洋之
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水中ラドン測定方法２
関谷洋之
2013.9.21
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水中濃度の導出１
関谷洋之
2013.9.21
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25
水中濃度導出２
関谷洋之
測定系のＢＧ
2013.9.21
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ガス中への放出測定 1日毎の濃度
BG
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ウレタン
EPDM
2013.9.21
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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
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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
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