xmass 800kg 実験における 循環システムの性能評価...xmass 800kg 実験における...
TRANSCRIPT
XMASS 800kg 実験における
循環システムの性能評価
東京大学大学院理学系研究科物理学専攻
076081
中島勇波
平成 21 年 1 月
概要
現在、さまざまな観測結果から、宇宙の物質の大部分が暗黒物質であることが明らかにな
っており、暗黒物質の解明は、宇宙物理学と素粒子物理学への大きな貢献となり得る。
XMASS 実験は液体キセノン(Xe)を用いた多目的な低バックグラウンド実験であり、暗黒物
質の探索・太陽ニュートリノ振動の精密測定・ニュートリノ質量の直接測定を目指してい
る。
暗黒物質のシグナルは低エネルギー側に立ち上がる特徴を持ち、頻度も低いので低バック
グラウンドの環境が求められる。XMASS 実験は液体 Xe の持つ自己遮蔽能力を生かし、大
量のXeを用意してその中心部での低バックグラウンド環境を作り出すことが主となるアイ
ディアである。
よって、検出器及び Xe に含まれる不純物は必ず取り除かなければならないのであり、特に
PMT や Chamber 由来の不純物は導入後に取り除かねばならない。不純物とは PMT から
の Rn 湧き出しや水分である。これらは放射性バックグラウンドや PMT でとらえる光量の
減尐につながるものである。これらは循環機を用いて液体 Xe を循環させることで取り除く
予定である。
本論文では、その 800kg 検出器で用いる予定の循環機で液体 Xe が循環できるか、またそ
の循環能力を検証した。この時、ポンプの能力・冷凍機の能力・フィルターの圧損を測定
した。
その結果、循環機の性能は期待通りであり、流量は目標を超える 1.5L/min で循環できた。
また、プロトタイプ検出器を用いて、実際に検出器と循環機で循環し Xe の不純物の変化を
測定した。
その結果、水分等の不純物を除去でき光量は 100kg 検出器の構造で約 2 倍になった。しか
し、Xe 中の Rn については取り除くことが出来ず、今後に課題を残すことになった。
本論文により、800kg 検出器で用いる循環機の目標とされるバックグラウンドレベルを達
成するためには更なるテストが必要である。との結論を得た。
なお、本論文の流れは、
第 1 章では、背景にある物理を説明し XMASS 実験の意義を述べる。
第 2 章では XMASS 実験において Xe を循環する必要性について述べる。
第 3 章・第 4 章では、循環機と Xe の純化の為に、使用するフィルターについて述べる。
第 5 章では、循環機単体での性能評価を行う。
第 6 章では、フィルターによる不純物除去実験の結果を述べる。
最後に第 7 章では実験のまとめと今後の課題を述べる。
1
目次 第 1 章 序論........................................................................................................................4
1.1 暗黒物質 ....................................................................................................................4
1.1.1 暗黒物質の存在 ..................................................................................................4
1.1.2 宇宙物質密度・エネルギー密度 ........................................................................5
1.2 暗黒物質の候補 .........................................................................................................6
1.2.1 バリオン候補 .....................................................................................................6
1.2.2 非バリオン候補 ..................................................................................................6
1.3 WIMP........................................................................................................................7
1.3.1 MSSM ................................................................................................................7
1.3.2 ニュートラリーノ ..............................................................................................8
1.4 暗黒物質としてのニュートラリーノ探索実験と現状 ...............................................9
1.4.1 ニュートラリーノ直接検出 ...............................................................................9
1.4.2 直接探索実験 ................................................................................................... 11
1.4.3 間接検出実験 .................................................................................................. 12
1.4.4 ニュートラリーノ探索の現状 ......................................................................... 13
1.5 まとめ..................................................................................................................... 15
第 2 章 XMASS 実験 ...................................................................................................... 16
2.1 液体 Xe の諸特性 ................................................................................................... 17
2.2 バックグラウンド .................................................................................................. 21
2.2.1 検出器外部のバックグラウンド ..................................................................... 21
2.2.2 Xe 内部のバッググラウンド ........................................................................... 22
2.2.3 Xe 内部の不純物 ............................................................................................. 26
2.3 800kg 検出器 ......................................................................................................... 27
2.3.1 Xe 中の不純物低減 ......................................................................................... 28
第 3 章 循環機 ................................................................................................................. 30
3.1 800kg 検出器での循環の概要 ................................................................................ 30
3.2 バルブ..................................................................................................................... 31
3.3 ポンプ..................................................................................................................... 31
3.4 冷凍機..................................................................................................................... 32
3.5 センサー ................................................................................................................. 33
3.5.1 温度計 ............................................................................................................. 33
3.5.2 圧力計 ............................................................................................................. 33
3.5.3 流量計 ............................................................................................................. 33
3.6 液面計..................................................................................................................... 34
2
3.6.1 ポイント液面計 ............................................................................................... 34
3.6.2 キャパシタンス液面計 .................................................................................... 34
3.6.3 キャパシタンス液面計テスト ......................................................................... 35
3.6.4 テスト中のキャパシタンス液面計の結果....................................................... 36
3.7 安全機構 ................................................................................................................. 36
3.8 まとめ..................................................................................................................... 37
第 4 章 フィルター.......................................................................................................... 38
4.1 モレキュラーシーブ(Molecular Sieve) ................................................................. 38
4.1.1 MS における目標バックグラウンド .............................................................. 38
4.1.2 商用 MS のバックグラウンド評価 ................................................................. 39
4.1.3 低バックグラウンド MS の作成 ..................................................................... 42
4.2 活性炭..................................................................................................................... 43
4.3 フィルターのコンテナ ........................................................................................... 45
4.4 圧力損失測定 .......................................................................................................... 46
4.4.1 セットアップ .................................................................................................. 46
4.5 まとめ..................................................................................................................... 50
第 5 章 自己循環テスト(循環機テスト 1) ....................................................................... 51
5.1 Flow 図 ................................................................................................................... 51
5.2 テスト内容 ............................................................................................................. 51
5.3 センサー位置 .......................................................................................................... 52
5.3.1 温度計 ............................................................................................................. 52
5.3.2 圧力計 ............................................................................................................. 53
5.3.3 流量計 ............................................................................................................. 53
5.3.4 液面計 ............................................................................................................. 53
5.4 結果 ........................................................................................................................ 54
5.4.1 ポンプの回転数と流量と発生圧力 ................................................................. 54
5.5 フィルター圧力損失 ............................................................................................... 54
5.6 まとめ..................................................................................................................... 56
第 6 章 不純物除去テスト(循環テスト２) ...................................................................... 57
6.1 Flow 図 ................................................................................................................... 57
6.2 テスト内容 ............................................................................................................. 57
6.3 循環機センサー位置 ............................................................................................... 58
6.3.1 温度計 ............................................................................................................. 58
6.4 プロトタイプ検出器 ............................................................................................... 59
6.4.1 プロトタイプ検出器の構造 ............................................................................ 59
6.4.2 放射線遮蔽体 .................................................................................................. 60
3
6.4.3 低バックグラウンド PMT .............................................................................. 61
6.4.4 使用している PMT ......................................................................................... 61
6.4.5 DAQ ................................................................................................................ 62
6.5 結果１（プロトタイプとの循環） ......................................................................... 64
6.5.1 プロトタイプ検出器との接続 ......................................................................... 64
6.5.2 プロトタイプ検出器との循環流量 ................................................................. 64
6.6 結果２（水分除去による光量変化） ..................................................................... 64
6.7 結果３（Xe 中の Rｎの変化）............................................................................... 67
6.7.1 U238 からの Rn 事象の選別 ............................................................................ 67
6.7.2 循環後の U238 からの Rn 事象の選別 ............................................................. 70
6.7.3 U 系列バックグラウンドの時間変動.............................................................. 73
6.7.4 Th232 からの Rn 事象の選別 ........................................................................... 79
6.7.5 循環機での Rn の見積もり ............................................................................. 82
6.8 まとめ..................................................................................................................... 83
第 7 章 まとめ ................................................................................................................. 85
4
第1章 序論
1.1 暗黒物質
1.1.1 暗黒物質の存在
暗黒物質の存在の予言は銀河の回転曲線の観測からなされた。ケプラーの法則から求めら
れる渦状銀河の回転速度分布は次のようになる。
r
rMGv
)(2
数式 1.1
で与えられる。ここで、G は重力定数、質量分布 M(r)は半径 r 内の全質量である。よって、
回転曲線を観測することで質量分布 M(r)を決定できる。図 1-1 [1]に渦巻銀河の回転角速度
を中心からの距離の関数として表した回転曲線を示す。破線(disk)と点線(gas)はそれぞれ、
回転速度に対する観測された銀河円盤とガスの寄与を示しており。破点線(halo)は観測され
てない暗黒ハローからの寄与を表す。もし、銀河が観測できる物質だけで出来ていると、
回転曲線は距離 r とともに減尐するはずである。しかし、図 1-1 は回転曲線が r が大きく
なっても一定の値を持っている。この観測結果は、観測されていない輝かない物質、つま
り、暗黒物質の存在を示している。
図 1-1:渦巻銀河 NGC6503 の回転曲線
5
1.1.2 宇宙物質密度・エネルギー密度
宇宙背景放射の測定等から宇宙のエネルギー密度は求めることが出来る。 i は、臨界密度
に対する、ある宇宙構成要素のエネルギーの比で、以下の式で表される。
c
ii
数式 1.2
ここで、 i は構成要素ｉのエネルギー密度である。 c は臨界密度で、以下の式で表される。
N
oc
G
H
8
3 2
数式 1.3
ここで、 oH ハッブル定数で、 NG は重力定数である。宇宙全体のエネルギー密度が臨界密
度であるとき、平衡状態となり平坦な宇宙となる。宇宙全体のエネルギー密度 tot は、以
下のようになる。
Miitot
数式 1.4
ここで、 M は宇宙の物質密度。 は、宇宙のエネルギー密度である。近年の WMAP に
よる宇宙背景放射の結果から、[2] [3]
02.002.1 tot
数式 1.5
04.073.0
数式 1.6
04.027.0 M
数式 1.7
となった。したがって宇宙は平坦であり、宇宙全体のエネルギー密度の内、約２７％が物
質密度であった。また、この物質密度 M は、
CDMBM
数式 1.8
に分けることができる。ここで、 B はバリオン密度で、 CDM は冷たい暗黒物質密度であ
る。WMAP 等の結果から、[2] [3]
004.0044.0 B
数式 1.9
004.0226.0 CDM
数式 1.10
となり、宇宙の物質の中での比は、通常のバリオン物質：冷たい暗黒物質＝1:5 であり、大
部分が冷たい暗黒物質であることが分かった。これらについては次節で詳しく説明する。
6
1.2 暗黒物質の候補
暗黒物質の候補はバリオン候補と、非バリオン候補と大きく２つに分けられる。本節では
これらの特徴について述べる。
1.2.1 バリオン候補
バリオン候補には白色矮星・中性子星・ブラックホールなどがある。これらを総称して
MACHO（MAssive Compact Halo Objects）と呼ぶ。MACHO が惑星の光線上を通過する
ことで、惑星の光が増光する。その効果を観測する実験が MACHO、EROS、OGLE で行
われた。特に MACHO プロジェクト [4]では、LargeMagellanic Cloud の 8.5 億個の惑星
の光の曲線を観測し、8 個の候補が見つかった。この 8 候補は予想されるバックグラウンド
以上ではあるが、銀河のダークハローの主要な成分に成りうるとは考えられない。実際、
0.5 SolarM の質量を持つと推測され、これによるハローの質量の 3％以下である。したがっ
て、MACHO の観測結果によると、バリオン候補は確かに暗黒物質の一部ではあるが、主
要な成分に成りえないことを示す。よって、暗黒物質の主要な成分は次に示す非バリオン
候補であることが分かる。
1.2.2 非バリオン候補
非バリオン候補は、”Hot”と”Cold”の 2 つに分類することが出来る。2 つの違いは平衡状態
から分離されるときに相対論的であるか（”Hot”）、非相対論的であるか(“Cold”)である。
“Hot”暗黒物質
"Hot"暗黒物質として、ニュートリノが挙げられる。ニュートリノは、SuperKamiokande
の大気ニュートリノ観測 [5]や、太陽ニュートリノ観測 [6]から質量があることが証明され
た。これらのニュートリノ観測の結果から、
23225 103107 eVmeV
数式 1.11
程度の値である。もし、ニュートリノの質量が 1-50 eV の範囲内であるならば、暗黒物質
の重要な要素になる。なおかつ、20eV以上なら暗黒物質のほとんどがニュートリノである。
しかし、tritium decay での実験の結果 [7]から質量の上限 limit は 2.8eV である。よって、
ニュートリノの臨界密度への寄与は、
18.0001.0
数式 1.12
となる。ニュートリノは暗黒物質の 1 部を占めるが主要な要素とはならないと言える。
“Cold”暗黒物質
"Cold"暗黒物質の候補として、Weakly Interactiing Massive Particle(WIMP)とアクシオン
が考えられる。
アクシオン アクシオンは、1977 年に Peccei,Quinn [8]が、強い相互作用での CP 不
変性の破れを、標準モデルの最小限の拡張で解決するために提案された粒子である。
eVeV 26 1010 ～ の範囲の質量であれば、アクシオンは”Cold”暗黒物質となる。
7
Weakly Interacting Massive Particle(WIMP) WIMP は冷たい暗黒物質の候補であ
る。WIMP の中でも、最も有力視されているのが、ニュートラリーノである。ニュー
トラリーノとは、超対称性理論で存在が予言されている超対称性粒子の中で最も質量
が軽い粒子 LSP(Lightest Super symmetric particle)である。LSP は R-Parity 保存の
為に安定であることが仮定されているので、暗黒物質として宇宙に大量に残存するこ
とが出来る。これについては次節で詳しく説明する。
1.3 WIMP
現在、素粒子物理学の世界で使われている標準理論は、多くの加速器実験の結果を説明す
ることが出来ている。しかし、いくつかの問題があり、それらは標準理論を拡張した超対
称性理論を用いることで解決できると考えられている。標準理論の問題とは、
自然性の問題
重力を含む統一理論を作ることが出来ない
大統一理論における階層問題
大統一理論では、重力を除く相互作用が大統一する GeVO )10( 15と、電弱相互作用が統一
する GeVO )10( 2という 2 つのエネルギースケールが存在する。これらのエネルギースケー
ルは 13 桁も離れており、これらを 1 つの理論で扱わなくてはいけない。この理論で物理量
を計算するとするとかなりの精度での初期パラメータの補正が必要となる。この為、多く
の物理量は実質的に予測できなくなってしまう。超対称性の拡張を行うことで、この補正
の項を打ち消すことが出来る。次の節では、超対称性の拡張の中の 1 つ MSSM について述
べる。
1.3.1 MSSM
The Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model(MSSM)は、標準理論の
最小限の拡張で、標準理論のいくつかの疑問を説明する理論である。MSSM では、標準粒
子とそれに対称な超対称性粒子で構成される。具体的には標準理論で jSpin を持つ粒子
の超対称性粒子(SUSY)は2
1jSpin を持つ。その他の粒子数は同じである。超対称性理
論で提案されている粒子を、次の表 1-1 で示す。これらの中で、ニュートラリーノ(0~ )に
ついては次節で述べる。
8
Normal particle SUSY particle
Symbol Name Spin Symbol Name Spin
tcuq ,, Up quarks 1/2 61 ~,,~uu qq Up squarks 0
bsdq ,, Down quarks 1/2 61 ~,,~dd qq Down squarks 0
,,el Leptons 1/2 61
~,,
~ll Sleptons 0
,,e Neutrinos 1/2 321~,~,~ Sneutirons 0
g Gluons 1 g~ Gluinos 1/2
W W bosons 1
21
~,~ Charginos 1/2 H
Charged
Higgs 0
Photon 1
04
01
~,,~ Neutralinos 1/2
0Z Z boson 1
)( 02
0 Hh Light scalar
Higgs 0
)( 01
0 HH Heavy scalar
Higgs 0
),( 003
0 PHA Pseudoscalar
Higgs 0
表 1-1:MSSM における素粒子
1.3.2 ニュートラリーノ
MSSM では、超対称性粒子と標準粒子の相互作用は、”R-parity”に支配される。”R-parity”
は以下のように定義される。
SLBR 23)1(
数式 1.13
ここで、B は baryon number、L は lepton number、S は spin である。これに従うと、超
対称性粒子は奇数(-1)、標準粒子は(+1)の R-parity を持つことになる。MSSM では R-parity
は保存するので、重い超対称性粒子はより軽い超対称性粒子に崩壊していくが、最も軽い
超対称性粒子は安定である。標準粒子に崩壊すると、R-parity 保存を破るからである。
最も軽い超対称性粒子(LSP)は photino )~( 、zino )~
(Z 、higgsino )~
,~
( 21 HH の線形結合で表
9
されられる。また、photino )~( 、zino )~
(Z は、以下のように表される。
3
~sin
~cos~ WB ww
数式 1.14
3
~cos
~sin
~WBZ ww
数式 1.15
ここで、B~、 3
~W は、gauge boson の超対称性粒子である。したがって、ニュートラリーノ
)( は以下のように表される。
2413321
~~~~HaHaWaBa
数式 1.16
1.4 暗黒物質としてのニュートラリーノ探索実験と現状
暗黒物質として、ニュートラリーノを捕らえようとする試みは現在、世界中でなされてい
る。この節では、ニュートリノの検出原理・実際に世界で行われている実験の現状を述べ
る。
1.4.1 ニュートラリーノ直接検出
ニュートラリーノは原子核との弾性散乱を通して直接探索を行うことが出来る。ニュート
ラリーノと原子核の弾性散乱の反応断面積は、ニュートラリーノと quark の相互作用の強
さによって決まる。またニュートラリーノと原子核の相互作用には、次の 2 つの候補があ
る。
スカラー相互作用(スピンに依存しない相互作用)
軸ベクトル相互作用(スピンに依存する相互作用)
次に示す図 1-2 は、スピンに依存しない相互作用をする時の quark とニュートラリーノの
弾性散乱のファインマン図である。スピンに依存しない相互作用では、ニュートラリーノ
は原子核の質量数 A と結合して相互作用を行う。
10
図 1-2 quark とニュートラリーノの弾性散乱の Feynman diagram (スピンに依存しない
相互作用)
次に、図 1-3 では、スピンに依存する相互作用する時の quark とニュートラリーノの弾性
散乱のファインマン図である。スピンに依存する相互作用する時、ニュートラリーノは原
子核のスピンと結合して相互作用を行う。
図 1-3 quark とニュートラリーノの弾性散乱の Feynman diagram (スピンに依存する相
互作用)
直接検出ではこれらのイベントを検出する。しかし、数 keV から数十 keV の領域では、
1dru(event/kg/day/kev) 以下の event rate で有ると予想される。したがって、直接検出す
るためには、低エネルギー閾値、低バックグラウンド環境、大質量検出器が必要となる。
次の節では、実際の直接探索実験で用いられている方法を述べる。
11
1.4.2 直接探索実験
この節では、直接探索実験で実際用いられる方法の利点と問題点について述べる。
イオン化検出器
イオン化検出器である Ge 検出器は、次の利点がある。
エネルギー分解能が良い
超高純度の結晶が手に入りやすい
しかし、Ge 検出器の大型化と低バックグラウンド化が進められると、次のような問題点が
出てきた。
大型化するとエネルギー閾値が上がる
高価である
トリチウムバックグラウンドの問題
原子核反跳と電子反跳の区別が出来ない
さらに自然に存在する Ge 自体に次のような特性がある
スピンに依存しない相互作用に主に感度があり、スピンに依存する相互作用には感度
が小さい
シンチレーション検出器
シンチレーション検出器は次のような利点がある。
大きな体積を作りやすい
スピンが 0 でない同位体の利用も比較的容易な為、スピンに依存する相互作用にも依
存しない相互作用にも感度がある
原子核反跳と電子反跳ではシンチレーション光の時定数が異なる。その為、波形識別
できる可能性がある
一方、問題点として
原子核反跳の場合、消光により光量が減尐する
有効かつ信頼性のある波形識別の方法が暗黒物質探索のエネルギー領域では確立で確
立できていない
ボロメータ検出器
ボロメータとは、超低温に冷却したターゲットの温度上昇を観測することで入射粒子を測
定する。ボロメータには次のような利点がある。
エネルギー分解能が良い
エネルギー閾値が低い
一方欠点として、
大質量化が難しい
そのままでは粒子識別が出来ない
混成タイプ検出器
原子核反跳と電子反跳のシグナルが区別できれば、バックグラウンドの除去に有効である。
12
そこで、それらの区別をするために混成タイプ検出器では、原子核反跳と電子反跳のシグ
ナルを 2 つのタイプのシグナルを測定することで区別しようとしている。
混成タイプの検出器の例として、Ge ターゲットのイオン化シグナルと phonon の 2 つを測
定する CDMS 実験 [10]がある。
XENON 実験 [11]で用いられている 2 相式 Xe 検出器も混成タイプの検出器である。2 相式
Xe 検出器は、ガス Xe と液体 Xe の 2 相で構成されている。密度が違うのでイベントのほと
んどは液体 Xe 中で起こり、Xe の励起とイオン化が起こる。励起状態から第 1 シンチレー
ション光が発生し、それを PMT で測定する。同時にイオン化された電子を電場でガス Xe
相まで移動させ、ガス Xe 相に張ってあるアノードワイヤーでこの電子を増幅させる。それ
らの電子から第 2 シンチレーション光を発生させ、PMT で測定する。
この第1と第2のシンチレーション光は約１μsと長いので、2つのシグナルは区別できる。
また、第 1 と第 2 のシンチレーション光の大きさの比から原子核反跳か電子反跳かを区別
出来る。詳しく述べると、原子核反跳では電離密度が高いので、媒質中でイオン化電子が
再結合する割合が多く、電子反跳では尐ない。よって、原子核反跳の方が第 2 シンチレー
ション光が尐なくなり、電子反跳では多くなる。
1.4.3 間接検出実験
ニュートラリーノは地球や太陽、銀河などでトラップされて他のニュートラリーノと対消
滅を起こす。表 1-2 に対消滅の過程を示す。図 1-4 に対消滅によって fermion 生成過程を
示す。
Annihilation Channel
ff
WW
00ZZ HWHW ,
00AZ 0000 , hZHZ
00000000 ,,, hHhhHHAA
0000 , hAHA
HH
gg
表 1-2 ニュートラリーノ対消滅過程
13
図 1-4 ニュートラリーノ対消滅による fermion 生成過程の Feynman diagram
対消滅からの生成物の内ニュートリノ以外は、さらに崩壊するか、すぐに物質と反応する。
しかし、ニュートリノが生成されると、それらは地球や対応を通過し地表まで届く。それ
らを Super Kamiokande のような検出器で検出することが出来る。特にエネルギーの高い
は、上向きμとして検出される可能性が有る。 [12]また、加速器でも探索が行われてい
る。
1.4.4 ニュートラリーノ探索の現状
この節では前節で説明したニュートラリーノ探索の中で直接検出実験に付いてまとめる。
まず、表 1-3 に現在進行中の直接検出実験についてまとめる。
測定手段 実験グループ 場所 ターゲット ターゲット質量
イオン化 IGEX [13] Canfranc Ge 2.0kg
HDMS [14] Gran Sasso Ge 0.20kg
シンチレーション DAMA [15][23] Gran Sasso NaI 9×9.70kg
UKDMC [16] Bulby NaI 6×8kg
ZEPLINⅠ [17] Bulby Liq.Xe 4kg
XMASS [18] Kamioka Liq.Xe 100kg
ボロメータ CRESSTⅠ [19] Gran Sasso Al２O３ 262g
Tokyo [20] Kamioka CaF2 310g
混成タイプ XENON10 [11] Gran Sasso Liq.Xe(二相) 10kg
EDELWEISS [21] Frejus Ge 3×320g
CDMSⅡ [22] Soudan Ge 20×250g
表 1-3 現在行われている WIMP 直接検出実験
これらの実験の結果を図 1-5 と図 1-6 に分けてまとめる。
図 1-5 がスピンに依存しない相互作用をする時に達成されている検出感度である。ピンク
の領域は DAMA [15]が、9×9.70kg の NaI 結晶を用いて 4 年間のデータのスペクトルの季
節変動の解析から、ニュートラリーノが存在すると発表した領域である。しかし、この領
域は水色、青、緑で示される EDELWEISS [21]、CDMSⅡ [22]、XENON10 [11]といった
他のニュートラリーノ直接探索実験によって排除されていることがわかる。CDMSⅡと
14
EDELWEISS は Ge 検出器を用いた実験で、混成タイプの検出器である。また、XENON10
は Xe の 2 相式の検出器を用いた実験で混成タイプの検出器である。黒色の領域は MSSM
理論で予言されている領域で、その一部が実験の検出感度にかかっていることが分かる。
図 1-5 スピンに依存しない相互作用に対する検出感度
図 1-6 がニュートラリーノがスピンに依存する相互作用をする時の達成されている検出感
度である。緑・青で示される領域は DAMA [23]・UKDMC [16]で排除された領域である。
これらは NaI でのシンチレーション光を検出する検出器である。水色は東京大学が CaF2
シンチレータを用いた実験 [20]で排除した領域である。ピンクの点線は CRESST [19]が
Al2O3を用いた実験が排除した領域である。また、黒色の領域は MSSM 理論で予言されて
いる領域で、どの実験でもその領域に検出感度がないことが分かる。
15
図 1-6 スピンに依存する相互作用に対する検出感度
1.5 まとめ
様々な観測結果から、宇宙の物質のほとんどが暗黒物質であることが明らかになっている。
この候補として、超対称性理論で提案されているニュートラリーノが有力であり、世界中
で様々なアイディアをもった実験が行われている。
我々もこの暗黒物質の正体を探るべく、XMASS 実験を進めている。次章ではこの XMASS
実験について述べる。
16
第2章 XMASS 実験
XMASS 実験とは、液体キセノン(Xe)シンチレータを用いた宇宙素粒子研究の為の多目的実
験である。
XMASS とは以下の実験目的から名づけられた。
Xenon detector for weakly interacting MASSive paricle
暗黒物質の探索
WIMP であるニュートラリーノを検出し、暗黒物質の正体を突き止める。
Xenon MASSive detector for Solar neutrinos
太陽ニュートリノの精密測定
低エネルギー太陽ニュートリノの測定を行い、ニュートリノ振動のパラメータの精密測定
及び太陽ニュートリノの精密測定を目指す。
Xenon neutrino MASS detector
ニュートリノ質量の直接測定
Xeの8.9%を占める同位体 Xe136が起こすニュートリノ放出のない2重β崩壊(0νββ崩壊)
を測定する。この現象が観測出来れば、ニュートリノがマヨナラ粒子であることを証明す
ることになると共に、ニュートリノの質量の絶対値を決定できる。
WIMP、太陽ニュートリノ、0νββ崩壊による Xe と反応して起こすシンチレーション光
を液体 Xe の周りにある光電子増倍管により光パターンとして捕らえて、反応点の場所、エ
ネルギーを求める。これらの情報から上記 3 つの事象を選び出す。
当面の目標として、我々は上に挙げた中で暗黒物質探索を中心に行っていく。昨年プロト
タイプ検出器(100kg 検出器)を用いた R&D が終了しており、次期計画の 800kg 検出器で本
格的な暗黒物質探索を行うために準備・R&Dを行っているところである。図 2-1 に XMASS
実験計画の流れを検出器の規模と共に示す。
17
図 2-1 XMASS 実験計画
以降では、暗黒物質探索を中心に話を進める。
2.1 液体 Xe の諸特性
XMASS 実験では、ターゲットに液体 Xe を採用した。目標とする事象を観測するにあたり、
液体 Xe には数多くの利点がある。ここでは液体 Xe の有効性を以下に述べる。
高発光量シンチレータ（~42000[phorons/MeV]）
WIMP の運動エネルギーは数 keV～数十 keV 程度のため Xe 原子核を反跳させて落とすエ
ネルギーは大変小さい。したがって発光量が多いことで閾値を低エネルギーに設定でき、
WIMP シグナル探索には大変有利である。
シンチレーション光が比較的高波長(~178nm)
Xe シンチレーション光の波長ピークは 178nm[24][25]と、他の希ガスシンチレータ(Ar～
128nm)と比べ長波長であり、波長変換材を用いなくとも PMT で直接検出できる。
液体相が比較的高温度(沸点 165K(-108℃)@0MPaG)
Xe の液体相は 0MPaG で－108℃、で 0.1MPaG で－95℃と他の希ガス液体に比べて比較
的高温度で扱うこと出来る。図 2-2 に実験で使用する領域での Xe の温度と蒸気圧のグラフ
を載せる。
18
図 2-2 Xe の温度と蒸気圧の関係
高密度
液体 Xe は密度が約 2.9g/㎤であるため、800kg で直径 80cm の球に入れることが可能で、
実験装置をコンパクトに出来る。図 2-3[26]に Xe の温度と密度の相関を示す。
19
図 2-3 Xe の温度と密度の関係
大きい原子番号（Z=54)
Xe の原子番号は Z=54 と大きいため、輻射長が 2.77cm と短く、高エネルギーのγ線は液
体 Xe 内部に入ると急速に減衰する。この自己遮蔽能力を利用することが XMASS 実験の中
心となるアイディアである。大きな体積の液体 Xe を用意できれば、外来γ線は液体 Xe の
外側で止まり、中心付近は WIMP 探索に必要な低γ線バックグラウンドな環境が実現出来
る。図 2-4[27]に Xe 中でのγ線の減衰係数を示す。
20
図 2-4 Xe 中でのγ線の減衰係数
相変化が容易
Xe は、液体・気体相の状態で扱うことが出来るため、蒸留などの純化が可能である。これ
により最初に Xe に含まれる放射性物質を除去することが出来る。Xe の相図を図 2-5 に示
す。液体 Xe は冷凍機で冷却され、約－105～－95℃程度で運転される。また、液体である
ことから装置の形状を自由に設計できることも利点に挙げられる。
21
図 2-5 Xe の相図
同位体分離が可能
Xe にはいくつかの同位体が存在し、それを分離することで物理目的別の測定が可能になる。
WIMP は、スピンによって相互作用に違いが有り、奇数質量数核と偶数質量核の相互作用
を比較することで暗黒物質の同定に役立てることが出来る。
0νββ崩壊探索には、 Xe136を用いる。また、太陽ニュートリノ観測には、 Xe136
の 2νβ
β崩壊事象がバックグラウンドとなるため、 Xe136を取り除いた Xe を使用することでバッ
クグラウンドを減尐させる。Xe の自然存在比を表 2-1[28]に示す。
Isotope Xe124 Xe126
Xe128 Xe129
Xe130 Xe131
Xe132 Xe134
Xe136
NA(％) 0.096 0.090 1.92 26.44 4.08 21.18 26.89 10.44 8.87
表 2-1 Xe の自然存在比
2.2 バックグラウンド
WIMP 探索において、バックグラウンドが観測データに及ぼす影響の見積もりは WIMP に
よる事象を同定するために不可欠である。この節では XMASS 実験で想定される主なバッ
クグラウンドを検出器外部の環境によるものと、Xe 内部に存在するものに分けて述べる。
2.2.1 検出器外部のバックグラウンド
XMASS 実験は WIMP 探索に求められる低バックグラウンド環境の構築のために、スーパ
ーカミオカンデと同じ神岡鉱山内地下 1000m にある研究施設で進められている。神岡地下
22
実験施設における主なバックグラウンドを表 2-2 にまとめる。
地上 神岡地下実験施設
μフラックス (/㎠/s)[29] 1.1×10－2 ～10－7
熱中性子 (/㎠/s) 1.4×10－3 [30] 8.26×10－6
中性子(熱中性子以外) (/㎠/s) 1.2×10－2 [30] 1.15×10－5
Rn (Bq/s)(夏)[31] 40 1200
Rn (Bq/s)(冬)[31] 40 40
γ線(>500keV)[32] ― 0.71/㎠/s
表 2-2 神岡地下実験施設における主なバックグラウンド
神岡鉱山内で測定を行うことで、Rn 以外の環境バックグラウンドを大きく減尐させること
が出来る。Rnについては、坑内の空気を活性炭を用いて、Rnを除去した空気(Super Rn Free
Air)を製造している。検出器に影響を及ぼす部分のみ、この Super Rn Free Air を用いるこ
とで地上よりも Rn 濃度が尐ない環境で測定を行える。
2.2.2 Xe 内部のバッググラウンド
Xe 中に含まれる放射性物質は、XMASS での中心となるアイディアである Xe での自己遮
蔽では防ぐことが出来ない。したがって、この Xe 内部のバックグラウンドは WIMP 探索
に大きな問題となる。Xe 内部の主なバックグラウンド源を以下に挙げる。
U 系列
U238は 4.468×１０9y という長い半減期を持ち、安定な核種になるまでに図 2-6 のように
連鎖的に崩壊する。この崩壊系列を U 系列と呼ぶ。崩壊系列の中で Rn222は希ガスなので
Xe 中に湧き出す。 Rn222以降のα線を放出する際、検出器の十分内側であれば大きな発光
量が得られるためバックグラウンドとはならない。しかし、壁面付近で微小な発光を生じ
る場合は危険である。また Pb210以降は寿命が長いので、蓄積に時間がかかる。この為、湧
き出し Rn222の直接的な影響は尐ない。 Bi214
、 Po214についてはタイミングを用いてバッ
クグラウンド除去が出来る。
このように考えると、 Pb214のみが U 系列で問題となり Rn222
を除去したい主たる理由であ
る。
なお、 U238の含有量の見積もりは、U 系列は放射平衡であると仮定し、 PbPoBi 210214214
と短い時間で連続して崩壊するときの Delayed Coincidence シグナルを測定し、 Bi214の含
有量を測定することにより主として行う。 PbPoBi 210214214 の崩壊は、図 2-7 で表され
る。
23
図 2-6 U 系列
24
図 2-7 PbPoBi 210214214 崩壊
Th 系列
Th232 は 1.405×1010y という長い半減期を持ち、安定な核種になるまでのように連鎖的に崩
壊する。この放射系列を Th 系列と呼ぶ。崩壊系列の中で Rn220は希ガスなので Xe 中に湧
き出す。U 系列と同じように考えると Pb212がバックグラウンドとなりうる。その為、 Rn220
を除去したい。 Th232の含有量の見積もりは、Th 系列は放射平衡であると仮定し、
PbPoRn 212216220 と短い時間で連続して崩壊するときの Delayed Coincidence シグナ
ルを測定し Rn220の含有量を測定することで行う。ただし、 Rn220
の半減期は 55.6ｓと短い。
PbPoRn 212216220 の崩壊は、図 2-9 で表される。
25
図 2-8 Th 系列
図 2-9 PbPoRn 212216220 崩壊
Kr85
Kr85は半減期が 10.756y と比較的長い半減期を持つ。この同位体はもともと自然界には存
在しないものであるが、近年の軽水炉でのウランの燃焼によって生成されるようになった。
図 2-10 は Kr85の崩壊を表した図であるが、これを見ると Kr85
の 99.563％は 687keV のβ
を出して Rb85に崩壊して基底状態となる。残りの 0.434％は Rb85
の励起状態にβ崩壊し、
26
半減期 1.015μs で 514keV のγ線を出し基底状態になる。 Kr85 の含有量を見積もるには、
エネルギースペクトルから Qβ＝687.0keV のβ線スペクトルの高さから見積もる方法とβ
線とγ線の Delayed Coincidence から見積もる方法がある。他に Xe ガス中の Kr85の濃度
については、 Kr85以外の Krをガス分析器で測定し
KrKr
Kr
以外の85
85
を仮定し求めることが
出来る。
図 2-10 Kr85の崩壊
これらの内部バックグラウンドの中で Kr については事前に蒸留によって十分低減する為、
800kg 検出器では特に、U 系列・Th 系列の Rn222・ Rn220
からの崩壊によるバックグラウ
ンドが問題となる。これらの Rn を除去するために活性炭フィルターを試みた。これについ
ては第 4 章で詳しく述べる。
2.2.3 Xe 内部の不純物
Xe内部にH2O等が存在すると、シンチレーション光のXe中の伝播に影響する。図 2-11[33]
に示したように H2O が多く含まれると、光の減衰が大きくなる。事象が起きた点からの光
が減衰や散乱せずにPMTに入ることが望ましい。そこで、800kg検出器を用いた実験では、
Xe 中の H2O を除去するためにモレキュラーシーブ(MS)を用いることを予定している。MS
は MEG 実験で使用され吸収長が増加するという実績がある[33]。MS について詳しくは第
4 章で詳しく述べる。
27
図 2-11 水を含む Xe での光の減衰 (単位はモル比)
2.3 800kg 検出器
XMASS 実験では次期計画である 800kg 検出器から本格的な WIMP 探索を行う予定である。
直径 80cm の容器の外縁部にに PMT 約 600 本を球形に設置し、その容器の中を液体 Xe で
満たす。これにより PMT は液体 Xe の中に浸ることになる。(図 2-1 の真中)球形にするこ
とで PMT の死角をなくし、約 70％もの光電面被覆率を持つように設計することで、低エ
ネルギー閾値、高い事象再構成能力を持つ。また、装置が大型になることで Xe の自己遮蔽
能力を十分に発揮し、中心部での有効体積の大型化、極低バックグラウンド化を図る。
現在行われている実験の中で、WIMP に最も感度を持つ実験は XENON10 であるが、800kg
検出器では約 100 倍の感度を目指す。図 2-12 は既存の実験による検出感度と 800kg 検出
器の検出感度を表したものである。黄色い印は加速器で超対称性を研究するグループが加
速器の性能を評価する為に理論的によく研究してきている部分である。理論で予想される
領域に大きく踏み込むことで WIMP の発見を目指す。
28
図 2-12 800kg 検出器の感度曲線
2.3.1 Xe 中の不純物低減
前節の感度曲線を目指すためには、先ほどまで述べていたように低エネルギー側でのバッ
クグラウンドの低減が欠かせない。そこで 800kg 検出器を用いた実験では Xe 中に含まれ
る不純物を表 2-3 に示される量に設定した。これは、目標の感度を達成するためにそれぞ
れのバックグラウンドが 1×10－5dru(event/kg/day/kev)以下になるように設定した。なお、
U, Th 系列のバックグラウンドについては、時間相関を見ることによってバックグラウンド
を低減する方法が考えられており、それを用いるとそれぞれおおよそ 1 桁ほど条件が緩く
なるが、ここではその方法を仮定しないものとする。
取り除く理由 不純物 Xe 中の目標値
バックグラウンド源と
なる
U 系列 1×10－14 [g( U238)/g(Xe)]
Th 系列 2×10－14 [g( Th232)/g(Xe)]
Kr85 1ppt [mol/mol]
光の減衰に関わる H2O 10ppb
表 2-3 目標とする不純物量
これらの目標をどのように達成するかだが、これらの不純物は Xe を導入する前に取り除く
物と実験中に取り除き続けなければいけない物に分類される。
導入前に取り除く不純物
Kr85・・・蒸留によって取り除く
U・Th 等放射性物質・・・導入時にガス化することで取り除かれることを期待す
る
H2O・O2・N2・・・導入時に Getter を通すことで取り除く
29
実験中に取り除き続けなければいけない不純物
U・Th からの湧き出し Rn・・・もし要求値より高ければ、循環機のフィルターで
取り除く。従ってこの論文では放射能を U238, Th232 相当で表現することが多いが、
実際に問題となる Rn 以降を中心的に議論する。
H2O・・・循環機のモレキュラーシーブ(MS)で取り除く
次章では、実験中に取り除き続けばいけない物を取り除くため 800kg 検出器で使用する予
定の循環機について述べる。
30
第3章 循環機
前章で説明した通り、Xe 中の不純物は 800kg 検出器の性能に大きく関わる。そこで、
XMASS 実験では Xe 中の不純物を取り除くために、導入前に蒸留や Getter を用いて不純
物を取り除く。しかし、検出器の構造物由来の不純物は常に出続けることになる。そこで、
循環を行うことで実験中に絶えずそれらの不純物を取り除き続ける。そこで循環装置を製
作した。また、製作した循環機を試験した。試験の目標は以下の３つである。
1. 循環流量が１L/min 以上
2. 循環による検出器での光量増加の確認(定量的には難しいことが予想される。)
3. Rn を除去出来るか、出来なければ原因究明の為に Rn を積極的に導入する。
以上の試験については第 5 章第 6 章で述べる。この章では循環機の装置の説明を行う。
3.1 800kg 検出器での循環の概要
800kg 検出器では循環機を取り付け 800kg 検出器⇒循環機⇒800kg 検出器と Xe の循環を
行う予定である。また、800kg もの Xe 中に含まれる Rn が崩壊する時定数より十分早く循
環させるため、液体状態で１L/min の流量で循環を行う。この流量だと、800kg 検出器は
約 300L の液体 Xe を含むので、5 時間で 1 循環することになる。
800kg 検出器での循環の概略図を図 3-1 に示す。また、循環機の写真を図 3-2 に載せる。
水タンクの中に有る検出器の下部から Xe を取り出し、重力による自然の落ち込みで循環機
へ送る。循環機ではポンプで Xe を送り出し、2 つのフィルターを通り検出器の上部から液
体 Xe を戻す。配管からの熱流入やポンプでの発熱での液体 Xe の温度上昇、圧力上昇を防
ぐため、循環機側にも冷凍機を設置する。
図 3-1 800kg 検出器実験での循環の概略図
31
図 3-2 循環機本体
次節からは循環機でのバルブ・ポンプ・冷凍機・センサーの内容や性能について述べる。
3.2 バルブ
循環機で使用しているバルブは 2 種類存在し、液体 Xe が流れている状態で開閉する必要が
あるかどうかで種類を分けている。
1. 液体 Xe が流れている低温状態でも開閉できるバルブ。これは、継ぎ手が長くなってお
り凍りつき動かなくなることを防いでいる。
2. Xe ガス導入時や真空引きなど常温でしようするバルブ。これは、通常のバルブを使用
している。
3.3 ポンプ
循環機のポンプの役割は落ち込んで入って来た液体Xeを検出器の上部まで送り込むための
圧力を発生させる。2 つのフィルターでの圧損分の圧力を発生させる。(目的としては後者
が主である。)また、目標としている。流量(１L/min)を達成する。これらの目的を満たすポ
ンプ(BNCP－48－000 Barber-Nichols 社製)を循環機に設置した。これは、長いシャフトで
熱流入を抑え、インペラー(羽車)を回転させて遠心力で液体に圧力を発生させる機構である。
図 3-3 はポンプの写真。図 3-4 は液体 Xe での期待されるポンプの性能を示したものであ
る。
32
図 3-3 BNCP-48-0000
図 3-4 液体 Xe での期待される性能
図 3-4 は各回転スピードでの性能を流量(L/min)を横軸、発生圧力を縦軸に表したものであ
る。これをみると、最大パワーを発生する 2390rpm では、流量が約 10L/min まで出せ、
その時の発生圧力は約 0.145MPa であることが分かる。
3.4 冷凍機
循環機についている冷凍機の役割は、液体 Xe は検出器から配管を通して来る時の熱流入・
ポンプからの熱流入・ポンプの回転による発生熱を事前に奪うためである。これらの熱量
を奪うために冷凍能力が 170W のパルス・チューブ冷凍機(岩谷産業社製)を循環機の
BufferTank 上部に設置した。冷凍機と温度フィードバック用のヒータを組み合わせること
で、設定温度(約－100 度)に対して、十分な精度で温度をキープすることが出来た。図 3-5
に冷凍機の写真を載せる。
33
図 3-5 パルス・チューブ冷凍機
3.5 センサー
循環機には循環機の状態を把握するためや、性能評価の為に各種センサーが取り付けた。
大半のセンサーはSlowControlで記録しており変化を見ることが出来るようになっている。
この節では、循環機に取り付けられている各種センサーの種類・目的を述べる。また、
BufferTank の液面を測定する液面計については次の節で述べる。
3.5.1 温度計
白金抵抗温度計(CRZ-1632-100 林電工社製)を使用した。Xe の温度を測定することで、Xe
が気液平衡になっているかの確認。また、配管上に点在させることで、その点まで液体 Xe
が来ているかが分かる。
3.5.2 圧力計
ブルトン管(-0.1MPa～0.4MPa)を 4つ使用している。BufferTankの圧力を測定することで、
気液平衡になっているかの確認。また、ポンプ前後・フィルター前後の圧力を比較するこ
とでそれぞれ、ポンプの発生圧力の測定・フィルターの圧損を測定することが出来る。ま
た、BufferTank の圧力を測定しているので圧力がある基準（0.15MPaG）を超えると液体
窒素を流すことで圧力を下げる安全機構を取り付けた
3.5.3 流量計
0L/min～12L/min が測定できるオリフィス流量計(DSTJTM 3000 ace azbil 社製)を使用し
34
た。測定原理は配管の中に穴の開いたオリフィス板を挟む。管内を流れる流体は穴を通過
する際、流路の断面積が縮小して流速が増大し、下流での静圧が低下する。オリフィス板
の前後での差圧を測定することで流量を求めることが出来る。なお、差圧の平方根が流量
と比例する。この為、流量が大きいところでは感度があるが、流量が低いところでは感度
が悪い。特に、＜1L/min では 0L/min との区別がつかない。期待した流量できちんと循環
できるかの確認。フィルターの流量と圧損の相関を測定することが出来る。
3.6 液面計
循環において、液面がどの高さにあるかどうか知ることは非常に大事な情報である。導入
時の導入量の目標もポンプのインペラーが完全に液面に浸される高さを目標にしており、
検出器の液面との関係を見る上でも重要である。ただし、低バックグラウンドな液体 Xe が
求められるXMASSでは液体Xeに触れる物質については材料の選定に細心の注意を払って
おり、市販の液面計では難しい。そこで、液面計を作成した。循環機には 2 種類の液面計
が取り付けられており、この節ではそれらについての説明・テストの結果・実際の使用時
の結果を述べる。
3.6.1 ポイント液面計
ポイント液面計は温度計としても使用した、白金抵抗温度計 PT100 を高さ方向にいくつか
直列につないだものである。通常の温度計の使用方法と異なり、積極的に自己発熱を利用
することにより、ガス Xe 中では熱の拡散が弱い為に温度が高くなり抵抗が高く見え、液体
Xe に浸かると熱の拡散が容易になる為急激に温度が下がり抵抗が減尐することを用いて、
そのポイントまで液面が来たことが分かるという原理である。これらの動作により液面が
決められた高さまで達したかどうかが分かる。この種類の液面計はプロトタイプ検出器で
昔から用いられており±5mm の精度で測定できることが分かっている。
今回、循環機には 3 点(L,M,H)が分かるように作成した。ここで、高さ L,M はキャパシタ
ンス液面計の校正用。また、高さ H はポンプのインペラーが完全に液面に浸される高さで
あることを示している。次のキャパシタンス液面計と共に PEEK（ポリエーテルエーテル
ケトン）の棒に固定して BufferTank 内部に設置した。
3.6.2 キャパシタンス液面計
キャパシタンス液面計は今回の循環機では連続した液面の変化が測定したいということで、
新たに開発・製作した。原理は、同軸上に並べた 2 つの筒状の導電体はキャパシタとなる。
その中を液体 Xe が満たすことで、ガス Xe との比誘電率の差からキャパシタンス C が線形
に増えていく。このキャパシタンスを測定することで、液面を連続的に測定することが出
来る。
今回、径の異なる 2 種類のステンレスチューブ(外側は 7G・内側は 10G を使用)を用いて
340mm の液面計を作成した。図 3-6 にこの液面計の概念図を載せる。次の節でこの液面計
の常温でのテストについて述べる。
35
図 3-6 キャパシタンス液面計の概略図と材料
3.6.3 キャパシタンス液面計テスト
作成したキャパシタンス液面計を常温でテストした。液体には不活性液体のフロリナート
(3M FC-72)を用いた。これは、エタノールや水では 2 つの配管が導通してしまいキャパシ
タにならないので電気絶縁性の高い液体を用いた。キャパシタンスメータを用いて C を測
定し、物差しを用いて液面を測定した。以下の図 3-7 はそのテストの結果である。実験の
結果、液面と C に線形性があることが確認できた。傾きから比誘電率は 1.7±0.2 と測定で
き、これはメーカーの公称値である 1.76 と一致したと言える。
36
図 3-7 液面計の線形性
3.6.4 テスト中のキャパシタンス液面計の結果
実際に循環テストで用いるときには以下のようにした。はじめに Xe を導入していく時に、
ポイント液面計の 2 点 L(100mm)、M(250mm)での C を測定する。それにより高さと C の
関係を較正してその後の液面はキャパシタンス液面計を用いて測定した。この液面計によ
り各バルブを操作した時の検出器と循環機の液量の関係が見えた。
3.7 安全機構
Xe は 0.05MPaG で-100℃という比較的高い温度で液体になる。しかし、常温の配管に触れ
る・冷凍機が停止する・ポンプから大量の熱が発生する等、高い圧力が発生する危険は必
ず存在する。そこで、この循環機にはいくつもの安全機構が存在する。この節ではその説
明を行う。
i. 500L BufferTank・・・配管を液体 Xe が進んでいく時、沸点より温度の高い配管を
進むことになる。その時、液体 Xe は蒸発して配管を冷やしガス化する。これらは
15L BufferTank に戻り、冷凍機で冷やされて液体に戻る。15L の BufferTank にこ
の 500LBufferTank がつなげることで、この一連の流れでガスの存在できる体積を
増やし圧の急激な上昇を抑える働きをする。
ii. 自動液体窒素供給・・・停電等の理由で冷凍機が停止してしまうと発生した熱を減
らすことが出来ず、Xe の温度が上昇し圧力が上昇する。そこで、圧力計のリレーと
37
バックアップされた電源によって駆動している電磁弁を用いて、圧力が 0.15MPaG
を超えると液体窒素タンクの電磁弁が開くようにした。そうすると液体窒素が冷凍
機のヘッド部分に流れ BufferTank の温度を下げる。これにより、停電時でも
BufferTank の圧力を 0.15MPaG 以下に抑えることが出来る。
iii. 破裂弁・・・上記の機構を設けているが、もし BufferTank の圧力が 0.2MPaG を超
えてしまった時、破裂弁 RD4 が破れ 9000L のタンクにつながることになる。これに
より、圧力の上昇を抑えることができる。
3.8 まとめ
以上で循環機装置の説明を終わる。次章では、液体 Xe の不純物を取り除くためのフィルタ
ーについて詳しく述べる。
38
第4章 フィルター
第 2 章で説明したように、800kg 検出器では実験中に Rn の湧き出しや、検出器に付着して
いる H2O を Xe 導入後に取り除く必要がある。そこで、循環機の経路の途中に 2 種類のフ
ィルターを置き、その中を液体 Xe が通ることでそれらを除去する。この章では 2 種類のフ
ィルターについて説明を行う。また、2 つのフィルターを液体 Xe が通ることでの圧損がど
の位になるかの見積もりについても述べる。
4.1 モレキュラーシーブ(Molecular Sieve)
モレキュラーシーブ(以下 MS)とは分子篩のことである。特に今回使用する MS はゼオライ
トの一種で極性を持つ分子もしくはある決まった大きさ以下の分子を吸着することが出来
る。水分子は極性を持ち Xe は無極性であり、かつ分子の大きさが違うので Xe 中の水分子
を選別して吸着することが出来ると期待される。
実際、MEG グループでは 13A というタイプの MS を使用することで、Xe 中の水分を除去
し散乱長を長くすることに成功している[33]。本論文でこれから述べる MS は 4A という自
作しやすいタイプだが、水分除去についてはあまり変わらないとの期待をもち使用するこ
とにした。
まず、市販の MS では放射性バックグラウンドについては全く考慮されておらずこのまま
では今回の実験には使用できない。特に Rn の放出が気になる点であった、そこでユニオン
昭和株式会社との共同研究により放射性不純物が尐ない材料で低バックグラウンド MS を
製作した。次節では低バックグラウンド MS の製作について述べる。
4.1.1 MS における目標バックグラウンド
XMASS 実験で必要とされる Xe 中の不純物の目標値から、MS におけるバックグラウンド
の目標設定を行う。まず、表 2-3 より U238からの湧き出し Rn222
の量は
)(/102.1)(/102.1)(/)(101 10414 XegBqUgBqXegUg
数式 4.1
である。ここで、 U238のアクティビティを用いた。実験全体では Xe を約 1 トンを使用す
るので、Xe 全体としては
mBqBqXetonXegBq 12.0102.1)(1)(/102.1 410
数式 4.2
である。つまり、Xe 内の U 系列の Rn は 0.12mBq 以下にしなければならない。また、十
分な水分を取るために MS は約 100g 使用するので、そこで、100g の MS からの U 系列
Rn 湧き出し量が平衡状態に達した際の最低要求値(ここでは、仮に目標値とする)を
0.12mBq に設定した。以下では単位を統一する為に、mBq/kg を用いる。 Th232からの Rn
湧き出しについても同様に計算した。以下の表に目標バックグラウンドについてまとめる。
39
Rn の発生源 目標バックグラウンド(mBq/kg(MS))(湧き出し量)
U238 1.2
Th232 1.0
表 4-1 MS における目標バックグラウンド量
4.1.2 商用 MS のバックグラウンド評価
次に、水を取る実績のある商用 MS のバックグラウンドを測定した。測定方法はゲルマニ
ウム検出器で U、Th 放射性物質の崩壊数からそれぞれの含有量を測定した。表 4-2 にその
結果と表 4-1 からの目標バックグラウンド量をまとめた
含有物質の種類 商用 MS (ｍBq/kg)(含有量) 目標バックグラウンド
(mBq/kg)(湧き出し量)
U238 (5.47±0.21)×103 1.2
Th232 (6.96±0.12)×103 1.0
表 4-2 Ge 検出器で測定した商用 MS のバックグラウンド源の含有量と目標含有量
目標から約 5000～6000 倍と非常に多いことがわかる。これは、通常の MS で Rn の発生が
問題になることは無い為仕方がないと言える。なお、これは崩壊数のみからの Rn の見積も
りに相当するので、実際の湧き出し量とは違うことに注意しなければならない。そこで、
次に実際に Rn が MS から湧き出す量を測定した。測定には 70L Rn 検出器を用いた。こ
れは、Rn が崩壊して出てくる Po が陽イオン化していることを利用し、電場をかけて半導
体検出器に捕集しPoが崩壊する際に出すα線をカウントすることで、Rnの量を測定する。
また、カウント数から実際の Rn 量への変換は測定されている換算係数を用いた。
Rn 湧き出し量測定
セットアップを図 4-1 にまとめる。測定手順は
1. Super Rn Free Air で系全体を Flusing する。
2. バルブ①・②を Open にし、③を Close にする。
3. 流量は 10L/min を保つ
4. 数日(Rn の半減期が 3.8 日の為)測定することで、各 Rn の平衡状態になるかをチェック
する。
40
図 4-1 70L Rn 検出器 セットアップ
測定は、一度、リークが有り補修した時間を除き実質 15 日間行った。Rn 湧き出しの時間
変動を図 4-2 に載せる。
ここで縦軸の単位は mBq/kg である。平衡状態の Fitting の結果から Decaytime を求めた。
また、図 2-6 図 2-8 から Rn からの崩壊時間から予想される Decaytime を求めた(半減期か
ら寿命に変換した)。以下に、測定結果・Fitting での Decaytime・崩壊から予想される
Decaytime をまとめた。
湧き出し
Rate(mBq/kg)
Fitting による
Decaytime(day)
崩壊から予想される
Decaytime(day)
Rn222(U 系列) (5.44±0.20)×102 4.7±0.5 5.5
Rn220(Th 系
列) (4.58±0.09)×102 0.9±0.3
0.64
表 4-3 商用 MS の Rn の沸き出し量
ゲルマニウム検出器からの見積もりより、約 1/10 になっていることが分かる。つまり、U、
Thからの崩壊して生成されたRnの内、湧き出す量は 1/10になっているということである。
また、低温ではより低くなること可能性はあるが試験をする必要がある。また、Decaytime
については予想される値と誤差の範囲で一致していると言える。
41
図 4-2 商用 MS からの Rn 湧き出し測定
次に、商用 MS のどの材料が、多く U・Th を含むのかを突き止める。商用 MS はペレット
状になっているのだが、この形を形成するために結合材に粘土のような自然産出の材料(U
や Th 等の含有量が多い材料)材料を使っている。そこでまだ、形を形成していない粉末状
の商用 MS を手に入れてゲルマニウム検出器で測定した。その結果を含めて、商用 MS に
ついて表 4-4 にまとめた。結果を見ると、結合材がバックグラウンドの大半を占めること
が分かった。しかし、結合材以外の材料でも２桁以上は落とさないといけないことが分か
る。この為に原材料から選んでいくことにした。また、結合材についても新たに選ぶこと
にした。次節では、低バックグラウンド MS の作成について述べる。
70L Rn 検出器
(結合材有り)
(mBq/kg)(湧き出
し量)
ゲルマニウム検出器
(結合材有り)
(mBq/kg)(含有量)
ゲルマニウム検出器
(結合材無し)
(mBq/kg)(含有量)
目標バックグラウ
ンド(mBq/kg)(湧き
出し量)
U238
(5.44±0.20)×102 (5.47±0.21)×103 (4.07±0.40)×102 1.2
Th232 (4.58±0.09)×102 (6.96±0.12)×103 (3.83±0.23)×102 1.0
表 4-4 商用 MS のバックグラウンドのまとめ
42
4.1.3 低バックグラウンド MS の作成
低バックグラウンド MS の開発は、商用 MS を購入したユニオン昭和株式会社との共同研
究を行うことにした。その為、詳しい作成手順は書くことが出来ない。
基本的な方針は低バックグラウンドの材料を探し出して、MS を合成することにした。選ん
だ材料 NaOH(鶴見曹達株式会社)・Al2(OH)3(日本軽金属株式会社)・Na2SiO3(株式会社
高純度科学研究所)・スノーテックス 30(日産科学工業株式会社)とゲルマニウム検出器での
測定結果を表 4-5 にまとめた。左から 3 種類の材料を重量比で約 1：1：1 合成することで
粉末状の MS が生成される。その為、Al2(OH)3 のバックグラウンドがボトルネックとなっ
ている。これは、Al2(OH)3 は合成することが難しく、天然に産出された物を使用している
からである。
次に、作成できた MS を結合材で固める。ここで、市販 MS で使用している結合材より低
バックグラウンドである結合材「スノーテックス３０」を使用した。スノーテックス 30 は
耐熱バインダーとしての性質を持つシリカゾルで、成分は SiO2：Na2O：H2O＝30：＜0.7：
70 である。
低バックグラウンド MS とスノーテックス 30 中の SiO2が 1：1 になるように低バックグラ
ウンド MS：スノーテックス 30 を 50g：160g を使用する。これにより 100g の固化した
MS を得ることが期待できる。
手順としては、上記の材料をるつぼでよく混ぜる。この際、初めに低バックグラウンド MS
をるつぼに入れ、スノーテックス 30 を粉塵がでないようにピペットで足す。次に電気炉を
用いて 100 度で 3 時間、350 度で 3 時間焼結し、一晩冷ます。その結果、期待通り 101.6g
の固化した MS を得ることが出来た。この際、固化した MS はるつぼに付着していたので、
金槌やドライバーを使って剥ぎ取った。最終的に 100.4g の MS を回収出来た。作成した
MS の写真を図 4-3 に載せる。
図 4-3 作成した MS
この固化した MS の吸水量をユニオン昭和において測定したところ、18g/100g(MS)であり、
商用 MS での 27g/100g(MS)と比べて遜色のない吸水量であると言える。
43
NaOH(ｍBq/kg) Al2(OH)3(ｍ
Bq/kg)
Na2SiO3(ｍBq/kg)
スノーテックス
30(ｍBq/kg)
U238 11.8±9.2 290.2±7.1 65.1±6.3 13.5±7.9
Th232 ＜25.3 86.9±4.6 65.9±6.9 106.5±10.5
表 4-5 低バックグラウンド MS の為に選定した材料のバックグラウンド(全て含有量)
次に、生成された MS のバックグラウンドをゲルマニウム検出器で測定した。測定結果と
材料からの見積もりについて表 4-6 にまとめた。商用 MS に対して U238に関しては 1/50、
Th232 に関しては 1/34 のバックグラウンドの MS が作成できた。
測定結果(ｍBq/kg)(含有量) 材料からの見積もり(重量比) 目標(ｍBq/kg)(湧き出し量)
U238 120±12.4 82±13 1.2
Th232 209±52 229±19 1.0
表 4-6 作成した MS のバックグラウンド
以上で、低バックグラウンド MS の作成が出来た。目標バックグラウンドまで到達するこ
とは出来なかったが、低温では実際の Rｎの湧き出し量は尐ないと期待することが出来、か
つ次節で述べる活性炭フィルターをこのフィルターの後で用いることで、湧き出した Rn を
低減する考えである。また、あくまで水除去なので継続的に使用する必要は無い。
4.2 活性炭
活性炭フィルターの主な目的は Rn を取り除くことである。神岡実験施設の Super Rn Free
Air も坑内空気を活性炭フィルターに通すことで作っているように Rn 除去には実績がある。
活性炭には様々なサイズの孔が開いており、様々なサイズの分子を吸着することが出来る。
図 4-4 は、その機構の模式図を表している[34]。様々なサイズの分子が活性炭での孔に入る
ことが出来ることが分かる。
44
図 4-4 活性炭の除去機構
今回の実験では CarboAct と言う製品を使用した。写真を図 4-5 に載せる。また、CarboAct
からの Rn 湧き出し量については 0.3m±0.1Bq/kg と MS に比べ十分無視できる量である。
これは、GERDA 実験や Borexino 実験での実績から決定した。GERDA 実験では、液体
Ar からラドン除去の実績があるが、液体 Xe からラドン除去についての実績はない。これ
を、吸着度の観点から説明すると、活性炭に対して各々の気体に Henry 定数という吸着度
を表す定数があり、以下の数式 4.3 で定義される。ここで、n は活性炭 1kg あたりに吸着
する数、p は吸着したい気体の分圧を表している。
][]//[]/[ PapPakgmolHenrykgmoln 定数
数式 4.3
数式 4.3 より Henly 定数が高いと活性炭に吸着しやすく、低いと吸着しにくいということ
になる。活性炭での各種気体の－100℃での Henry 定数をまとめた表を表 4-7 に載せる。
まず、Ar と Rn では Henry 定数が Ar より Rn の方が十分大きく、つまり吸着しやすい。
かつ Rn と Ar 原子の大きさがずいぶん違うので、Rn を十分除去できたと考えられる。し
かし、Xe と Rn では Henry 定数の差が Ar と Rn 程大きくない。しかも原子の大きさが近
いので、Xe が Rn が吸着する孔を塞いでしまい Rn が吸着できない可能性がある[34]。
これらを含めて試験を行う。
45
Gas H[mol/kg/Pa]
Ar 2×10－4
Xe 2×10－1
Rn 1×101
表 4-7 各希ガスの－100℃での Henry 定数 [34]
図 4-5 活性炭（Carboact）
4.3 フィルターのコンテナ
この節では、今まで述べた 2 つのフィルターをどのようにして循環機に設置するかについ
て述べる。循環機のポンプの後にフィルターを入れるコンテナを接続する。図 4-6 は実際
に循環機に取り付けられている写真である。液体 Xe は検出器⇒循環機入り口⇒循環機ポン
プ⇒MS フィルター⇒活性炭フィルター⇒循環機出口⇒検出器の順に流れる。ここで、フィ
ルターは必ず下部から入り上部から出るようにした。これは、液体がフィルターを満たし
ながら通るためである。更に、活性炭については U 字型にする事で液体が通る長さを長く
なるようにした。また、各フィルターの後には粒子フィルターが付いており、これにより
フィルターに用いられている粒子がコンテナから出ないようになっている。なお、この粒
子フィルターの穴の径は 0.1μm である。各フィルターは篩を使うことで 500μｍ以上の粒
子を選別し使用している。
このように粒子が詰まったフィルターを通るには抵抗が生じることになるはずである。そ
こで、目標である流量 1L/min が達成できるのか確かめる為にフィルターの圧損を測定した。
次節では、フィルターの圧損測定について述べる。
46
図 4-6 循環機に取り付けられたフィルターコンテナ
4.4 圧力損失測定
フィルターには粒子が詰まっておりかつ、粒子フィルターが 0.1μm と小さいので、液体
Xe が通る時には抵抗が存在する。そこでは圧力損失が生じ、ポンプの発生圧力が圧力損失
によって減ることになる。それでも、期待した流量がきちんと出るのかを確かめるために
作成したフィルターコンテナの圧力損失をあらかじめ測定した。
目標となる圧力損失はポンプの発生圧で 1L/min という流量が出せることが重要である。そ
こで、図 3-4 より 1L/min での圧力損失がポンプの発生圧力 0.145MPa を下回る必要があ
る。今回は、余裕をみて 1L/min で 0.1MPa 以下であることを目標とした。
4.4.1 セットアップ
まず、図 4-7 に測定するためのセットアップを示す。ここで、流量計の先についているバ
ルブを絞ることでバルブの圧力損失が経路の圧力損失よりも十分大きくなるようにする。
これにより、経路 A と B ではフィルターの圧力損失のみの違いとなる。また、出口から先
は大気圧で一定であるとした。
実際に、液体 Xe を使用して測定するのは難しいので、ガス窒素を用いて測定した。窒素で
の圧力損失を測定しその後、粘性の補正を掛けることで液体 Xe での圧力損失を見積もる。
測定手順としては
1. 経路 A で流量・圧力を測定
2. バルブ A を閉じ、バルブ B を開ける
47
3. 圧力計が上昇し、流量が減尐する
4. 圧力を経路 A で測定した値まで下げる。流量は更に減尐する
5. 経路 B での流量・圧力を測定
6. 0.08MPaG～0.02MPaG を 0.02MPa 刻みで測定を繰り返す。
図 4-7 圧力損失測定のセットアップ
測定した圧力と経路 A での流量・経路 B での流量を表 4-8 に載せる。
圧力(MPa) 経路 A での流量
(L/min)
経路 B での流量
(L/min)
経路 A・B での流量
差(L/min)
0.080±0.001 17.9±0.2 17.4±0.2 0.5±0.2
0.060±0.001 15.2±0.2 14.9±0.2 0.3±0.2
0.040±0.001 12.1±0.2 11.7±0.2 0.4±0.2
0.020±0.001 7.9±0.2 7.5±0.2 0.4±0.2
表 4-8 経路 A・B での測定した圧力と流量
これらを、プロットしたのが図 4-8 である。それぞれのプロットを圧力損失ΔP(MPa)・流
量 Q(L/min)とし、ΔP(MPa)＝aQ2+bQ でフィットした。ここで、Q2 の項は、乱流部とよ
ばれる項で配管やバルブで生じる圧力損失を表しており、その係数は流体の密度に比例す
る。また、Q の項は層流部とよばれる項でフィルターで生じる圧力損失を表しており、そ
の係数は流体の粘性に比例する。
それぞれの経路でのフィットの結果は以下のようだった。
QQMPaPA424 10)6.27.9(10)2.00.2()(
数式 4.4
QQMPaPB424 10)7.24.11(10)2.00.2()(
数式 4.5
48
図 4-8 経路 A・B での測定した圧力と流量
ここで、Q2 の項がエラーの範囲内で一致しているのは経路 A・B 共通のバルブによる乱流
部の為だと思われる。そこで、フィルターは層流部であるとすると Q の項の差がフィルタ
ー単体の圧力損失を表すと考えらる。この差を求める為に以下のように計算した。
まず、Q2 の項の係数は経路 A・B で一致していると考える。次に経路Ａで測定した流量を
Ｑ、経路Ｂで測定した流量をＱ’と表すと以下の２つの式が得られる。
bQaQMPaPA 2)(
数式 4.6
'')( 2 cQaQMPaPB
数式 4.7
410)2.00.2( aここで、
数式 4.8
数式 4.7 数式 4.8 を、Ｑ，Ｑ’で解くと、
a
PabbQ
A
2
42
数式 4.9
49
a
PaccQ
B
2
4'
2
数式 4.10
表 4-8 より、同じ圧力での流量の違いを測定しているので Q－Q’は次のように表される。
a
bc
a
PacPabbcQQ
22
44'
22
数式 4.11
ここで、 aPcb 4, 22 とした。この結果より圧力に関係なく一定となることが分かる。そ
こで、Q－Q’をプロットしてみた。結果を図 4-9 に載せる。確かに、圧力に関係なく一定で
あることが分かる。このプロットのフィットによる結果と a の値と誤差を用いて、フィル
ターでの Q の項の係数を求めた。
44 106.06.1)14.04.0(10)2.00.2(2)14.04.0(2 abc
数式 4.12
図 4-9 測定した Q-Q’と圧力
よって、フィルターでの圧力損失は次のように測定された。
min)/(10)6.06.1()( 4 LQMPaPFilter
数式 4.13
50
ここから、Q の項は粘性に比例するので、粘性の補正を行い液体 Xe での圧力損失を見積も
る。ここで、気体窒素の粘性は )(1076.1 5 sPa 、液体 Xe の粘性は )(1008.5 4 sPa
を
用いた。結果として
min)/(7.16.4)( LQkPaPFilter
数式 4.14
ここから、目標流量である 1L/min で圧力損失が 4.6±1.7kPa となりエラーの最大値を取っ
たとしても、ポンプの能力より十分小さい。これにより、目標流量を達成できる見込みで
ある。
4.5 まとめ
H2O を取り除くために、低バックグラウンドの MS を開発が作成できた。また、Rn を取る
ための活性炭フィルターを決定した。これら 2 つを組み合わせて液体 Xe から不純物を取り
除く予定である。また、2 つのフィルターをコンテナに入れ圧力損失を測定した。その結果、
ポンプの能力で目標流量を達成できる見込みである。次章では、これらフィルターを取り
付けた循環機での自己循環のテストについて述べる。
51
第5章 自己循環テスト(循環機テスト 1)
2.3 でのべたように、800kg 検出器では Xe を液体で循環させる必要がある。そこでまず、
循環機の出口を入り口に接続することで循環機単体で動作させる「自己循環テスト」を行
った。このテストを通じて、期待した流量が本当に出せるのか。また、安定した運転が達
成できるのかを理解した。
この章では Flow 図・テスト内容・各種センサーの位置・テストの結果・循環機の性能評価
について述べる。
5.1 Flow 図
今回のテストに使用したラインの Flow 図を図 5-1 に示す。（導入・回収ラインは除く）な
お、図中には記入されていないが、バッファータンクとポンプ、MS フィルター、活性炭フ
ィルターは互いに銅板や銅線で熱的に結合されており、予冷がスムーズに行えるように工
夫されている。
図 5-1 自己循環テストにおける Flow 図
ここで、今回のテストで使用するバルブは赤で示した。点線内は断熱真空容器に入ってい
る箇所を示す。矢印はそれぞれの経路(ⅰ～ⅲ)での液体 Xe の流れる方向である。
5.2 テスト内容
テストは、08/10/25～10/31 の 1 週間行った。以下の表はテストのタイムスケジュールであ
る。
52
10/25 10/26 10/27 10/28 10/29 10/30 10/31
予冷 予冷 Xe 導入 Xe 導入 目標液面 H 到達
自己循環手順確認
安定循環開始
ポンプ性能
フィルター圧力損失
測定
最大流量運転
緊急時テスト
循環再起動
Xe 回収開始
Xe 回収
完了
表 5-1 自己循環テスト タイムスケジュール
テストの内容は、
1. 自己循環を 3 種類の経路で行う(図 5-1)
i. フィルターの前で BufferTank に戻す（VC９）・・・ポンプが動作するか
ii. フィルター通過後 BufferTank に戻すライン（CVC1）・・・フィルターの圧力損失
を超えて液体 Xe を流せるか
iii. 実際の循環での入り口・出口を通過して循環させるライン（VC8）・・・流量を測定
し目標流量まで達成できるか
2. ポンプの回転数と発生圧力のチェック
3. フィルターの圧力損失の測定
4. 安定した循環が長時間できるかのテスト（一日）
5. 緊急時の挙動テスト・再起動テスト
以上のチェックを行った。結果は 5.4 で示す。
5.3 センサー位置
第 3 章で説明した各センサーの取り付け位置を示す。
5.3.1 温度計
温度計は随所に取り付けられている。これは循環機の状態を知るだけでなく、液体がどこ
まで来ているのかをしることでバルブやポンプについてのアクションを判断するために必
要な情報である。図 5-2 にこのテストで使用した温度計について示す。合計 29 個付いてい
る。その内、18 個は常にスローコントロールで記録をとり続けている。また、残り 10 個は
循環させる経路によって接続を換えることでその時々に知りたい場所の温度を測定できる
ようになっている。また、冷凍機の温度計は特に重要なので、予備が１つある。
今回のテストではポンプを起動させ液体 Xe に圧力を発生させることが主な目的なので、ポ
ンプには特に重点的に付けた。
53
図 5-2 循環機中の温度計の位置
5.3.2 圧力計
圧力計は合計 4 箇所に付いている。図 5-1 で PS1～PS4 がブルトン管圧力計である。これ
ら、4 つの役割は
PS1・・・BufferTank の圧力を測定する。これを気液平衡の確認に使う。この圧力が
上昇すると 3.7 で述べた自動液体窒素供給が働くことになっている。
PS2・・・ポンプ直前の圧力を測定する
PS3・・・ポンプ直後の圧力を測定する。ポンプの発生圧力を測定する為に使用する。
PS4・・・フィルター直後の圧力を測定する。フィルターの圧力損失を測定する為に使
用する。
これらのうち、特に重要で変化をみる必要がある PS1・PS3 には半導体歪みゲージ
PC1,PC3(KH15 長野計器社製) を用いてスローコントロールで記録を行う。
5.3.3 流量計
図 5-1 で FS1 と表示されている。フィルター後で検出器に向かって、液体 Xe が流出する
ラインに付いている。
5.3.4 液面計
BufferTank 内に垂直に取り付けられている。今回のテストではポイント液面計で
H(300mm 相当)まで液体 Xe を導入した。これは、液面が BufferTank の液面と一致してい
ればポンプのインペラーが確実に液体 Xe に浸かる液面である。
54
5.4 結果
ポンプの内部、つまりインペラーの部分が液体 Xe に浸かっていることを確認してポンプを
起動した。液体 Xe がラインを尐しずつ冷やしながら進んで行き、自己循環を行うことが出
来た。3 種類の経路で自己循環を行うことで、順序良くラインを冷やすことが出来た。最終
的には検出器と接続する配管(Xein・Xeout)を通して自己循環することが出来た。
また、特に操作をしなくても 24 時間安定した循環が行えることを確認した。
冷凍機やポンプが停電等で停止した等の緊急時の動作をテストを行うことで確認し、その
復帰方法も含めて理解することが出来た。
5.4.1 ポンプの回転数と流量と発生圧力
今回のテストを通じて、ポンプの回転数を変化させ流量と発生圧力を測定することが出来
た。表 5-2 にその結果を示す。ここで、スペック上の発生圧力は図 3-4 から読み取った。
これをみると、1200rpm 以外の回転数では実際に使用する流量では期待される圧力がきち
んと出ていることが分かる。これは、1200rpm での流量が正確に読み取れない上に、エラ
ー! 参照元が見つかりません。より発生圧力が流量に影響を受けるので正確なスペック上の
圧力が分からないことによる。また、流量は 1.7L/min とこちらも目標を達成できたことが
分かる。
回転数
(rpm)
流量
(L/min)
ポンプ前のゲー
ジ圧力(MPa)
ポンプ後のゲー
ジ圧力(MPa)
発生圧力
(MPa)
スペック上の
発生圧力
(MPa)
2400 1.7 0.055±0.001 0.199±0.001 0.144±0.001 0.143±0.002
2100 1.2 0.055±0.001 0.166±0.001 0.111±0.001
1800 ０～0.9 0.054±0.001 0.136±0.001 0.082±0.001 0.08±0.01
1500 ＞０ 0.053±0.001 0.090±0.001 0.037±0.001
1200 ＞０ 0.052±0.001 0.073±0.001 0.021±0.001 0.04±0.01
表 5-2 ポンプの回転数・発生圧力の関係(流量計は１L/min が最小読み値である)
5.5 フィルター圧力損失
次に、4.4 で見積もったフィルターの圧力損失が実際の液体 Xe でどのようになるかを測定
した。測定には PS3・PS4 の圧力差を用いた。図 5-3 に結果をまとめた。赤のプロットは
循環 1 回目、青のプロットは循環 2 回目以降を表している。１回目より 2 回目の方で圧力
損失が低く見える、これは液体 Xe が１度通ることでフィルター内で粒子が動き抵抗が低く
なったと考えることも出来る。しかし、原因は不明である。また、黒い点線は見積もりの
中心値で min)/(6.4)( LQkPaPFilter という式で表される直線である。また、黒い実線は
見積もりでの+1σで min)/(3.6)( LQkPaPFilter という式で表される直線である。
この図では、明らかに見積もりから大きく離れている。
この違いを説明するために、4.4 では、フィルターは層流部つまり、Q に比例する項である
としていたが、実際は Q2に比例する項が存在し、窒素では密度が低いので見えないが液体
55
Xe では見えていると仮定してみた。そこで、 min)/(6.4)( 2 LQQAkPaPFilter でそ
れぞれのプロットをフィットしてみた。その結果、赤いプロットに関しては
min)/(6.4742)( 2 LQQkPaPFilter 、青いプロットに関しては
min)/(6.4221)( 2 LQQkPaPFilter となった。これら Q2の項の係数は、窒素での
測定では密度に比例して小さく見える。液体 Xe と窒素の密度の比は、1/2320 なので
min)/(10)( 22 LQkPaPFilter となり、10L/min のオーダーの測定では 1kPa の差しか
見えないことになる。この為、窒素での測定では気づくことが出来なかったのではないか
と考えられる。今後の対策としては流量の二乗に比例する項なので、高い流量で測定する
ことが考えられる。例えば、30L/min で測定すれば約 10kPa の差が見えることになるはず
である。
56
図 5-3 液体 Xe での圧力損失と窒素からの見積もり
5.6 まとめ
循環機単体での自己循環は期待した流量で長時間行うことが出来た。このテストで、循環
を行う為の手順を確立出来た。液体 Xe でのポンプの性能が期待通りであることも確認でき
た。これにより、第 3 章の初めに述べた今回の試験の目標１「循環流量が１L/min 以上」
を検出器との循環ではないが、達成できた。また、圧力損失については見積もりと大きく
違っていたが、次回の測定での注意すべき点が分かった。
次章では、検出器に接続し循環する、不純物除去テストについて述べる。
57
第6章 不純物除去テスト(循環テスト２)
前章のテストで循環機の動作や挙動を確認できた。次に、本番で使用する 800kg 検出器の
代わりに、プロトタイプ 100kg 検出器に接続し、液体 Xe を循環させた。これは、プロト
タイプ検出器を用いることにより、実際の検出器との間の循環の経験を積むだけでなく、
水分除去の効果を見ることや、Rn 除去の定量的評価を行うことが出来るからである。
この章では、Flow 図・テスト内容・各種センサーの位置・テストの結果・取得したデータ
の解析について述べる
6.1 Flow 図
今回のテストに使用したラインの Flow 図を図 6-1 に示す。（導入・回収ラインは除く）こ
こで、循環する Xe の流れを赤矢印・今回使用するバルブを赤文字で示した。
図 6-1 不純物除去テストにおける Flow 図
6.2 テスト内容
テストは、08/11/25～12/15 の３週間行った。以下の表はテストのタイムスケジュールであ
る。
58
11/25～11/29 11/30 12/1 12/2～12/5 12/6
循環機+検出器
予冷・Xe 導入
検出器導入終了 循環機自己循環 検出器との循環
開始
循環流量減らす
1.5⇒0.8(L/min)
12/7～12/9 12/10 12/11 12/12・12/13 12/14・12/15
循環停止 (循環再開・停止)
×2
Rn インジェク
ション×2
循環再開
低速循環
循環機+検出器
Xe 回収
表 6-1 不純物テスト タイムスケジュール(黄色部分はデータを取得)
テストの内容は、
1. プロトタイプ検出器との接続方法の確立
2. プロトタイプ検出器との循環流量の確認
3. 循環前後プロトタイプ検出器のデータ取得
4. MS による光量の変化の確認
5. 活性炭フィルターによる Rn 除去の確認
以上の確認を行った。
6.3 循環機センサー位置
第3章で説明した各センサーの取り付け位置を示す。なお、温度計以外は5.3と同じである。
6.3.1 温度計
今回の実験での循環機の温度計の位置を図 6-2 に示す。基本的には前回の実験と変化は無
いが、前回の実験の結果重要なものをスローコントロールで読み出すようにした。また、
循環機⇔検出器の配管は 5m 程度と非常に長い。初め、常温である配管を液体 Xe はゆっく
りと冷やしながら進んでくる。この配管の検出器⇒循環機に 2 つ(30・31)・循環機⇒検出器
に 1 つ(32)温度計を付けた。これによりどこまで液体 Xe が来ているか分かることで判断が
出来るようにした。
59
図 6-2 循環機と検出器への配管の温度計位置
6.4 プロトタイプ検出器
データ取得に用いたプロトタイプ検出器の構造・PMT のナンバリングについて述べる。
6.4.1 プロトタイプ検出器の構造
XMASS プロトタイプ検出器として使用されていたプロトタイプ検出器は、内側が一辺
31cm の立方体の液体 Xe 容器である。容器の厚さ 2cm であり、材質は容器自身からのバッ
クグラウンドを減尐させるために無酸素銅で製作した。容器内での Xe の発光を観測するた
めに各面 9 箇所に厚さ 5mm の MgF2の覗き窓がついており、その外側につけられた計 54
本の PMT で Xe シンチレーション光を観測する。
MgF2は、Xeシンチレーション光波長に対して約 90％の透過率を持っている。MgF2とPMT
の間には緩衝材として円環状の 1mm のテフロンが挿入してある。検出器は断熱用の外真空
容器に置かれる。外真空容器も無酸素銅製である。プロトタイプ検出器の写真を図 6-3 に
示す。
60
図 6-3 プロトタイプ検出器の写真
6.4.2 放射線遮蔽体
プロトタイプ検出器では 2.2.1 で述べた、神岡鉱山内におけるバックグラウンドを押さえる
為に検出器の周囲を遮蔽体で囲っている。内側から、無酸素銅、鉛、ホウ酸、ポリエチレ
ンとなっている。表 6-2 にそれぞれの厚さと役割を示す。また、実物の写真をに示す。
材質 厚さ 目的
ポリエチレン 15cm 高速中性子減速
ホウ酸 5cm 熱中性子捕獲
鉛 15cm 環境γ線、β線遮蔽
無酸素銅 5cm 鉛からのγ線、β線遮蔽
表 6-2 遮蔽体の材質、厚さ、目的
図 6-4 外来バックグラウンド遮蔽体写真
61
6.4.3 低バックグラウンド PMT
Xe シンチレーション光を検出するために PMT を用いるが、液体 Xe の特性に適合した性
能・PMT は液体 Xe との距離が非常に近いために遮蔽物が尐ないので低バックグラウンド
という要請を満たさなくてはいけない。PMT に求める条件を以下に挙げる。
Xe の発光波長(178nm)に対して高量子効率を持つこと
低バックグラウンドであること
Xe の沸点(165K)で動作可能であること
プロトタイプ検出器では以上の条件を満たした R8778 型 PMT(図 6-5)を使用している。こ
れは、浜松ホトニクス社と共同開発した。
これらの PMT は低温状態で LED を用いて 1p.e.校正を行っている[18]。
図 6-5 R8778 型 PMT
6.4.4 使用している PMT
プロトタイプ検出器では前節で述べた PMT を 54 本使用している。ここでは、今回の実験
で使用した PMT と、検出器の概要を図 6-6 に載せる。ここで、左の図は PMT の No.を表
しており、×印は使用していない PMT を表す。これは配管を取り付ける(No9・No17)、線
源を MgF2の窓に取り付けている(No14)、MgF2の窓が割れており使用できないので銅の板
でふさいでいる(No6・No19・No20・No41)である。右図は検出器の液体 Xe による液面の
図であり、検出器の半分まで Xe を導入することを表している。上下に取り付けられた配管
から液体 Xe を循環することを表している。結果、常に液面より下にあり観測をしている
PMT は計 20 本になっている。ここで、半分しか Xe を導入しない理由は循環による急激な
圧力の変動があった時の変動を和らげる為である。
62
図 6-6 実験に使用した PMT と検出器の概要
6.4.5 DAQ
データ集積回路図を図 6-7 に示す。赤ケーブルは PMT からのアナログ信号、緑ケーブルは
トリガーを作るためのデジタル信号、紫ケーブルはデータ読み出しに関係するデジタル信
号、青ケーブルは VME の I/O Register からの制御デジタル信号を表す。
PMT からの信号は ADC と FADC で測定される。ADC は PMT54 本のシグナルが独立で測
定できるようになっている。FADC は 54 本のシグナルを合計したものを測定できるように
なっている。
今回の測定の主目的は液体 Xe 中のバックグラウンドの測定である。内部バックグラウンド
として、U 系列・Th 系列が崩壊するときに発生するα線を測定する必要がある。この時の
ADC の飽和を避けるため、PMT gain=0.7×106になるように PMT の供給する HV を調整
した。また、光量の変化を測定するために取り付けられた Co57線源からのデータを測定す
る時のみ、PMT gain=8.25×106 に上げて測定した。
また、図 2-7 での PbPoBi 210214214 のイベントの測定の為、イベントが来てもすぐに読
み出さず 1ms 後に読み出す。この間に来たイベントは Sub イベントとして ADC が記録す
る。ここからは、最初のイベントを Primary イベント、その後 1ms の間に来たイベントを
Sub イベントと呼ぶ。
なお、DeadTime はイベントの読み出しに約 30ms、アナログ⇒デジタル変換を行うのに
20μs である。
63
図 6-7 プロトタイプ検出器のデータ収集回路図
64
6.5 結果１（プロトタイプとの循環）
6.5.1 プロトタイプ検出器との接続
プロトタイプ検出器と循環機の接続に関して述べる。接続する前の状態としては、検出器
は液面が半分のところにある。循環機は VC８を通じて自己循環を行っている。配管には常
温のガス Xe で満たされており液体 Xe はガスの圧力で入れない。
この状態から VC3 をゆっくりと開けることで、ガス Xe は検出器に戻る。その為、液体 Xe
が配管内を冷やしながらゆっくりと液体で満たしていく。この時、蒸発したガス Xe は VC
３を通って検出器に戻り、冷凍機で冷やされる。
これを繰り返すことで、往復約 10m ある配管がゆっくりと液体 Xe で満たされる。配管の
途中で 3 箇所ある温度計で途中経過を見ることが出来た。
配管があらかじめ液体 Xe で満たされたところで VC3 を閉じる。その後、VC1 を開け、VC2
を開けることでプロトタイプ検出器との循環が開始される。
実験の最後には手順が確立できたので、配管を冷やし始めて約 1 時間で循環が出来るよう
になった。
6.5.2 プロトタイプ検出器との循環流量
プロトタイプ検出器との循環を行った時の、流量は 1.5L/min を達成できた。これは、目標
であった 1L/min を上回っており循環機の循環を行う為の性能は期待通りであったといえ
る。また、循環機のバルブを調整することで、流量を 1.5～0.3L/min と変化させることも
出来た。
6.6 結果２（水分除去による光量変化）
取得したデータの内、HighGainRun(8.25×106Gain)のみを用いて光量の変化を見積もった。
使用したデータは以下の通り。これは、HighGain でないと Co57のスペクトルが見えない
からである。
循環前のデータ(15000event)
循環後のデータ(15000event×4・5000event×3)
各データでトリガーレートに大きな変化は無かった。また、最後の 3 回は統計量を減らし
たがピークを見るのに十分な統計量である。
PMT14 の MgF2 の窓に取り付けられた線源 Co57のγ線(122keV)からの光を、線源に対し
て距離が離れている対面でありかつ液中に浸かっている PMT3・PMT７の光量の和を用い
て解析する。
その結果を以下の図 6-8 で示す。また、それぞれのプロットと LiveTime 図 6-9 に示す。
65
図 6-8 循環前後での PMT が取得する光量の変化
66
図 6-9 図 6-8 での各プロット(タイトルはプロットの順番と LiveTime)
光量が 4.5⇒10 と 2 倍以上になりその後は、非常に長い間大きな変化はない。これは最初
の循環時に MS により H2O 等が除去されて、Xe 中の吸収長が伸びたためだと思われる。
ただし、これだけでは定量的にどの程度の効果があったか評価を行なうことは困難である。
そもそも検出器が小さいため検出器よりも十分長い吸収長を持つ吸収については評価でき
ないが、それでも今後以下のような評価の方法が考えられる。今回は水分等の吸収成分の
67
除去が相対的に観察された点については成功だったが、定量的評価は今後の課題となる。
1. 液体キセノン中の水分除去に実績のある市販のＭＳを用いて測定を行ない、相対評価
をする。相対評価であっても、122keV の事象を比較することにより残存水分に対する
制限が付けられる。この方法を今後進める予定である。
2. シミュレーションを用いて、今回の測定から吸収長を見積もる。この場合発光量の絶
対値の不確定性があること、壁面での反射率などの影響もあり、系統誤差が入ってく
るため、感度の高い評価は容易ではないと推測される。
6.7 結果３（Xe 中の Rｎの変化）
今回のテストにおけるデータから Xe 中の Rn の量がどう変化するかを評価した。Rn 量の
変化については活性炭の Rn の除去効果、MS からの Rn の湧き出しが考えられる。解析方
法については U238 ・ Th232 それぞれからの Rn222 ・ Rn220 について以下の方法で選別した。
6.7.1 U238 からの Rn 事象の選別
U 系列からの Rn222 の量は、図 2-7 のように Bi214 が連続して崩壊するときの Delayed
Coincidence 事象の数から見積もった。この時、U 系列は放射平衡であると仮定した。循環
を行う前のプロトタイプ検出器でのデータを用いた(LiveTime＝86640s＝1.0day)。なお、
この間の検出器の液体 Xe の量は kg0454 であった。
データの中から Bi214 ⇒ Po214 事象を選び出すための条件を以下のように設定した。
1. ΔT＝20～1000(μs) (時間幅だけの検出efficiency ＝ 90%) (Subイベントとして
記録されている。)
2. Sub イベントの全体の光量＞5000p.e.
この条件に満たすイベントについて様々な角度から検証した。図 6-10 図 6-11 に検証した
図を示す。
まず図 6-10 の左の図は Sub イベントの全体の光量をプロットしたものである。5000～
12000p.e.に幅の広いピークが在る事が分かる。これを Po214 からのα線(7.7MeV)とし、
5000p.e.以上を選び出した。これにより、条件１，２を満たすイベントが選び出され、その
イベント数は 363±19(統計誤差)event となった。ピークの幅が広いのは、プロトタイプ検
出器に液体キセノンが半分しか入っていないことなど、内部の位置によって集光効率が異
なるためである。
次に、右の図は選び出されたイベントの Primary イベントの全体光量をプロットしたもの
である。1500p.e.付近に幅の広いピークがあることが分かる。これは Bi214 からのβ線
(3.27MeV)と考えられる。
次に、図 6-11 の左の図は選び出された Primary イベントと Sub イベントの時間差をプロ
ットしたものである。また、このプロットを CA Bx
)(
5.0 という式でフィットした結果、
半減期が 134.4±17.6μs となり、 Bi214の半減期である 164μs と 1.7σ以内で一致した。
よって、このイベントの選び出しは妥当であると言える。また、オフセット成分のイベン
68
ト数は 5.6±24 イベントとなりこのイベントは次に述べる Accidental イベントである。
次に別の方法で Accidental イベントを見積もる。、図 6-11 の右の図は全 Primary イベント
の全体光量のプロットであるが、これをみると 5000p.e.以上のイベント(H.E.イベント)が
885±30(統計誤差)イベント存在している。これは、他の核子の崩壊によって生じるα線の
イベントであると考えられる。これらのイベントは、Bi-Po イベントとは全く関係なくラン
ダムに起きると考えられる。その為、これらが偶然 Sub イベントとして観測されるとこれ
らは Accidental イベントとなる。よって以下の計算により Accidental イベントを見積もっ
た。
イベント＝イベント
イベント数 Accidental)LiveTime(s
H.E.1msPr imary
数式 6.1 Accidental イベントの見積もり (1ms は、sub event を探す時間 window の幅)
その結果、Accidental イベントは 8.0±0.3(統計誤差)イベントとなった。これは、フィット
でのオフセット成分からの見積もりが 5.4±24 イベントなのでエラーが大きいが一致して
いると言える。この Accidental イベントを尐ないが引くことで、Bi-Po イベントは 355±
19 イベントとなった。
この選別されたイベント数に、イベント選別の efficiency(90%)と検出器に存在した Xe の量
を用いて循環前の Xe 中の U238の量を求めると、
]/10)[(Xe)(35680/ 14540
238 ggXeU 重量統計誤差
数式 6.2
となった。ちなみに前回(2006 年 11 月)での U238の量は、
]/10[)(947/ 14238 ggXeU 統計 [18]
数式 6.3
であるので、約 14 倍になっている。これは、循環のためにプロトタイプ検出器に取り付け
た配管からか、導入時違う Getter を使用している為だと考えられる。この同定は今後行な
う必要がある。なお、目標(表 2-3)には数式 6.2 から１/340 にしなければならない。
次に、6.6 で述べたように循環を行うことで PMT が検出する光量は増加した。この為、循
環後では今回の条件が尐し変更する必要があるはずである。次節では循環後の光量の増加
を考慮に入れて Rn 事象の選別について述べる。
69
図 6-10 BiPo イベント検証１
70
図 6-11 BiPo イベント検証 2
6.7.2 循環後の U238 からの Rn 事象の選別
6.6 で述べたように、循環後の光量は増加するので、循環後でのデータの中から Bi214 ⇒
Po214 事象を選び出すための条件は光量の増加を考慮しなけらばならない。そこで、最初に
循環を行った後のデータ(Livetime＝＝108600s＝1.26day)を用いて次の条件に設定した。
なお、この間の検出器の液体 Xe の量は kg6.303.45 であった。
1. ΔT＝20～1000(μs) (時間幅だけの検出efficiency ＝ 90%) (Subイベントとして
記録されている。)
2. Sub イベントの全体の光量＞6000p.e.
この条件に満たすイベントについて様々な角度から検証した。図 6-12 図 6-11 に検証した
図を示す。
まず図 6-12 の左の図は Sub イベントの全体の光量をプロットしたものである。6000～
20000p.e.にピークが在る事が分かる。これを Po214 からのα線(7.7MeV)とし、6000p.e.以
上を選び出した。これにより、条件１，２を満たすイベントが選び出され、そのイベント
数は 1551±39(統計誤差)event となった。
次に、右の図は選び出されたイベントの Primary イベントの全体の光量をプロットしたも
のである。2000p.e.を中心としてかなりブロードなピークがあることが分かる。これは Bi214
71
からのβ線(3.27MeV)と考えられる。
次に、図 6-13 の左の図は選び出された Primary イベントと Sub イベントの時間差をプロ
ットしたものである。また、このプロットを CA Bx
)(
5.0 という式でフィットした結果、
半減期が 168.2±11.6μs となり、 Bi214 の半減期である 164μs と誤差の範囲内で一致した。
よって、このイベントの選び出しは妥当であると言える。また、オフセット成分のイベン
ト数は 48±59 イベントとなりこのイベントは次に述べる Accidental イベントである。
次に別の方法で Accidental イベントを見積もる。図 6-13 の右の図は全 Primary イベント
の全体光量のプロットであるが、これをみると 6000p.e.以上のイベント(H.E.イベント)が
4163±65(統計誤差)イベント存在している。これは、他の崩壊によって生じるα線のイベ
ントであると考えられる。これらのイベントは、Bi-Po イベントとは全く関係なくランダム
に起きると考えられる。その為、これらが偶然 Sub イベントとして観測されるとこれらは
Accidental イベントとなる。よって以下の計算により Accidental イベントを見積もった。
イベント＝イベント
イベント数 Accidental)LiveTime(s
H.E.1msPr imary
数式 6.4
その結果、Accidental イベントは 90±1 イベントとなった。これは、フィットでのオフセ
ット成分からの見積もりが48±59イベントなのでエラーが大きいが一致していると言える。
この数を引くことで、Bi-Po イベントは 1461±39 イベントとなった。
この選別されたイベント数に、イベント選別の efficiency(90%)と検出器に存在した Xe の量
を用いて循環後の Xe 中の U238の量を求めると、
]/10)[(Xe)(702660/ 140200
238 ggXeU 重量統計誤差
数式 6.5
となった。循環前(数式 6.2)に比べて、約 4 倍になっている。これは、循環を行うことで
Rn の量が増加したことになる。
72
図 6-12 循環後の BiPo イベント検証 1
73
図 6-13 循環後の BiPo イベント検証 2
次節では、6.7.1・6.7.2 で述べた選別方法を用い Xe 中の Rn222の時間変動を見ることで、
循環による効果を検証していく。
6.7.3 U 系列バックグラウンドの時間変動
次に、前節で用いたデータ選別を用いて、すべてのデータによる BiPo イベントと高い光量
(H.E.)のイベントの時間変動(図 6-14 及び図 6-15)をみていく。ここで、横軸はプロトタイ
プ検出器に液体Xeを導入してデータを取り出してからの経過時間で 1つのBinが 3時間で
ある。縦軸はそれぞれのイベントのイベントレートである。各図の上の図は Bi-Po イベン
トで前節の方法で Accidental イベントを取り除いている。下の図は、Bi-Po イベントでは
なく高い光量が発生したイベントである。これは、放射性不純物 U・Th の崩壊系列のなか
で、Bi-Po にたどり着くまでの崩壊ででる Rn222と Po182
からのα線(５MeV～７MeV)だと
考えられる。この仮定についてはこれから詳しく検証する。
まず、この全データは起こしたアクションによりいくつかに区切ることが出来る。
1. 液体 Xe 導入～循環を行う前(図では 0h～50h)
2. 循環を開始～循環を停止する。これは、計 4 回行っている。(50h～180h・240h～250h・
255h・295h～300h)
3. Rn インジェクション(275h～290h)
まず、循環を開始した際、Bi-Po イベントは 0.001Hz にまで急激に減尐したことが分かる。
また同時に、H.E.イベントが急激に上昇した。Bi-Po イベントが急激に減尐したので活性炭
74
が Rn222 を取り除いているように見えるが、H.E.イベントが上昇したいることを考えると、
Rn222 が導入され、崩壊することで放出されるα（ Rn222, Po218 等の崩壊によるα）を検
出していたと推測される。しかし、 Bi214 を含む上流のどこかが循環によって取り除かれる
ことで Bi-Po イベントは検出されないと仮定する必要がある。つまり、循環したことで
Rn222 の量は一旦増えたが、 Bi214 を含む上流のどこかからはフィルターによって取り除か
れていると推測される。先に述べたように、この仮定が正しいかどうかを検証しながら以
下の話をすすめる。
さて、循環を停止させていた部分(170h～190h)を拡大した図 6-16 を見てみる。ここで注目
すべきは Bi-Po イベントが急激に上昇していたことである。もし Rn222 がフィルターで取り
除かれていたならば、Bi-Po イベントが発生するまでに、数日間必要である。これは、 Rn222
から Bi214までの崩壊時間から分かる。一方 Rn222
がフィルターで取り除かれないとすれば、
Po218, Pb214
, Bi214の半減期から考えて約 80 分の時定数でリカバーすることになる。観測
されたカーブはフィットから 80±23 分となり一致している。つまり、ここでも先の仮定と
矛盾しない。また、Bi-Po イベントが約 0.02Hz で、H.E.イベントが約 0.04Hz と約 2 倍と
なっている。これは、 Rn222から Bi214
が発生するまでには 2 本のα線が出ることと再度矛
盾しない。
次に、図 6-16 の下の図で H.E.イベントは循環前後で一定であるので Rn222は一定であると
して、Bi-Po イベントの除去効率を考える。Bi-Po イベントは循環中には 0.001Hz で一定、
循環停止後は幅があるものの 0.015±0.005Hz で一定である。また、循環中は流量が
1.5L/min である。ここで、もし Bi214が除去されているとするとフィルターの除去効率を計
算すると 5.6±1.8 になった。これでは、除去効率が 100%を大きくこえることになり矛盾
することになるので Bi214が除去されているわけではないことが分かる。次に Pb214
が除去
されているとして除去効率を計算すると 1.75±0.63 と 100％に近いことが分かり矛盾しな
い。もし、 Po218が除去されているとしても除去効率は矛盾しないが、α線が 1 本しか出な
いことになり、H.E.イベントのレートを考えると考えにくい。
次に図 6-15、 Rn222を積極的に導入した Rn インジェクションについて見てみる。 Rn222
を
導入することで、H.E.イベント・Bi-Po イベントが同時に増加していることが分かる。この
ことからも H.E.イベントは Rn222からのαを見ていることの確証を得た。
なお、Rn インジェクション後に循環をすることで、H.E.イベントが減尐しているように見
えるが、これは Rn インジェクションがされていない循環機の液体 Xe との希釈が起こった
ためである（検出器と循環器のバッファタンク内のキセノン量はほぼ同じ程度で、それぞ
れ 17 リットルと 17 リットルである）。
ここまでで、 Rn222が期待通りに除去できていないことが分かった。ここで、 Rn222
の除去
効率の上限値を求める。図 6-17 は、Rn インジェクション後の循環部分(280h～300h)を拡
大した図である。循環が開始し、Bi-Po イベントが一定になったところは循環が安定して行
われているはずである。もし、循環によって Rn が除去されるなら最初の循環での H.E.イ
75
ベントレート 0.04Hz まで落ちるはずである。そこで、循環が開始されてから循環停止まで
の時間(294h～300h)での 0.04Hz に落ちるまでの時定数をフィットにより求めた。結果は、
τ＞15h となった。ここで、τは除去効率と流量の積で表されるので、除去効率は 1%以下
であることが分かった。
このように全体を通じて、循環によって Pb214 については 100％の除去効率があることと矛
盾しない一方、 Rn222 の除去効率については 1%以下であることが分かった。
76
図 6-14 実験中の BiPo イベントと H.E.イベントの変動(前半)
77
図 6-15 実験中の BiPo イベントと H.E.イベントの変動(後半)
78
図 6-16 循環を停止させた時の BiPo イベントと H.E.イベントの変動
79
図 6-17 Rn インジェクション後の循環での BiPo イベントと H.E.イベントの変動
6.7.4 Th232 からの Rn 事象の選別
Th 系列からの Rn220の量は、図 2-9 のように Rn220
が連続して崩壊するときの Delayed
Coincidence 事象の数から見積もった。この時、Th 系列は放射平衡であると仮定した。用
いたデータは、循環中のデータ(LiveTime=183600 2.13day)で PMT Gain＝0.70 である。
なお、この間の検出器の液体 Xe の量は kg6445 であった。データの中から
80
PbPoRn 212216220 事象を選び出すための条件を以下のように設定した。
1. 高い光量(5300p.e.以上)のイベントを選びだす。
2. 高い光量のイベント同士の時間差で 50ms～1000ms である。(時間幅だけの Efficiency
＝78％)
は、上記の条件で選び出された高い光量のイベントと次の高い光量のイベントの時間差を
プロットしたものである。横軸は 50ms～1000ms である。また、このプロットを
CA Bx
)(
5.0 という式でフィットした結果、半減期が 136.4±27.5ms となり、 Po216 の半
減期である 145ms と誤差の範囲内で一致した。
よって、このイベントの選び出しは妥当であると言える。また、オフセット成分のイベン
ト数は 176±34 イベントとなりこのイベントは次に述べる Accidental イベントである。
条件１，２を満たすイベント数 433±21(統計誤差)イベントの内、オフセット成分を取り除
く。
結果として、 PbPoRn 212216220 イベントは、257±40(統計誤差)イベントとなった。
次に、先ほどのオフセット成分からの Accidental イベントを別の方法で見積もる。
5300p.e.以上のイベント(高い光量のイベント)が 6572±81 イベント存在している。この内、
PbPoRn 212216220 イベントを取り除いた6315±90イベントは他の崩壊によって生じる
α線のイベントであると考えられる。これらのイベントは、 PbPoRn 212216220 イベント
とは全く関係なくランダムに起きると考えられる。その為、これらは Accidental イベント
となる。よって以下の計算により Accidental イベントを見積もった。
イベント＝イベント
イベント Accidental)LiveTime(s
63151s6315
数式 6.6
計算結果として、217±6 イベントとなった。これは、オフセットから見積もった Accidental
イベントと誤差の範囲内で一致していると言える。
Accidental イベントを差し引いた PbPoRn 212216220 イベントが、257±40 イベント。
この選別されたイベント数に、イベント選別の efficiency(78%)と検出器に存在した Xe の量
を用いて、Xe 中の Th の量を求めると
]/10)[Xe(150980/ 14100120
232 ggXeTh 重量
数式 6.7
となった。
循環を行っていない時の Th の量を求めた。図 6-19 は循環前と停止してすぐの図 6-18 と
同じプロットである。どちらもオフセットの成分から有意に Rn220のイベントが見えている
とは言えない。Th の上限値を求めると、循環前では
]/10)[(32/ 14232 ggXeTh 統計誤差
81
循環直後では
]/10)[(218/ 14232 ggXeTh 統計誤差
となった。 Rn220 の寿命が短いために活性炭が Rn220 を除去しているかどうか調査は難しい
が、循環を行う間のみ Rn220 が増加していることは明白である。
図 6-18 循環中の Rn220 崩壊イベント
82
図 6-19 循環前と循環停止直後の Rn220 崩壊イベント
ここまでの結果で、 Rn222 はフィルターによる除去効率は低いうえ循環によって供給された
ことがわかった。さらに Rn220 は循環の際のみに観測されるという結論に至った。次節では、
Rn222 ・ Rn220 源はどこからなのかを考察する。
6.7.5 循環機からの Rn
6.7.1～6.7.4 で、循環の際 Rn222 ・ Rn220 両方が供給されることが分かった。これは、循環
機に Rn の発生源があり、かつ活性炭の除去能力が期待通りではないことを示している。
まず、検出器で観測された Xe 中の Rn222 ・ Rn220 の量を表 6-3 にまとめる。この増加量は
循環機に由来するはずである。
循環前 循環後 増加量
Rn222(U 系列) 0.34
00.22.4 0
2.10.45.16 0
3.10.53.12
Rn220(Th 系列) 0(検出できず) 0.19
23.00.3199.1 0.19
23.00.3199.1
表 6-3 循環機との接続前後での各 Rn の検出量(ｍBq/Liq.Xe50kg)
まず、 Rn222・ Rn220
の発生源と考えられるのは、以下の 2 つである。
1. MS・活性炭フィルターからの Rn 湧き出し
2. 配管・配管の溶接部分からの Rn 湧き出し
まず、１の内活性炭については 4.2 で述べているように MS に比べて Rn の湧き出しは十分
83
無視できる量であるので、ここからは MS についてのみ考える。
循環機に MS を接続してから十分な時間経過しているので、循環機のなかの MS が湧き出
す Rn222 ・ Rn220 は、ほとんど平衡状態になっていると言える。また、循環機と検出器を接
続して十分な時間循環しているので循環機に存在した Xe と検出器に存在した Xe は十分攪
拌されている。すると、MS の U・Th の含有量(表 4-6)から Rn222 ・ Rn220 の湧き出し量を
見積もることが出来る。
MS 中の含有量(表 4-6)
(mBq/kg)
循環機中に使用している
MS130g に含まれる含有量(ｍBq)
U238 120±12 15.6±1.6
Th232 209±52 27±7
表 6-4 循環機に使用した MS の含有 U・Th からの Rn の見積もり
U238からの Rn222
は MS から 15.6±1.6mBq で放出され、循環機+検出器に拡散している。
その内検出器で検出されるのは、半分の 7.8±0.8mBq であると考えられる。これは、検出
された 03.10.53.12 mBq に比べ有意に尐ない。よって、残りは、循環機中の配管や溶接部
分からだと考えられる。循環機中のどこが発生源なのかは今後 Rn 検出器を用いて特定する
予定である。
Th232からの Rn220 は MS から 27±7mBq で放出される。しかし、 Rn220 の半減期は 56s と
短いので MS から検出器にたどり着く前に崩壊して減尐するはずである。これを見積もっ
てみる。MS から検出器までの配管の体積が 01.16.2 L であり、流量が約 1.5L/min なので、
平均 60～104s かかる。従って、崩壊されずに検出器で検出されるのは、 3.509.15.7 mBq
となる。これは、検出された 0.1923.00.3199.1 mBq に比べ有意に多い。これは、崩壊した Th232
の量に比べて実際に湧き出す Rn220 の量は尐ないからだと考えれば矛盾しない。220Rn が
フィルターによって除去されている可能性は、222Rn の除去効率から見ても可能性は低い
と判断している。
6.8 まとめ
まず、循環機⇔検出器での循環は期待した流量で長時間(5 日間)行うことが出来た。このテ
ストで、循環を行う為の手順を確立出来た。これにより、第 3 章の初めに述べた今回の試
験の目標１「循環流量が１L/min 以上」を達成できた。
次に、循環するとすぐに検出器で検出する光量が 2 倍に増加することが確認できた。これ
は、H2O 等が除去されて、Xe 中の吸収長が伸びたためだと思われる。これにより、第 3 章
の初めに述べた今回の試験の目標２「循環による検出器での光量増加の確認」を達成でき
84
た。しかし、定量的な議論は出来なかった。今後の実験では、実績のある MS での光量の
増加を測定し、今回の結果と比較することが必要である。
最後に、活性炭による Rn 除去効率は 1％以下であることが分った。また逆に、MS や循環
機の配管からの Rn が湧き出し成分があり、結果として Rn は増加することになった。これ
についての今後の対策としては、
1. 新しい Rn の除去フィルターの開発(銅ウール、５AMS、Carbosieve,孔の分布が狭い活
性炭)
2. MS は継続的に使用する必要は無いので、必要がなくなればバイパス出来るようにする。
等が、考えられる。しかし、循環機の配管からの Rn の湧き出しについては、Rn の除去フ
ィルターで取り除く方法しかないので、やはり「Rn の除去フィルターの開発」が最も重要
である。
85
第7章 まとめ
XMASS 実験では液体 Xe を用いた多目的の低バックグラウンド実験である。現在は 800kg
級の検出器の建設を進めており、完成すれば本格的な暗黒物質探索を行う予定である。こ
の時、液体 Xe 中でのバックグラウンドは自己遮蔽が出来ないため、低バックグラウンドを
実現するために様々な準備をしている。それは、Xe を導入前に純化すること・導入後に純
化することに分けられる。
ここでは 800kg 検出器に向けた液体 Xe 循環機の動作確認テスト・フィルターによる純化
テストを行った。その際、バックグラウンドを測定する為にプロトタイプ検出器であるプ
ロトタイプ検出器を用いた。
その結果、循環については目標としていた流量 1.0L/min を上回る 1.5L/min という流量が
出せた。また、安定した循環が行えることを確認した。
光量については、循環を 1 度行うと検出できる光量が約 2 倍になることが分かった。また、
循環を停止しても光量は下がらなかった。しかし、これだけではどれだけの水分が除去で
きたとはいえない。その為尐なくとも、MEG グループが用いた 13A[33]の MS と同じだけ
の光量の増加であるか確認する必要がある。
Xe 中のバックグラウンドとなる Rn については 1％以下と残念ながら高い効率で低減する
ことが出来ず、むしろ循環前より循環後の方が増えるという結果になった。しかし、循環
中、 Pb214が除去できていることが確認できた。
この為、この循環機では再度テストを行い以下のことを確かめる必要がある。
今回用いた活性炭以外で Rn の除去を行う方法
Bi はどこで除去されたのか
水分は MEG グループが用いた 13A の MS と同じ量が除去できたのか、またバックグ
ラウンドはどの程度か
現在、新しい Rn を除去するフィルターの選定を行なっている。また、フィルターを実験中
に交換できる機構を循環機に取り付ける予定である。これにより以上の問題点を解決する
ため、効率よくテストを行う予定である。
86
関連図書
[1] K.G. Begeman, et al.,Mon. Not. R. Astron. Soc. 249 (1991) 219t.
[2] C. L. Bennett et al., Astrophys. J. Supp., 148 (2003) 1.
[3] D. N. Spergel et al., Astrophys. J. Supp., 148 (2003) 175.
[4] W. Sutherland, Rev. Mod. Phys 71(1999) 421.
[5] Y. Fukuda et al., (Super-Kamiokande Collaboration), Phys. Rev. Let.81 (1998) 1562.
[6] S. Fukuda et al., (Super-Kamiokande Collaboration), Phys. Rev. Let.86 (2001) 5651.
[7] C. Kraus et al.,European Phys J G., 40 (2005) 447
[8] R. D. Peccei and H. R. Quinn, Phys. Rev. Let.38 (1977) 1440.
[9] G. Jungman et al., Supersymmetric Dark Mater
[10] A. Abusaidi et al. (CDMS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 5699.
[11] J. Angle et al., Phys Rev. Lett. 100 (2008) 021303
[12] Super-Kamiokande Collaboration, Phys. Rev. D 70 (2004) 083523
[13] A. Morales et al., Phys. Lett. B 532 (2992) 8.
[14] L. Baudis et al., Phys. Rev. D 63 (2001) 022001.
[15] R. Bernabei et al., Phys. Lett. B 480 (2000) 23.
[16] UKDMC Collaboration, Phys. Lett. B 616 (2005) 17.
[17] N.J.Spooner et al., Proc. DM 2000, (Marina del Rey, 2000) ed. D. Cline p.365
[18] A. Minamino, Doctral thesis, University of Tokyo (2007).
[19] G. Angloher et al., Astropart. Phys. 18 (2002) 43.
[20] Y. Shimizu et al., Phys. Lett. B 633 (2006) 195.
[21] V. Sanglard et al., Phys. Rev. D 71 (2005) 122202.
[22] D. S. Akerib et al., Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 011302.
[23] R. Bernabei et al., Phys. Lett. B 424 (1998) 195.
[24] J.Jortner et al., J.Chem. Phys., 42 (1965) 4250.
[25] N.Schwenter, E.E. Koch and J.Jortner,“Electronic Excitations in Condensed Rare
Gases“,Springer-Verlag, Berlin 1985.
[26] National Instituie of Standard and Technology, http://www.nist.gov/srd/nist12.html
[27] Photon Cross Sections Database,
http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/XCOM.html
[28] A. Baldini et al., IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 13 (2006) 547.
[29] The Super Kamiokande Collaboration, Phys. Lett. 425 (1999) 418.
[30] 大谷航、東京大学理学系研究科修士論文 (1994)
87
[31] 身内賢太郎、東京大学理学系研究科修士論文 (1999)
[32] M. Ishitsuka, master thesis, University of Tokyo, 2001.
[33] A. Baldini, et al., Nucl. Instr. And Meth.A 545 (2005) 753
[34] H. Simgen, Max Planck Institute for Nuclear Physics, LRT talk (2004)
88
謝辞
修士の二年間、本研究を進めていく上で多くの方々に大変お世話になりました。指導教官
である森山茂栄先生には本論文の構成から、実験結果についての解析、実験の方法など実
験屋にとってとても大事なことを丁寧に教えていただきました。他にも様々な面でご迷惑
をかけ大変お世話になり、深く感謝しております。鈴木洋一郎先生にはミーティングで物
理の物の見方、データの意味、実験結果の再現性についてご指導いただきました。先生に
は 2 年間この論文に書かれた全て内容についてご指導いただき、深く感謝しております。
ユニオン昭和株式会社株式会社には、MS の共同研究について協力していただきありがとう
ございました。中畑雅行先生には実験結果がなかなかでない時など解析手法について、様々
なアイディアをいただきました。竹内康雄先生にはミーティングなどアドバイスを頂きま
した。小汐由介先生には実験の話をしていただいたり、神岡での生活面で大変お世話にな
りました。早戸良成先生は、大変話し易く冷静なご意見を頂き大変参考になりました。竹
田敦先生には坑内での生活の中で仕事を黙々と行っている姿が印象的でした。安部航先生
には修士生活の最初の研究であるモックアップにおいて、何も分からないところを丁寧に
教えていただきました。また普段何気に疑問に感じた多くの質問に丁寧に教えていただき
深く感謝しております。関谷洋之先生には自分が間違った考え方をしているときに、物理
の概念を丁寧に教えてもらいました。また暗黒物質について多くのことを教えて頂きまし
た。 小川洋先生には、本論文の実験にあたり、毎朝早くから一緒に坑内に入って作業を
しました。自分が至らないところがあったことを深くお詫びします。山下雅樹先生には、
本論文の実験にあたりかなりお世話になりました。本当に深く感謝しています。塩澤真人
先生、三浦真先生、大林由尚先生にはゼミ、コロキウムなどでお世話になりました。亀田
純先生には難解な理論物理について丁寧に教えて頂きました。山田悟先生、渡辺秀樹先生
には神岡の生活でお世話になりました。南野彰宏先輩には XMASS について一から丁寧に
教えて頂きました。全然結果がでない時は常に励ましてもらい、また様々なアイデアを頂
きました。神岡の生活面でも大変お世話になりました。
技官の神戸さん、水畑実さん、熊丸誠一さんには神岡坑内での実験、一人で入坑した時の
入出坑等様々な面で大変お世話になりました。本研究をかげながらサポートしていただき
ました。深く感謝いたします。 事務の海津聡さん、大倉洋子さん、岡田英里さん、前田
由香利さんには伝票の支払いから荷物の出荷等様々な面で大変お世話になりました。また
研究棟スタッフの影山さんにはいつも汚い部屋の掃除をして頂きました。本当にありがと
うございました。神岡宿舎のスタッフの方々には毎日の部屋の掃除、洗濯で大変お世話に
なりました。快適に研究生活がおくれる環境を提供していただきました。
ニュートリノセンターの梶田隆章先生、金行健治先生、奥村公宏先生には柏で大変お世話
になりました。 中山祥英先生、樋口格先生には物理のことから柏での生活面で大変お世
89
話になりました。またいろんな面でアドバイスを頂き励まされました。武長祐美子先輩、
西野玄記先輩、三塚岳先輩には M1 の四月何もわからない時期にコンピューターの設定か
ら授業のことなど様々面で丁寧に教えて頂きました。
神岡での先輩の飯田崇史さんと上島孝太さんには神岡でいつもいつもお世話になりました。
時には物理の議論をし、励ましてもらい研究生活を送ってこれました。石原千鶴枝さん柏、
で大変ご迷惑をかけました。楽しく研究生活を送れて大変感謝しております。池田一得さ
んには長期神岡での滞在中大変お世話になりました。
同期の狭間俊介くん、上野昴くんには同期として気さくに話す事ができ、同期ならではの
会話を楽しむことが出来ました。後輩の横澤孝章くん、上妻祐毅くん、初めての後輩うれ
しかったです。
最後に 24 年間身勝手な自分を支えてくれた家族、友人に感謝します。
2009 年 1 月 中島 勇波