Neutronenquellstärke einer Th-228 Gamma-Prüfquelle für das BOREXINO Experiment

Für das BOREXINO Experiment [1] im Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) wird eine ²²⁸Th Gamma-Prüfquelle benötigt, die nicht mehr als 10 Neutronen pro Sekunde emittiert. Das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg und andere europäische Institute haben eine 5,4 MBq ²²⁸Th Radionuklidquelle mit dieser Nebenbedingung entwickelt und einen Prototyp hergestellt [2]. Im Rahmen einer wissenschaftlichen Zusammenarbeit hat die Arbeitsgruppe "Neutronenspektrometrie und Neutronenquellen" der PTB die Neutronenquellstärke dieser Quelle gemessen um zu prüfen, ob sie ins LNGS eingebracht werden kann.

Die Herausforderung bei der Messung der Neutronenquellstärke der ²²⁸Th Quelle lag in dem erwarteten geringen Verhältnis von Neutronen zu Gammastrahlung von etwa 10-6. Mit einem mit ³He Gas gefüllten Proportionalzählrohr (Typ SP9) der Firma Centronic Ltd., UK, das standardmäßig in einem sehr gut charakterisierten Neutronenspektrometer (NEMUS) der PTB verwendet wird, können die durch Neutronen hervorgerufenen Messsignale von denen durch Gammastrahlung und anderen Störsignalen separiert werden. Zur Überprüfung der eingestellten Schwellen im Pulshöhenspektrum für die Trennung der beiden Strahlungsarten bei dem sehr hohen Gammaanteil wurde der SP9 Zähler in unserer Quellenbestrahlungseinrichtung getrennt mit Neutronen und Gammastrahlung bestrahlt und anschließend mit der Kombination von beiden. Mit diesen Messungen wurde zusätzlich sicher gestellt, dass sich die Totzeit des Messsystems und die Nachweiswahrscheinlichkeit für Neutronen durch zusätzliche Gammastrahlung nicht verändern.

Monte Carlo Simulationsrechnungen ergeben für eine ThO² Lösung, der Basis der Thorium Prüfquelle, eine mittlerer Neutronenenergie von 2,41 MeV. Da der ³He Zähler nur für thermische Neutronen (bis einige eV) empfindlich ist, wurde eine Messeinrichtung verwendet, die standardmäßig für die Qualitätskontrolle der ³He Zähler verwendet wird. Dabei sind der ³He Zähler sowie eine Quelle in einem Paraffinblock entsprechend der Skizze in Abbildung 1 angeordnet.

Abbildung 1: ³He Zähler (Typ SP9) und Neutronenquelle im Paraffinblock, Abmessungen in mm

Die geringe, prognostizierte Neutronenquellstärke der ²²⁸Th Quelle erforderte eine Messzeit von mehreren Tagen. Da die Messungen in einem Laborgebäude auf PTB-Gelände und nicht etwa in einem Untergrundmesslabor durchgeführt wurden, müssen die Zählereignisse, die den Neutronen aus der kosmischen Strahlung zuzuordnen sind, als Untergrund abgezogen werden. Dabei ist der Einfluss des Luftdrucks zu berücksichtigen, der sich in einer Antikorrelation zwischen Luftdruck und Neutronenfluenzrate zeigt [3]. In einer Messreihe von 149 Messungen mit je 4 Stunden Messzeit wurde als Untergrund (bg) eine mittlere Zählrate der Neutronen aus der kosmischen Strahlung von  bestimmt. Die Abbildung 2 zeigt bei den Messungen ohne die Th-Quelle (orangefarbene Symbole), dass die Antikorrelation wegen zu großer statistischer Unsicherheiten nicht beobachtbar ist und im Rahmen der Unsicherheiten vernachlässigt werden kann.

Abbildung 2 : Anzahl der Signale im ³He Zähler bei einem Messintervall von 4 Stunden (linke Ordinate) und gemessener Luftdruck im Zeitraum vom 29.03.2010 bis 04.05.2010 (rechte Ordinate)

Nach Einbringen der ²²⁸Th Quelle wurden 66 Messungen mit je 4 Stunden Messzeit durchgeführt, aus denen eine mittlere Zählrate von  bestimmt wurde. Diese Zählereignisse, siehe Abbildung 2 rote Symbole, stammen aus der Kombination von Neutronen aus der kosmischen Strahlung und Neutronen von der ²²⁸Th Quelle (bgTh). Zur Bestimmung der absoluten Neutronenquellstärke muss noch der Umrechnungsfaktor bestimmt werden, der die Zählereignisse und die Neutronenquellstärke verknüpft. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine ²⁴¹AmB Quelle mit bekannter Neutronenquellstärke am besten für die Bestimmung des Umrechnungsfaktors geeignet ist.

Unter Berücksichtigung des gemessenen Untergrundes und Anwendung des Umrechnungsfaktors wurde eine Neutronenquellstärke der vom MPIK hergestellten ²²⁸Th Quelle für das BOREXINO Experiment von  bestimmt (Referenzdatum 29.04.2010), so dass die oben genannte Bedingung für die Verwendung im LNGS erfüllt wurde.

Literatur

1. borex.lngs.infn.it
2. R. Dressler et al.:
   Production and characterization of a custom-made ²²⁸Th source with reduced neutron flux for the BOREXINO experiment.
   To be subm. to Nucl. Instrum. Meth. A.
3. B. Wiegel, A.V. Alevra, M. Matzke, U. J. Schrewe and J. Wittstock:
   Spectrometry with the PTB Neutron Multisphere Spectrometer (NEMUS) at Flight Altitudes and at Ground Level,
   Nucl. Instrum. Meth. A476, 52-57 (2002).