Super-Kamiokande Gadolinium R&D project:

実験装置材料に対する影響 豊田英嗣 2010年3月21日 岡山大学 自然科学研究科

岡山大理、東京宇宙線研A，マドリードアウトノマ大B，カリフォルニア大C，IPMUD

豊田英嗣，三野将悟，森俊彰，石野宏和，樹林敦子，作田誠， 小汐由介A，中畑雅行A，関谷洋之A，竹田敦A，竹内康雄A，

L.LabargaB,L.MartiB,A.RenshawC,M.SmyC,J.SchuemannD,M.VaginsD, for the Super-Kamiokande Collaboration

概要 1.目的 2.溶質試験 3.透過率測定 4.ゴムについての溶質試験 5.まとめ

1.目的、背景 • 将来スーパーカミオカンデで中性子検出を行うために、

Gdを導入する計画がある。 • 使用する最も有力な候補は硫酸ガドリニウムGd2(SO4)3

0.2%水溶液はpH約2.9の酸性。 • スーパーカミオカンデ検出器を構成している具材全31種類について硫酸Gd水溶液の影響を調べるために溶質試験を行った。 – ステンレス、ガラス、ゴム等

2.溶質試験 1. 2種類の溶液を準備 －500gの0.2％硫酸Gd水溶液 －500gの純水 2．窒素で1時間バブリング 3．サンプルを超音波洗浄して溶液に入れる 4．3ヶ月間室温(20～25℃)で放置したあとサンプルの腐食と溶液の透過率を調査

Gd粉末 窒素バブリング テスト開始

室温（20～25℃）で3ヶ月間放置

してからサンプルを溶液から取り出し顕微鏡で腐食具合を確認

硫酸Gd水溶液と純水とも

にサンプルの表面上での変化は確認できず

顕微鏡(100倍)で見たサンプルの表面

拡大

ステンレス製

純水 硫酸Gd水溶液

ナット ナット

光源 空気

石英セル(2cm)

検出器

0I

0I 2I

1I

190nmから900nmまでの波長の光を当てる referenceとsampleの透過率の比を取る 今回の実験ではreferenceは空気

190～900nm

3.水溶液の透過率測定

今回の測定での透過率は

2

1

II

=ε

分光光度計 V550

sample

reference

波長(nm)

透過率( )

透過率測定結果

100% ＝空気

赤=硫酸Gd水溶液 青=ステンレスサンプル＋純水 黒=ステンレスサンプル＋硫酸Gd水溶液

31種類中30種類のサンプルは透過率の変化無し

セルによる反射

Gdによる吸収 % SKのPMTで感度のある範囲は300-700nm

であり、Gdによる吸収(270nm)は問題ない

波長(nm)

ゴム ゴム＋純水 ゴム＋硫酸Gd水溶液 4.PMT固定用バンドの溶質試験結果

室温（20℃～25℃）で放置 硫酸Gd水溶液

ゴム+純水

ゴム+硫酸Gd水溶液

透過率( ) %

ステンレス＋ゴム

透過率に影響が現れた。 ステンレスを浸けた溶液は影響が見られなかった。

このサンプルを浸けた溶液の透過率への影響はゴムによるもの

本溶質試験とSK実験との比較 1570mm

32mm

5mm 実際にゴムが純水と触れている部分は15700mm2。 SKでは11146本の光電子増倍管が使われている。

R=3×5.08/3.5×10-3=4354

純水 ゴム(表面積)

溶質試験 5×102g 2.54×103mm2 5.08

SK実験 5×1010g 1.75×108mm2 3.5×10-3

今回の試験は溶液の変化を短時間で観察できるよう実際のSKに対して上のような加速された条件で行われている。

30mm

5mm

32mm

このゴムを用いて 同様の溶質試験

gmm2

純水重量

ゴム表面積

SKでは検出器内の純水を循環させており、1ヶ月で入れ替わる。 今回の試験では3ヶ月間浸水させていたので、実際のSKと溶質試験との比Rは次のようになる。

ゴム+純水:15℃ ゴム+硫酸Gd水溶液：15℃

ゴム+純水:25℃ ゴム+硫酸Gd水溶液:25℃

波長(nm)

恒温槽 純水 硫酸Gd水溶液

硫酸Gd水溶液

ゴム＋純水

ゴム+硫酸Gd水溶液

透過率( ) %

恒温槽を使い溶液を15℃で3ヶ月放置

サンプル

15℃=SKの水温

15℃の方が透過率が良い。 実際のSKの純水の透過率への影響はごくわずか。 SKではチェレンコフ光が100m程度進める透過率を維持している。

PMT固定用ゴムの溶質試験結果(恒温)

5.まとめ 結果 • 室温でSK検出器の具材全31種類の部品について溶質試験を行った結果、サンプルの腐食は確認されなかった。また透過率測定ではPMT固定用バンド(ゴム)だけに変化が現れた。

• 室温(20℃～25℃)に比べて15℃（SKの水温）で放置した溶液の透過率のほうが影響が少ない。

• ゴムの表面積の比を考慮するとSKへの影響は小さいと考えられる。

今後の予定 • pHによる影響を調べる。

– 酸化Gdを0.2%硫酸Gd水溶液に溶かすとpHは2.9から6.8になり、酸性から中性に近づく

PMTの量子効率を考慮した水中でのチェレンコフスペクトル

波長(nm)

チェレンコフスペクトル

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

300 350 400 450 500 550 600

SKで検出可能な波長領域は 300nm～600nm

恒温槽 純水 硫酸Gd水溶液 恒温槽を使い溶液を15℃で3ヶ月放置

サンプル

15℃=SKの水温

PMT固定用ゴムの溶質試験結果(恒温)

380nm

波長(nm)

透過率( ) %

硫酸Gd水溶液

標準

面積2倍

面積3倍

面積2倍:5040mm2 面積3倍:7520mm2 標準:2540mm2

表面積依存性 ゴムの切り方を変えることで、質量を変えずに表面積だけを変化させた。 グラフから透過率はゴムの表面積に比例することがわかる。

透過率(%

)

波長(nm)

PMT固定用バンド(ゴム付) 純水 Gd水溶液

波長(nm)

透過率( ) このサンプルにだけ透

過率に影響がみられた。 ゴムの部分だけを引き剥がし、追加で浸水テストを行う。

硫酸Gd水溶液

サンプル+純水

サンプル+硫酸Gd水溶液

ステンレス＋ゴム

室温（20℃～25℃）で放置

%

酸化ガドリニウム(Gd2O3)

Gd2O3 :0.1g

酸化Gd(Gd2O3)の量 pH(Gd2O3+Gd2(SO4)3) 0.1g 5.19 0.2g 5.66 0.4g 6.63 0.8g 6.83 1.6g 6.85

溶液の酸性が弱まったため溶けにくくなっている 酸化Gdの量を減らしてみる。

酸化Gdを溶かした溶液の透過率を調査。

酸化Gdを0.2%硫酸Gd水溶液に溶かす。 酸化Gdは酸性の溶液にしか溶けない。 0.2％硫酸Gd水溶液は酸性(pH2.9)だが酸化Gdを溶かすと中性になる。

酸化Gdを溶液に入れてから2週間後の写真

1λ

1λ0

600 500 400 300

50

100

Wave length (nm)

Relative cherenkov spectrum through pure water

Quantum efficiency

Rel

ativ

e ch

eren

kov

spec

trum

th

roug

h pu

re w

ater

(%)

SKで検出可能な波長領域は 300nm～600nm

水中での量子効率を考慮したチェレンコフスペクトル

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 100 200 300 400 500 600

系列1

水中での量子効率を考慮したチェレンコフスペクトル

恒温槽（15℃）を用いた浸水テスト

テスト開始 1ヶ月

3ヶ月 2ヶ月

恒温槽

恒温槽を使いSKと同じ水温（15℃）で溶液を放置

溶液の色の変化

純水

Gd 水溶液

テスト開始 1ヵ月後 2ヵ月後 3ヵ月後

純水は黄色に変化 Gd水溶液は赤紫色に変化

右図のようにゴムを切り、500mlの純水とGd水溶液(0.2％)に浸けて室温(20℃～25℃)で3ヶ月放置

ゴム＋純水 ゴム＋硫酸Gd水溶液

波長(nm)

透過率(%

)

温度依存性 温度が高いほうが透過率が悪い

硫酸Gd水溶液 純水:9℃ 硫酸Gd水溶液:9℃

純水:25℃ 硫酸Gd水溶液:25℃

波長(nm)

透過率(%

)

赤=0.1% ピンク=0.2%

Gd(0.1%) Gd(0.4%) Gd(0.8%)

濃度依存性 濃度が低いほど透過率が悪くなる

表面積：2540m㎡

黒=0.4% 青=0.8%

15℃と25℃での透過率の比較

硫酸Gd水溶液

純水:15℃ 硫酸Gd水溶液：15℃

恒温槽:15℃ 純水 硫酸Gd水溶液 サンプル

純水:25℃ 硫酸Gd水溶液:25℃

透過率( ) %

波長(nm)