Tests of absolute detection efficiencies of HPGe detectors for measurements of radioisotopes in various materials

Abstract

CsI crystals are used for WIMP search in the KIMS(Korea Invisible Mass Search) experiment. Because detecting WIMP is expected to be very difficult due to its small cross section of interaction with nucleons, ultra-low background is necessary. The main detector system, which consists of CsI crystals with PMTs, is located in an underground laboratory for reducing cosmic ray backgrounds. We also need to measure backgrounds from radioisotopes in CsI crystals, PMTs and other materials supporting CsI crystals. By understanding amounts of these radioisotopes, we can find ways to reduce them, especially the intrinsic backgrounds of ^(137)Cs and ^(134)Cs. For measuring gamma background we used a HPGe detector and obtained gamma energy spectrum of CsI crystals and PMTs. In order to estimate amount of radioisotopes from measured data, absolute detection efficiency of the HPGe detector was needed. Because absolute efficiency depends on a detector geometry and its relative position from a source, it is not practical to calibrathe absolute efficiency every time detection parameters change. For calculating absolute efficiency we used the Monte Carlo program GEANT4. Many gamma sources with known activities were used to obtain absolute efficiencies in order to establish efficiencies as a function of gamma energy. These efficiencies were compared with the values obtained from the GEANT4 simulation. Efficiencies from the Monte Carlo simulation were 40∼50% higher than measured values. To find out the reasons for the efficiency discrepancy, we tested the following three possibilities due to; a) detector geometry, b) the simulation program, and c) sources. Incorrect information of one or any combinations of these possibilities could cause the discrepancy. From many extensive tests with gamma sources of ^(152)Eu and ^(137)Cs at different positions and with another 100% efficient HPGe detector, we concluded that the discrepancy was due to neither the GEANT4 simulation program nor the sources we used. Therefore, the discrepancy is related to the detector geometry. Although we verified that the geometry of the HPGe detector given by the manufacturer was correctly applied to the program, many other groups reported similar discrepancies for HPGe detectors. Other groups reported that dead layers that are not active in collecting charges in HPGe detectors must be considered. We found a thickness of dead layers in Ge crystal such that the efficiencies from the Monte Carlo calculations agreed well with the measured values in all energies. Using the corrected HPGe detector geometry in simulation, we measured amount of radioisotopes in CsI crystals and PMTs. Also, taking advantage of the underground laboratory and HPGe detector, we measured amount of environmental radioisotopes in milk and orange juice. ;KIMS(Korea Lnvisivle Mass Scarch) 연구단은 Cal crystal detector를 이용하여 암흑물질의 하나로 니목되고 있는 WIMP를 찾는 것을 목적으로 하고 있다. 약상호작용을 하는 입자인 WIMP는 다른 물질과 반응을 잘 안하므로 검출기에 측정되는양이 굉장히 작을 것으로 예상되어 WIMP에 의한 신호 외의 background를 줄여야만 WIMP를 정확하게 측정할 수 있다. 지상에서는 많은 우주선들이 존재하므로 이를 제거하기 위하여 지하 실험실에서 실험을 하며 검출기로 사용하는 CsI crystal과 PMT, 그리고 실험실 내부에 존재하는 방사성 동위원소가 어느 정도 있는지 역시 정확하게 알아야 한다. 방사성 동위원소의 양을 측정하기 위해서 HPGe 검출기를 사용하여 각각의 감마 스펙트럼을 얻었다. 측정한 HPGe 검츨기의 에너지당 효율을 구하기 위해서 activity를 알고 있는 여러가지 source들을 측정하였다. 검출기의 효율은 source 의 위치나 구조에 따라 변하기 때문에 몬테카를로 방법을 이용한 컴퓨터 모의실험을 도입할 필요가 있다. 이 논문에서는 여러가지 source를 이용하여 구한 HPGe 검출기의 효율과 몬테카를로 모의실험 프로그램의 한 종류인 GEANT4를 이용하여 구한 효율을 비료하였다. 그러나 실험값보다 모의실험값이 40∼50% 정도 더 높게 나타났다. 이러한 원인에 대하여 첫째, 검출기의 구조에 대한 문제, 둘째, 모의실험 프로그램에 대한 문제, 그리고 셋째, source의 activity에 관한 문제로 가정하였다. 각 각의 경우에 대하여 ^(152)EU과 ^(137)Cs를 이용하여 몇가지 실험을 통해서 효율이 차이나는 문제를 확인해보고 Ge안에 반응하지 않는 층을 이용하여 모의실험과 실험의 효율차이에 관한 물제를 해결하였다. 수정된 HPGe 검출기의 구조를 이용하여 효율를 구하여 CsI crystal 과 PMT, 그리고 실험실 내부의 정확한 방사성 동위원소의 양을 구하였다. 또 낮은 background를 갖는 지하실험실의 장점 이용하여 우유와 오렌지 쥬스 안에 있는 환경방사성 동위원소의 양도 구하였다.