Empirical formula for the dependence of HPGe-detector efficiency on energy and distance for shielded gamma-ray sources

The accuracy of gamma-spectrometric measurements in the isotopic analysis of shielded nuclear materials depends on the accuracy of the detector calibration in terms of energy efficiency, which should take into account corrections related to the measurement geometry and the absorption of γ-radiation by the shield material. The results of experimental studies of the energy efficiency of the HPGe-detector measured at fixed distances between the calibration source and the detector (50 and 100 mm) in the presence and absence of an absorbing shield made of stainless steel 12X18H10T (thickness ‒ 9.6 mm) are presented. On the basis of experimental data, an empirical description of the efficiency dependence for fixed distances between the gamma radiation source and the detector in the presence of a stainless steel absorbing shield was obtained.Точність гамма-спектрометричних вимірів при ізотопному аналізі екранованих ядерних матеріалів залежить від точності калібрування детектора за енергетичною ефективністю, що повинна враховувати поправки, пов’язані з геометрією вимірювань, та поглинанням γ-випромінювання матеріалом екрана. Представленo результати експериментальних досліджень енергетичної ефективності HPGe-детектора, яка виміряна при фіксованих відстанях калібрувальне джерело – детектор (50 і 100 мм) при наявності та відсутності поглинаючого екрану із нержавіючої сталі марки 12Х18Н10Т (товщина – 9,6 мм). На основі експериментальних даних отримано емпіричне описання залежності ефективності для фіксованих відстаней між джерелом гамма-випромінювання і детектором при наявності поглинаючого екрана із нержавіючої сталі

Structure of mass distributions of photofission product yields of ²³⁸U at 17.5 MeV bremsstrahlung energy

The values of 29 relative yields of products belonging to 26 mass chains of photofission of ²³⁸U were obtained at a maximum bremsstrahlung energy of 17.5 MeV (near the second chance fission threshold). The stimulation of the ²³⁸U photofission reaction was performed at the electron accelerator of the Institute of Electron Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, the M-30 microtron. The GEANT4 toolkit was used to model the components of the bremsstrahlung spectrum. The presence of a fine structure in the mass distribution of heavy product yields was found to be localized in the mass range 133-134, 138-139, and 143-144. A multi gaussian model (superposition of three Gaussians) was used to theoretically describe the structure. The calculated values of product yields using the GEF code describe in general terms and predict the fine structure of the mass distribution of photofission products of ²³⁸U.Значення 29-ти відносних виходів продуктів, що належать 26-ти масовим ланцюжкам фотоподілу ²³⁸U, були отримані при максимальній енергії гальмівного випромінювання 17,5 МеВ (біля порога другого шансу поділу). Стимуляція реакції фотоподілу ²³⁸U проводилася на електронному прискорювачі Інституту електронної фізики НАН України – мікротроні М-30. Для моделювання компонент спектра гальмівного випромінювання використовувався інструментарій GEANT4. Встановлено наявність тонкої структури в масовому розподілі виходів важких продуктів, яка локалізована в області мас 133-134, 138-139 і 143-144. Для теоретичного описання структури використано мультигаусову модель (суперпозицію трьох гаусіанів). Розраховані значення виходів продуктів з використанням GEF-коду у загальних рисах описують і прогнозують тонку структуру масового розподілу продуктів фотоподілу ²³⁸U

Isotopic identification of photofissed nuclear materials in stainless steel containers using delayed gamma-rays

The results of isotope identification of nuclear materials (²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu) packed in hermetic stainless steel containers by their stimulated delayed gamma radiation are presented. The ratios of the values of the time dependences of the intensity of gamma radiation of the light and heavy product of their photofission were used for the analysis. Gamma radiation from photofission products ⁸⁹Rb (1031.9; 1248.1 keV) and ¹³⁸Cs (1009.8; 1436.8; 2218.0; 2639.6 keV) was used to differentiate nuclear materials. The photofission reaction the samples of nuclear materials was stimulated on an electron accelerator, an M-30 microtron, at maximum bremsstrahlung energy of 12.5 MeV. The possibility of carrying out isotopic identification of nuclear materials using 8 ratios of the yields of first members of decay chain of ⁸⁹Rb light fission product to correspondence values of ¹³⁸Cs heavy fission product has been demonstrated.Представлено результати ізотопної ідентифікації ядерних матеріалів (²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu), упакованих у герметичні контейнери з нержавіючої сталі, за їх стимульованим затриманим гамма-випромінюванням. Для аналізу використовувалося відношення значень часових залежностей інтенсивності гамма-випромінювання від легкого та важкого продуктів їхнього фотоподілу. Гамма-випромінювання продуктів фотоподілу ⁸⁹Rb (1031,9; 1248,1 кеВ) та ¹³⁸Cs (1009,8; 1436,8; 2218,0; 2639,6 кеВ) використовувалися для диференціації ядерних матеріалів. Стимуляція реакції фотоподілу зразків проводилася на електронному прискорювачі – мікротроні М-30 з максимальної енергії гальмівного випромінювання 12,5 МеВ. Продемонстровано можливість проведення ізотопної ідентифікації ядерних матеріалів за 8 відношеннями виходів перших членів ланцюжка легкого продукту ⁸⁹Rb до окремих значень важкого продукту ¹³⁸Cs

Product yields for the photofission of ²³⁹Pu with bremsstrahlung at 17.5 MeV boundary energy

The values of relative cumulative yields of 12 products (⁸⁵mKr, ⁹¹mY, ⁹²Sr, 97Zr, ⁹⁹Mo, ¹⁰⁵Ru, ¹³³I, ¹³⁴I, ¹³⁵I, ¹³⁸Cs, ¹³⁹Ba, ¹⁴²La, ¹⁴³Ce) of the ²³⁹Pu photofission was measured at a maximum bremsstrahlung energy of 17.5 MeV (average excitation energy ~ 12.03 MeV). ²³⁹Pu photofission reaction was stimulated on the electron accelerator of the Institute of Electron Physics NAS of Ukraine – M-30 microtron to simulate the spectra of bremsstrahlung’s photons, secondary electrons, and photoneutrons that hit the ²³⁹Pu target, the GEANT4 code was used. The input of accompanying nuclear reactions to the yield of ²³⁹Pu photofission products for the given experimental parameters was also evaluating. The obtained experimental data of the yields of products ²³⁹Pu photofission were compared with the program codes GEF and Talys1.9.5 simulations.Значення 12-ти відносних кумулятивних виходів продуктів (⁸⁵mKr, ⁹¹mY, ⁹²Sr, 97Zr, ⁹⁹Mo, ¹⁰⁵Ru, ¹³³I, ¹³⁴I, ¹³⁵I, ¹³⁸Cs, ¹³⁹Ba, ¹⁴²La, ¹⁴³Ce) фотоподілу ²³⁹Pu були виміряні при максимальній енергії гальмівного випромінювання 17,5 МеВ (середня енергія збудження ~ 12,03 МеВ). Стимуляція реакції фотоподілу ²³⁹Pu проводилася на прискорювачі електронів Інституту електронної фізики НАН України – мікротроні М-30. Для моделювання спектрів гальмівних фотонів, вторинних електронів і фотонейтронів, що попадали на мішень ²³⁹Pu, використовувався код GEANT4. Було проведено оцінку внеску супутніх ядерних реакцій у виходи продуктів фотоподілу ²³⁹Pu при заданих параметрах експерименту. Отримані експериментальні дані по виходах продуктів фотоподілу ²³⁹Pu порівнювалися з результатами симуляції кодами GEF і Talys1.9.5Значения 12-ти относительных кумулятивных выходов продуктов (⁸⁵mKr, ⁹¹mY, ⁹²Sr, 97Zr, ⁹⁹Mo, ¹⁰⁵Ru, ¹³³I, ¹³⁴I, ¹³⁵I, ¹³⁸Cs, ¹³⁹Ba, ¹⁴²La, ¹⁴³Ce) фотоделения ²³⁹Pu были измерены при максимальной энергии тормозного излучения 17,5 МэВ (средняя энергия возбуждения ~ 12,03 МэВ). Стимуляция реакции фотоделения ²³⁹Pu проводилась на ускорителе электронов Института электронной физики НАН Украины – микротроне М-30. Для моделирования спектров тормозных фотонов, вторичных электронов и фотонейтронов, попадающих на мишень ²³⁹Pu, использовался код GEANT4. Проведена оценка вклада сопутствующих ядерных реакций в выходы продуктов фотоделения ²³⁹Pu при заданных параметрах эксперимента. Полученные экспериментальные данные по выходам продуктов фотоделения ²³⁹Pu сравнивались с результатами симуляции кодами GEF и Talys1.9.5

Separating 39Ar{^{39}\hbox {Ar}} from 40Ar{^{40}\hbox {Ar}} by cryogenic distillation with Aria for dark-matter searches

International audienceAria is a plant hosting a ${350}\,\hbox {m}$ cryogenic isotopic distillation column, the tallest ever built, which is being installed in a mine shaft at Carbosulcis S.p.A., Nuraxi-Figus (SU), Italy. Aria is one of the pillars of the argon dark-matter search experimental program, lead by the Global Argon Dark Matter Collaboration. It was designed to reduce the isotopic abundance of ${^{39}\hbox {Ar}}$ in argon extracted from underground sources, called Underground Argon (UAr), which is used for dark-matter searches. Indeed, ${^{39}\hbox {Ar}}$ is a $\beta$-emitter of cosmogenic origin, whose activity poses background and pile-up concerns in the detectors. In this paper, we discuss the requirements, design, construction, tests, and projected performance of the plant for the isotopic cryogenic distillation of argon. We also present the successful results of the isotopic cryogenic distillation of nitrogen with a prototype plant

Sensitivity projections for a dual-phase argon TPC optimized for light dark matter searches through the ionization channel

Dark matter lighter than 10 GeV/c$^2$ encompasses a promising range of candidates. A conceptual design for a new detector, DarkSide-LowMass, is presented, based on the DarkSide-50 detector and progress toward DarkSide-20k, optimized for a low-threshold electron-counting measurement. Sensitivity to light dark matter is explored for various potential energy thresholds and background rates. These studies show that DarkSide-LowMass can achieve sensitivity to light dark matter down to the solar neutrino floor for GeV-scale masses and significant sensitivity down to 10 MeV/c$^2$ considering the Migdal effect or interactions with electrons. Requirements for optimizing the detector's sensitivity are explored, as are potential sensitivity gains from modeling and mitigating spurious electron backgrounds that may dominate the signal at the lowest energies

Sensitivity projections for a dual-phase argon TPC optimized for light dark matter searches through the ionization channel

Dark matter lighter than 10 GeV/c$^2$ encompasses a promising range of candidates. A conceptual design for a new detector, DarkSide-LowMass, is presented, based on the DarkSide-50 detector and progress toward DarkSide-20k, optimized for a low-threshold electron-counting measurement. Sensitivity to light dark matter is explored for various potential energy thresholds and background rates. These studies show that DarkSide-LowMass can achieve sensitivity to light dark matter down to the solar neutrino floor for GeV-scale masses and significant sensitivity down to 10 MeV/c$^2$ considering the Migdal effect or interactions with electrons. Requirements for optimizing the detector's sensitivity are explored, as are potential sensitivity gains from modeling and mitigating spurious electron backgrounds that may dominate the signal at the lowest energies

A new hybrid gadolinium nanoparticles-loaded polymeric material for neutron detection in rare event searches

International audienceExperiments aimed at direct searches for WIMP dark matter require highly effective reduction of backgrounds and control of any residual radioactive contamination. In particular, neutrons interacting with atomic nuclei represent an important class of backgrounds due to the expected similarity of a WIMP-nucleon interaction, so that such experiments often feature a dedicated neutron detector surrounding the active target volume. In the context of the development of DarkSide-20k detector at INFN Gran Sasso National Laboratory (LNGS), several R&D projects were conceived and developed for the creation of a new hybrid material rich in both hydrogen and gadolinium nuclei to be employed as an essential element of the neutron detector. Thanks to its very high cross-section for neutron capture, gadolinium is one of the most widely used elements in neutron detectors, while the hydrogen-rich material is instrumental in efficiently moderating the neutrons. In this paper results from one of the R&Ds are presented. In this effort the new hybrid material was obtained as a poly(methyl methacrylate) (PMMA) matrix, loaded with gadolinium oxide in the form of nanoparticles. We describe its realization, including all phases of design, purification, construction, characterization, and determination of mechanical properties of the new material

Sensitivity projections for a dual-phase argon TPC optimized for light dark matter searches through the ionization channel

Dark matter lighter than 10 GeV/c$^2$ encompasses a promising range of candidates. A conceptual design for a new detector, DarkSide-LowMass, is presented, based on the DarkSide-50 detector and progress toward DarkSide-20k, optimized for a low-threshold electron-counting measurement. Sensitivity to light dark matter is explored for various potential energy thresholds and background rates. These studies show that DarkSide-LowMass can achieve sensitivity to light dark matter down to the solar neutrino floor for GeV-scale masses and significant sensitivity down to 10 MeV/c$^2$ considering the Migdal effect or interactions with electrons. Requirements for optimizing the detector's sensitivity are explored, as are potential sensitivity gains from modeling and mitigating spurious electron backgrounds that may dominate the signal at the lowest energies