S uper- Kamiokande のラドンによるバックグラウンドについての研究 日本物理学会 2013 年秋季大会 高知 大学 2013 年 9 月 21 日

1. Super-Kamiokandeのラドンによるバックグラウンドについての研究日本物理学会2013年秋季大会　高知大学2013年9月21日Super-Kamiokandeのラドンによるバックグラウンドについての研究日本物理学会2013年秋季大会　高知大学2013年9月21日 関谷洋之 東京大学宇宙線研究所 • 中野佑樹,田阪茂樹,松原正也,竹内康雄 1

2. 太陽ニュートリノ測定の意義 • MSW効果の検証 太陽の物質効果による”Energy spectrum up-turn” Neutrino survival probability Vacuum oscillation dominant up-turn! ne Matter oscillation dominant

3. 現状 SNO KamLAND Super-K BOREXINO より高統計、より低バックグラウンド化が必要

4. これまでの努力 太陽方向分布 3.5~4.0MeV(kin.) イベントレート 4.0-4.5MeV(kin.) SK-III SK-III event/day/kton SK-IV Stable low background level SK-IV 3.5MeV閾値の達成！ Solar peak ~7.5σ level

5. 受け身な努力：対流の抑制 3.5MeV-4.5MeV Event distribution Temperature gradation in Z Return to Water system The difference is only 0.2 oC Purified Water supply r2 送水温度を0.01℃の精度でコントロールすることで底部のラドンのＦＶへの侵入を阻止

6. BGレートから求まるラドン濃度 関谷　日本物理学会第62回大会(2007年) • SKへ9.2Bq Rn注入 • 140 counts/day/12.3kt/4.5-5.5MeV (tot.) • SK-IV final sample (4.0-5.0MeV (kin.)) 0.2mBq/m3 3.5mBq/m3

7. Rn濃度の直接測定 中野　日本物理学会第68回年次大会 イベントレート と合っている

8. Rn源は何なのか • 給水に3mBq/m3あるとすると 底部内水槽の対流層６ｍのラドン濃度は 循環レート: 60m3/hour 給水パイプは16本だが、そのうち12本が内水槽 3mBq/m3 x 60 x12/16 m3/hour x 24 hour/day (1-exp(-1.0/5.48)) /day x 16.9m x 16.9m x 3.14 x 6m ～3.5 mBq/m3

9. 送水口 ガラスが詰まっている？ SK-IV final sample z<-15m

10. しかし、別の解釈も可能 SK NOTE 97-05 • Rnの放出レート2mBq/1PMT/day 底部内水槽の対流層６ｍのラドン濃度は 1cmφHOLEs 底部の1740 PMT+FRPsが寄与するとすると 2 mBq/PMT/day x 1740 x 5.48 day 16.9m x 16.9m x 3.14 x 6m ～3.5 mBq/m3 送水のラドン濃度を系統誤差を含めきちんと測定することが重要 →現在低バックグラウンド化をすすめた新しいセットアップ開発中

11. 純水中のRn除去についての検証

12. reject Super-Kamiokande Water System compensation pump drain FI-2 PI-8 PI-9 FI-6 strainer PI-11 FI-204 FP-4 FP-5 RO-2 FI-7 RO-2 pump filter CIA-6 reject (drain) RO-1-1 FI-1 Primary pump strainer FI-3 RO-1 pump PI-1 PI-A PI-B filter mine water PI-2 PI-3 PI-5 FI-5 CIA-1 Rn-free-air dissolving tank CIA-2 reject (drain) RT-1 RT-3 RO-3 pump RO-3 550 CV-2 post RO pump RO water tank HE1 UV sterilizer reject RT-2 RT-4 Ion exchanger 1/2 FI-202 CIA-3 reject RO-1-2 HE3 reject UF reject pump vacuum degasifier reject 700 PI-20 HE4 FI-10 TIA-2 CIA-4 UF reject tank v94 CIA A FI-101 PI-C membrane degasifier ultra filter CV-1 PI-18 B TI-101 FI-ID purified water supply pump A/B SK tank ID bottom Main return pump A/B

13. 膜脱気システム ラドン除去のため、SK-IIの時代に 最終段に追加された脱気膜ユニット 2011年に2倍に増強 膜モジュール DIC(株) EF-040P-JO

14. 膜脱気ユニット有無でのRn濃度比較 今回膜脱気ユニットをバイパスして送水のRn濃度を測定した。 膜脱気有での濃縮ラドンの崩壊 膜脱気無での濃縮ラドンの崩壊 通水量580L 通水量680L 報告済み Preliminary 送水ラドン濃度 3.1±0.7mBq/m3 送水ラドン濃度 4.1±1.0mBq/m3 膜脱気ユニットの有無でラドン濃度変わっていないように見える！

15. ラドン除去の効率 SK NOTE 2001-1 本モジュールのラドン除去効率は ～90％と報告されている。 その後のユニット導入後の評価 は今回までされていなかった。 (2001年だったから)

16. 原因の追究 ユニット化に際し、使用したEPDMガスケット(120枚)が怪しい 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　→ラドンの放出を測定した。 Rn放出が少ないと報告があったので 比較のためのウレタンガスケット　 超純水システムに一般的な脱脂処理を施した エチレン－プロピレン－ジエンゴム（EPDM）

17. (ガス中への)放出ラドン測定システム 露点計 -70℃ 熱浴 ラドン検出器 系の体積 １００Ｌ 循環ポンプ サンプル容器 0.8L/minで循環

18. 測定 BG 2013年2月10日-2013年3月10日 5.153± 0.279 mBq/m3 EPDM(10枚) 2013年5月14日 -2013年5月26日 187.59± 2.51mBq/m3 ウレタン(20枚)2013年9月7日 -2013年9月16日 7.736± 0.649 mBq/m3 ガスケットから空気中へのRn放出量 EPDM1.82±0.03mBq/枚 ウレタン　　　　0.013±0.004 mBq/枚 EPDMガスケットが明らかにRn放出多い 水中放出レートは未測定だが、放出しつつ90%除去で膜脱気意味無状態の可能性 　　　　　　　　　→ウレタンガスケットへ変更(リスク伴うが)するべき

19. 結論 • ＳＫに残るラドン源を探る研究をしている • ＳＫタンク内起源もあるけれど、送水起源の分もあることが分かった • そのレベルまでＢＧを下げたということ • タンク内起源のものは対応難しいが、純水装置起源のものは改善をめざす

20. Extra slides

21. 高感度ラドン検出器

22. 水中ラドン測定システム

23. 水中ラドン測定方法１

24. 水中ラドン測定方法２

25. 水中濃度の導出１

26. 水中濃度導出２　　測定系のＢＧ

27. ガス中への放出測定　1日毎の濃度 ウレタン BG EPDM

28. Super-K water transparency @ Cherenkov light wavelength Measured by decay e-e+ from cosmic m-m+ SK-IV SK-III Started automatic temperature control anti-correlated with Supply water temperature

29. 冷却水による2重ＰＩＤ温度コントロール HE4 HE3 HE1 SK New Pump PIT Ditch water stream Cold & clear Pure water flow 60t/h →55t/h