ALMOND 이동식 중성자 스펙트로미터의 설계·교정·LNGS 초기 운용 결과

초록

본 논문은 LNGS(Gran Sasso 지하 실험실)에서 사용하기 위해 개발된 이동식 중성자 스펙트로미터 ALMOND의 설계, 교정 절차 및 초기 현장 측정 결과를 보고한다. 플라스틱 섬유와 가돌리늄 포일을 이용한 캡처‑게이트 방식으로 중성자를 검출하며, AmBe, AmB 및 D‑D 중성자 발생기를 이용해 에너지 보정과 캡처 시간 프로파일을 확보하였다. LNGS Hall A에서 측정한 배경 중성자 플럭스는 ≈10⁻⁶ n cm⁻² s⁻¹ 수준이며, 장치가 설계 요구를 만족함을 확인하였다.

상세 분석

ALMOND는 36개의 EJ‑200 플라스틱 섬유(5 × 5 × 25 cm³)를 100 µm 두께의 가돌리늄 포일로 감싸고, 각 섬유를 3‑인치 PMT에 직접 결합한 모듈형 구조를 채택하였다. 가돌리늄은 중성자 포획 시 8 MeV에 달하는 감마 카스케이드를 방출하므로, 자연 방사능(≤2.6 MeV)과 명확히 구분되는 신호를 제공한다. 캡처‑게이트 방식은 먼저 저에너지 프로톤 리코일(≥20 keVee) 신호를 트리거하고, 이후 3 MeV 이상의 고에너지 감마 신호를 캡처 이벤트로 식별한다. 데이터 수집은 62.5 MS/s 샘플링으로 수행되며, ±100 µs의 윈도우 내 모든 파형을 저장한다.

교정 단계에서는 먼저 KIT에서 AmBe 소스를 이용해 시간‑비행(ToF) 방법으로 중성자 에너지와 섬유의 빛 출력 관계를 측정하였다. BGO 검출기로 동시 방출된 γ를 태깅하고, 중성자 도착까지의 지연을 분석해 Birks 상수 k_B를 기존 연구와 일치하도록 추정하였다. 이후 전체 어레이를 조립한 뒤 동일 AmBe 소스로 캡처 시간 프로파일을 획득했으며, 5 샘플(≈90 ns) 이상의 최소 간격을 두고 클러스터를 구분해 단일 클러스터 이벤트만을 선택함으로써 데이터 손실을 최소화하였다.

Frascati Neutron Generator(FNG)에서는 D‑D 중성자 발생기와 AmB 소스를 활용하였다. D‑D 발생기는 2.4 MeV(방출 각도에 따라 2.2 MeV) 중성자를 제공하며, ToF 분석을 통해 섬유 내 프로톤 리코일 에지(≈700 keVee)를 확인하고, 배경을 전력법(∝E⁻¹·²)으로 모델링하였다. 파생 스펙트럼을 미분하여 리코일 에지(654 ± 4 keVee)를 정확히 추정했고, 캡처 시간 분포는 이전 AmBe 교정과 일치함을 보였다.

LNGS 현장에서는 Hall A에서 40 µs 윈도우, 3 MeV 캡처 임계값, 20 keVee 리코일 임계값을 적용해 하루 평균 중성자 후보와 우연 동시 발생을 구분하였다. 주변에 중성자 소스가 존재하는 구역은 노란색 영역으로 배제했으며, 측정된 중성자 플럭스는 ≈10⁻⁶ n cm⁻² s⁻¹ 수준으로, 설계 목표인 10⁻⁶ ~ 10⁻⁵ n cm⁻² s⁻¹ 범위 내에 있음을 확인하였다. 향후 Hall C 및 기타 실험실 구역으로 확대 배치를 계획하고 있다.

전반적으로 ALMOND는 이동식, 모듈형, 캡처‑게이트 기반 중성자 스펙트로미터로서, 동일 교정 방법을 통해 다양한 위치에서 일관된 중성자 스펙트럼을 제공한다는 장점을 입증하였다. 이는 LNGS와 같은 깊은 지하 실험실에서 희귀 이벤트 탐지를 위한 방사선 차폐 및 뷰트 설계에 필수적인 정확한 중성자 배경 정보를 제공한다.