A radon emanation measurement system at the Carleton Noble Liquid Detector Laboratory

El Laboratorio de Detectores de Líquido Noble Carleton (COLD Lab) desarrolló y calibró un sistema integral de medición de emanación de radón, que comprende una cámara de acero inoxidable, una celda de ZnS(Ag) y una trampa de carbón activado, para caracterizar la contaminación por radón de materiales y gases con el fin de reducir los fondos en experimentos de búsqueda de eventos raros como DEAP-3600.

Lo esencial

El Problema: El "Fantasma" Invisible en la Máquina

Imagina que intentas escuchar un susurro único y diminuto en una habitación muy silenciosa. Ahora, imagina que alguien está tirando constantemente canicas al suelo cerca de ti. El sonido de las canicas (el ruido) ahoga el susurro (la señal que deseas).

En el mundo de la física, los científicos buscan "susurros" del universo, como la Materia Oscura o neutrinos raros. Estos eventos son increíblemente raros; a veces ocurren solo una vez al año. El mayor problema que enfrentan es el Radón.

El radón es un gas radiactivo que se produce naturalmente por pequeñas cantidades de uranio presentes en casi todo: rocas, concreto e incluso las partes de plástico y metal de los propios detectores. Como el radón es un gas, puede escaparse de los materiales, flotar alrededor y adherirse a equipos sensibles. Cuando se desintegra, crea un "cascarabeo" (ruido de fondo) que se ve exactamente igual al "susurro" que los científicos intentan encontrar.

La Solución: Construir un "Olfateador de Radón"

Para solucionar esto, el equipo de la Universidad Carleton construyó una máquina especializada llamada Sistema de Emanación de Radón. Piensa en este sistema como un "perro olfateador" de alta tecnología o una aspiradora diseñada específicamente para chupar y contar el gas radiactivo invisible que emana de los materiales.

Así es como funciona su máquina, paso a paso:

1. La Cámara de Vacío (La "Trampa de Olor")

Primero, colocan una pieza de material (como una junta de goma o una parte metálica) dentro de una caja brillante de acero inoxidable. Bombearon todo el aire fuera de la caja para crear un vacío.

• La Analogía: Imagina poner un calcetín maloliente en una habitación sellada y vacía. Si el calcetín huele mal, el olor eventualmente llenará la habitación. Aquí, el "olor" es el gas de radón escapando del material.

2. La Trampa Fría (El "Filtro de Cubo de Hielo")

Una vez que el radón se ha acumulado en la caja, necesitan atraparlo. Utilizan un filtro especial hecho de carbón activado (la misma sustancia usada en filtros de agua, pero mucho más potente) que se congela a una temperatura de aproximadamente -122°C usando una mezcla de nitrógeno líquido y etanol.

• La Analogía: Imagina que el gas de radón es una polilla volando alrededor de una habitación. La trampa de carbón congelado es como un cubo de hielo gigante y pegajoso. Cuando el aire fluye sobre él, la polilla (radón) se congela y se adhiere al hielo, mientras que el aire limpio (gas nitrógeno) pasa volando directamente.

3. La Celda Lucas (El "Contador de Bombillas")

Una vez que el radón queda atrapado en el hielo, lo calientan para que vuelva a convertirse en gas y lo mueven a un tazón de vidrio especial llamado celda Lucas. El interior de este tazón está recubierto con un polvo brillante llamado sulfuro de zinc.

• La Analogía: Cuando el radón se desintegra, dispara partículas diminutas (partículas alfa). Cuando estas partículas golpean el polvo brillante en la pared del tazón, producen pequeños destellos de luz, como luciérnagas parpadeando. Una cámara sensible (un tubo fotomultiplicador) cuenta estos destellos. Al contar los destellos, los científicos saben exactamente cuánto radón había en el material.

Lo Que Encontraron

El equipo utilizó esta máquina para probar materiales que planeaban usar en un experimento masivo llamado DEAP-3600 (un tanque gigante de argón líquido buscando Materia Oscura).

• Los Resultados: Probaron cosas como sellos de goma, guantes y anillos O.
  • Algunos materiales, como un tipo específico de goma llamado Buna-N, eran "ruidosos" (emitían mucho radón).
  • Otros, como los guantes de butilo, eran "silenciosos" (emitían muy poco).
• La Caja de Guantes: También calcularon cuánto radón flotaba dentro de la sala limpia (caja de guantes) donde construían las partes del detector. Descubrieron que incluso el aire utilizado para purgar la caja y los guantes usados por los trabajadores contribuían a los niveles de radón.

Por Qué Esto Importa

Esta máquina es ahora una herramienta estándar en su laboratorio. Antes de construir un nuevo detector ultra sensible, pueden probar cada tornillo, junta y pieza de plástico individualmente para asegurarse de que no sea un "generador de ruido".

Al cambiar los materiales "ruidosos" por otros "silenciosos", pueden silenciar el ruido de fondo. Esto hace que el detector sea mucho más sensible, dándole una mejor oportunidad de escuchar el tenue "susurro" de la Materia Oscura del resto del universo.

En resumen: Construyeron un contador super sensible para encontrar y medir el gas radiactivo invisible que se filtra de los materiales de construcción, asegurando que sus futuros experimentos no sean engañados por falsas alarmas.

Resumen técnico

Aquí se presenta un resumen técnico detallado del artículo "Un sistema de medición de emanación de radón en el Laboratorio de Detectores de Líquidos Nobles de Carleton".

1. Planteamiento del Problema

El radón ($^{222}$Rn) es una fuente crítica de ruido de fondo en experimentos de búsqueda de eventos raros, como la detección de Materia Oscura (por ejemplo, DEAP-3600) y la desintegración doble beta sin neutrinos (por ejemplo, nEXO).

• Origen: El radón se produce por la desintegración de impurezas traza naturales de uranio y torio en todos los materiales. Puede emanar desde las profundidades de los materiales mediante desgasificación o quedar atrapado en las superficies procedente de la atmósfera.
• Impacto: Las hijas del radón (específicamente $^{210}$Pb, $^{210}$Po y $^{214}$Bi) pueden depositarse en componentes sensibles del detector.
  • En experimentos de Materia Oscura, las desintegraciones alfa de los progenitores pueden imitar señales de WIMP al perder energía en el material del detector.
  • En experimentos de desintegración doble beta sin neutrinos, el alto valor Q de $^{214}$Bi (3.27 MeV) supera la región de señal (2.46 MeV para $^{136}$Xe), creando un fondo significativo.
• Desafío: Cuantificar con precisión las tasas de emanación de radón de los materiales del detector y caracterizar los niveles de radón en entornos limpios (como cajas de guantes) es esencial para la selección de materiales. Sin embargo, los contadores comerciales a menudo carecen de la sensibilidad requerida para aplicaciones de ultra-bajo fondo.

2. Metodología

Los autores desarrollaron un sistema personalizado de emanación de radón de bajo fondo en el Laboratorio de Detectores de Líquidos Nobles de Carleton (COLD). El sistema consta de tres subsistemas principales:

A. Aparato de Emanación de Radón

• Cámara: Un cilindro de acero inoxidable (40 cm de longitud, 20 cm de diámetro) sellado con una brida ConFlat y una junta de cobre para mantener la integridad del vacío.
• Línea de Extracción: Incluye una trampa criogénica primaria y secundaria, una bomba de vacío y un sistema de manejo de gases.
• Adaptador de Gas: Un módulo opcional para medir radón en gas comprimido (por ejemplo, Nitrógeno de un Dewar). Utiliza una trampa de carbón activado sumergida en una mezcla de nitrógeno líquido y etanol ($\sim -122^\circ$C) para adsorber el radón mientras permite el paso del nitrógeno.

B. Sistema de Detección (Celda Lucas)

• Celda: Una celda Lucas hemisférica de acrílico de 2 pulgadas recubierta internamente con fósforo de Sulfuro de Zinc (ZnS).
• Operación: La celda se ensambla en una caja de guantes llena de nitrógeno para minimizar la contaminación superficial.
• Detección: Las partículas alfa de la desintegración del radón excitan el ZnS, produciendo luz de centelleo ($\sim 450$ nm). Esto es detectado por un Tubo Fotomultiplicador (PMT) Hamamatsu R1828-01.
• Adquisición de Datos (DAQ): Las señales se amplifican (CAEN A1424), digitalizan (CAEN DT5780SCM) y analizan utilizando el software ComPASS. El análisis de la altura del pulso distingue los eventos alfa del ruido electrónico.

C. Procedimiento de Medición

1. Emanación: Las muestras se colocan en la cámara, se bombean durante 24 horas y se sellan.
2. Extracción: El radón se criobombea a una trampa primaria, se transfiere a una trampa secundaria y finalmente se mueve a la celda Lucas mediante intercambio de volumen.
3. Conteo: La celda Lucas se cuenta durante al menos 24 horas para acumular estadísticas.

3. Contribuciones Clave y Caracterización del Sistema

• Calibración del Sistema: El sistema se calibró utilizando una junta de goma Buna (alta tasa de emanación $>30,000$ átomos m$^{-2}$h$^{-1}$). El pico alfa dominante de $^{214}$Po (7.69 MeV) sirvió como referencia de energía.
• Determinación del Fondo:
  • Fondo Intrínseco: $\sim 5$ eventos/día (procedente del polvo de ZnS y $^{210}$Po en el acrílico).
  • Fondo del Sistema: $\sim 7$ eventos/día (incluyendo la cámara y la placa).
• Cálculo de Eficiencia:
  • Eficiencia de Recolección: Determinada en un 89%. La pérdida del 11% se atribuye al intercambio de volumen entre la trampa secundaria y la celda Lucas (la trampa secundaria es el 10% del volumen de la celda).
  • Eficiencia de Detección: Adoptada de mediciones anteriores en la Universidad Queen's como 63%.
  • Eficiencia Total del Sistema: $0.89 \times 0.63 = \mathbf{56\%}$.
• Modelado de Estado Estable: Los autores desarrollaron un modelo numérico (Ecuaciones 4–9) para predecir la concentración de radón en la caja de guantes. Este modelo considera:
  • La emanación de radón de los componentes internos.
  • El radón residual del aire de la sala/nitrógeno impuro.
  • El radón intrínseco en el gas de ebullición del nitrógeno líquido.
  • La dinámica de flujo (tasa de renovación de $\sim 1$ volumen/hora).

4. Resultados

• Análisis de Materiales: El sistema midió con éxito las tasas de emanación de radón para diversos materiales destinados a la actualización de DEAP-3600.
  • Junta Buna-N: El mayor emisor con $31,714.6 \pm 1,400$ átomos m$^{-2}$h$^{-1}$.
  • Junta de Butilo: $186.5 \pm 37$ átomos m$^{-2}$h$^{-1}$.
  • Junta de Silicona: $141.2 \pm 28$ átomos m$^{-2}$h$^{-1}$.
  • Guantes de Butilo: $10 \pm 2$ átomos por guante.
  • Juntas tóricas EPDM: $11 \pm 2$ átomos m$^{-1}$.
• Análisis de Gas y Caja de Guantes:
  • Las mediciones del gas Nitrógeno del Dewar mostraron niveles bajos de radón ($\sim 744 - 1264$ $\mu$Bq/m$^3$).
  • Al circular el gas a través de la caja de guantes, la tasa total de emanación de radón se calculó en 178–203 átomos/h.
  • Validación: Los resultados del muestreo con flujo de gas (mediante trampa de carbón) fueron consistentes con la suma de las mediciones individuales de componentes tomadas en la cámara de vacío (Tabla 2 vs. Tabla 3), validando la precisión del sistema.

5. Significado

• Herramienta de Diagnóstico: El sistema del Laboratorio COLD es ahora una herramienta de diagnóstico completamente operativa y calibrada, esencial para reducir los fondos en futuros experimentos de eventos raros.
• Selección de Materiales: Permite la selección rigurosa de materiales para la actualización de DEAP-3600 y el experimento DarkSide (específicamente para cámaras de recubrimiento con TPB).
• Optimización de Procesos: Al cuantificar las cargas de radón en cajas de guantes y en componentes específicos, el sistema permite a los investigadores optimizar los procedimientos de fabricación y ensamblaje para minimizar la contaminación por radón.
• Mejoras Futuras: Los autores planean añadir regulación de temperatura a la cámara de vacío para estudiar la dependencia de la temperatura de las tasas de emanación, lo que ayudará aún más al diseño de detectores de ultra-bajo fondo.

En resumen, este artículo presenta un sistema robusto de medición de radón de bajo fondo que cierra la brecha entre la caracterización de materiales y el monitoreo ambiental, proporcionando datos críticos para mejorar la sensibilidad de los experimentos de Materia Oscura y neutrinos de próxima generación.