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大亚湾反应堆中微子实验的 预期中微子能谱研究

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大亚湾反应堆中微子实验的 预期中微子能谱研究. 赵庆旺 高能物理研究所,北京 On behalf of Daya Bay Collaboration 2014.04.21. n. 背景. 大亚湾反应堆中微子实验:  主要 物理目标:精确测量中微子振荡参数 θ 13 和 Δ M31 。  最新 结果 : 预期中微子能谱的意义:  实验精度主要取决于三项误差:反应堆相关误差、探测器相关误差和本底误差。  物理分析需要输入预期中微子能谱作为拟合初值。  可与观测能谱直接对比,有助于研究反应堆中微子反常现象。

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大亚湾反应堆中微子实验的预期中微子能谱研究大亚湾反应堆中微子实验的预期中微子能谱研究

赵庆旺

高能物理研究所,北京

On behalf of Daya Bay Collaboration

2014.04.21

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n.

背景
  • 大亚湾反应堆中微子实验:

主要物理目标:精确测量中微子振荡参数θ13和ΔM31。

最新结果:

  • 预期中微子能谱的意义:

 实验精度主要取决于三项误差:反应堆相关误差、探测器相关误差和本底误差。

物理分析需要输入预期中微子能谱作为拟合初值。

可与观测能谱直接对比,有助于研究反应堆中微子反常现象。

有助于核燃料增殖监测研究。

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n.

反电子中微子:从反应堆到探测器

核素裂变,如:

(核素中U235, U238, Pu239, Pu241占99%以上,且各有成百条衰变分支。)

反应堆

裂变碎片发生beta衰变产生反中微子:

传播,发生振荡

 6个反应堆:大亚湾点4个,岭澳点2个。

三个实验厅:大亚湾近点、岭澳近点和远点。

 8个中心探测器:大亚湾近点2个,岭澳近点2个,远点4个。

反中微子传播到达探测器被捕获:

反beta衰变反应:

探测器

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n.

反应堆产生的反中微子能谱

反应堆释放的中微子能谱:

;;;

核素k的裂变率;

为已知核素裂变能谱,见图1。由间接测量或理论计算给出。

F为反应堆中的裂变率;

为核素k的裂变份额。由堆芯模拟给出。

为反应堆热功率;由热平衡监测系统给出。

为每次裂变中反应堆吸收的能量。

为核素k每次裂变释放的能量。计算得出。

U235, Pu239, Pu241核素裂变能谱

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热功率
  • KME系统,热方法

二回路测量系统

离线系统,无实时数据,不满足在亚湾实验要求

精度最高,可用来估计热功率误差,约0.4%

  • KIT/KDO系统,热方法

一回路测量系统

在线系统,能读取每小时数据

每周刻度到KME系统功率值

与KME偏差<0.1%,则其误差<0.5%

大亚湾实验采用这个系统

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裂变份额
  • 堆芯主要核素(占99%以上):U235, U238, Pu239, Pu241。
  • 裂变份额:单位时间内某种核素裂变次数占堆芯所有核素裂变总次数的比例。裂变份额随燃耗变化。

核电站对堆芯演化过程进行模拟,将裂变份额,燃耗等信息发送给大亚湾合作组。

通过将乏然料测量和模拟结果比较估计裂变份额误差约5%。

Provided by CNPRI

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每次裂变释放能量

Kopeikin et al, Physics of Atomic Nuclei, Vol. 67, No. 10, 1892 (2004)

目前,大亚湾实验采用Kopeikin的结果。

*由于中子俘获不同,会造成不同反应堆中数值轻微差别,误差约(0.30-0.47%)。

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裂变核素中微子能谱

ILL实验测量U235, Pu239和Pu241 beta衰变电子谱,ILL,Huber等分别转换成中微子谱:

用虚拟衰变分支拟合的办法将电子能谱转换成反中微子能谱。见图1.

收集放出的电子,获得电子能谱。

将U235,Pu239,Pu241等核素样品置于堆芯附近接受热中子照射,

产生beta衰变释放电子和反中微子。

 U238只能由快中子诱发裂变,无法用上述方法获得,目前只能由理论计算估计。

 U238对中微子通量贡献仅约10%。

图2

Bugey3实验与ILL实验测量结果吻合。见图2.

图1

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非平衡态修正
  • ILL实验中,样品照射时间是1~2天,少部分长寿命同位素未达到平衡态,因此测量中漏掉这部分核素的反中微子的贡献。需进行修正。
  • 其影响主要在低能区(小于4MeV)。

图1

图2

占2-4 MeV中微子数的比例

占总中微子数的比例

  • 长寿命同位素对中微子能量的贡献随时间变化见图1.
  • 大亚湾反应堆中长寿命同位素中微子占总能谱的比例见图2.
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核废料的贡献
  • 燃料运行一段时间后作为核废料被移出存储在堆芯附近水池中,可长达10~15年。
  • 核废料中的长寿命同位素释放中微子,其占反应堆总中微子数比例不到0.3%。

图1

图2

Ratio to neutrinos in 2-4 MeV

Ratio to all neutrinos

图1. 核废料贡献中微子占反应堆释放总中微子数的比例随时间的变化。

图2.大亚湾核电站中核废料占反应堆总中微子能谱比例的平均值。

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误差关联性分析

表中是主要误差的关联性。Value为各项误差值。Contribution to Rate为各项误差对探测到的中微子Rate的贡献。B2b项是能谱的bin-to-bin关联性,Reactor项为反应堆间关联性。

大亚湾实验采用远近点相对测量,最终物理分析时:

反应堆间的关联误差可被消除。

反应堆间非关联误差是主要误差。

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观测和预期的Rate比较

Preliminary

  • 图2.反应堆相关的主要误差。FissEner Err是裂变释放能量误差;FissFrac Err是裂变份额误差;子b2b unCorr Err和b2b Corr Err分别是bin-to-bin非关联误差和关联误差;Power Err是热功率误差;offEq是非平衡记误差;SNF Err是核废料误差。

图1. 三个厅中每天观测事例率和预期事例率比较。黑线代表无振荡的预期事例率,蓝点代表观测事例率。

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总结
  • 大亚湾实验根据ILL、Huber等给出的U235, Pu239和P241核素谱,以及Vogel、Mueller等计算出的U238核素谱,计算在大亚湾探测器的预期中微子能谱及其误差。
  • 预期中微子能谱及其误差已被用theta13和deltaM31的测量研究。
  • 预期中微子能谱将被用于与观测能谱的直接比较研究。
  • 预期中微子能谱可以被用于研究反应堆中微子反常现象,核燃料增殖监测等。