Abstract The surface 210Pb is one of the main background sources for dark-matter-search experiments using NaI(Tl) crystals, and its spectral features associated with the beta-decay events for energies less than 60 keV depends on the depth distribution of 210Pb in the surface of an NaI(Tl) crystal. Therefore, we must understand the profile of surface 210Pb to precisely model the background measurement in the low-energy region for the low-background experiment using NaI(Tl) crystals. We estimate the depth profile of the surface 210Pb contamination by modeling the measured spectrum of the alpha emission from the decay of 210Po at the decay sequence of the surface 210Pb contamination that is obtained using an 222Rn-contaminated crystal. In order to describe the energy spectra of the surface contamination we perform a log-likelihood fit of the measured data to a sum of Geant4 Mote Carlo simulations, weighted by an exponential curve as a function of the surface depth. The low- and high-energy events from the beta decay of surface 210Pb are also modeled to improve the depth profile for shallow depths. We simulate the energy spectra from beta decays of 210Pb that are exponentially distributed in the surface by following two exponential functions where the mean-depth coefficients are free parameters in the data fitting; we observed that the energy spectra are in good agreement with the measured data.

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NaI(Tl) 晶体表面 210Pb 的深度剖面研究

摘要 表面 210Pb 是使用 NaI(Tl) 晶体进行暗物质搜索实验的主要背景源之一，其与能量小于 60 keV 的 β 衰变事件相关的光谱特征取决于 210Pb 的深度分布。 NaI(Tl) 晶体的表面。因此，我们必须了解表面 210Pb 的轮廓，以便为使用 NaI(Tl) 晶体的低背景实验精确模拟低能量区域的背景测量。我们通过在使用 222Rn 污染的晶体获得的表面 210Pb 污染的衰减序列处对 210Po 衰减的 α 发射的测量光谱进行建模来估计表面 210Pb 污染的深度剖面。为了描述表面污染的能谱，我们将测量数据与 Geant4 Mote Carlo 模拟的总和进行对数似然拟合，由作为表面深度函数的指数曲线加权。来自表面 210Pb β 衰变的低能和高能事件也被建模，以改善浅层的深度剖面。我们通过遵循两个指数函数来模拟 210Pb 的 β 衰变的能谱，这些衰减在表面呈指数分布，其中平均深度系数是数据拟合中的自由参数；我们观察到能谱与测量数据非常吻合。来自表面 210Pb β 衰变的低能和高能事件也被建模，以改善浅层的深度剖面。我们通过遵循两个指数函数来模拟 210Pb 的 β 衰变的能谱，这些衰减在表面呈指数分布，其中平均深度系数是数据拟合中的自由参数；我们观察到能谱与测量数据非常吻合。来自表面 210Pb β 衰变的低能和高能事件也被建模，以改善浅层的深度剖面。我们通过遵循两个指数函数来模拟 210Pb 的 β 衰变的能谱，它们在表面呈指数分布，其中平均深度系数是数据拟合中的自由参数；我们观察到能谱与测量数据非常吻合。