Исследование редких реакций и распадов низкофоновыми газовыми детекторами в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учреждение Российская академия наук

Институт ядерных исследований РАН

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Исследование редких реакций и распадов низкофоновыми газовыми детекторами в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Кузьминов Валерий Васильевич

Москва - 2010 г.

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

После надежного установления факта наличия у нейтрино массы из данных по осцилляциям солнечных, атмосферных, реакторных нейтрино и ускорительных нейтринных экспериментов приоритетными в исследованиях свойств нейтрино стали задачи измерения величин массы нейтрино разных ароматов и определения физических значений параметров теоретических моделей образования этих масс. Данные по осцилляциям нейтрино позволяют определить только разность квадратов масс массовых состояний , но не дают ответа на вопрос о величине самих этих масс.

Если нейтрино - массивная Майорановская частица (), то возможен процесс безнейтринного двойного бета-распада , запрещённый в стандартной теории электрослабого взаимодействия. Период полураспада активных изотопов относительно этого процесса обратно пропорционален квадрату эффективной Майорановской массы электронного нейтрино (э.м.м.э.н). Следовательно, в случае обнаружения безнейтринного двойного бета-распада из величины периода полураспада будет установлена величина э.м.м.э.н. и с учётом данных по осцилляциям могут быть определены величины масс. Точность определения зависит от точности теоретических моделей, описывающих связь значения э.м.м.э.н. с параметрами ядра конкретного изотопа. В настоящее время значение ядерных матричных элементов 2в(0н)-моды распада, рассчитанные по разным моделям, отличаются в пределах фактора 3 и более.

Диапазон неопределенностей расчетных значений ядерных матричных элементов задаёт соответственно диапазон разброса значений э.м.м.э.н. Величина этого разброса вносит большую неоднозначность в интерпретацию возможных положительных результатов и определяет невысокую точность оценок, извлекаемых из экспериментальных ограничений на период полураспада. Существует возможность уточнить теоретические построения.

Те же модели используются для расчётов периодов полураспада активных изотопов относительно разрешённого в стандартной теории двухнейтринного двойного бета-распада. Отбор наиболее точных моделей и их совершенствование может быть осуществлёно на основе сравнения рассчитанных с их помощью значений с экспериментальными данными. Двухнейтринный двойной бета-распад зарегистрирован для ряда изотопов в прямых измерениях, геохимических и радиохимических экспериментах.

В целом наблюдается удовлетворительное согласие расчётов и измерений. Однако для изотопа ¹³⁶Хе установлены только экспериментальные ограничения, которые достигают верхних теоретических оценок и намного превышают уже измеренные периоды полураспада для изотопов с похожими энергиями переходов. Это может свидетельствовать о существовании не выявленного пока фактора, недоучёт которого приводит к несовершенству в целом теоретических описаний двойного двухнейтринного и безнейтринного бета-распадов.

Кроме распадов с вылетом двух электронов, для ряда изотопов возможны распады с вылетом двух позитронов и конкурентные к ним электрон-позитронная конверсия и захват ядром двух орбитальных электронов. Эти процессы до сих пор не наблюдались ни на одном активном изотопе. Описываются они с помощью тех же базовых теоретических моделей. Расширение ряда экспериментальных результатов за счёт обнаружения этих процессов так же должно способствовать совершенствованию теоретического описания. Одними из наиболее перспективных для исследования таких процессов являются изотопы ⁷⁸Kr и ¹²⁴Хе.

Возможность построения точной модели для описания процессов двойного бета-распада; фундаментальная значимость выводов, вытекающих из факта существования безнейтринного двойного бета-распада в случае его обнаружения, и важность справочной информации о параметрах двухнейтринного д.б.р. разных изотопов определяют актуальность направления исследований двойного бета-распада у возможно более широкого круга активных изотопов.

Цели и задачи исследования.

Отмеченные выше конкретные изотопы в нормальных условиях являются инертными газами. Регистрацию излучений, возникающих при их распаде, наиболее эффективно проводить газовым детектором ионизирующих излучений, заполненным исследуемым изотопом в качестве источника излучений и рабочего газа. Для достижения наивысшей возможной чувствительности к разыскиваемым чрезвычайно редким процессам при проведении таких измерений необходимо выполнить ряд дополнительных исследований свойств материалов, газов, условий измерений, методов регистрации и обработки импульсов, спектрометрических и рабочих характеристик детекторов, методов подавления и стабилизации фона; создать необходимые условия и оборудование. Поскольку аналоги подобных исследований зачастую отсутствуют, работы носят поисковый характер и в ряде случаев сопровождаются разработкой новых методик и детекторов, пригодных для использования в других областях науки и в промышленности.

Основной целью работ, составляющих диссертацию, были: 1) поисковые исследования различных мод двойного бета-распада изотопа ¹³⁶Хе; 2) поиск двойного позитронного распада и электрон-позитронной конверсии изотопа ⁷⁸Kr; 3) поиск 2К-захвата изотопов ⁷⁸Kr и ¹²⁴Хе. Для этого были решены задачи:

1) Исследованы рабочие характеристики различных пропорциональных счётчиков и ионизационных камер, заполненных чистыми инертными газами и их смесями с многоатомными и органическими газами;

2) Разработаны и изготовлены пропорциональные счётчики и ионизационные камеры различных конструкций. Исследованы их рабочие характеристики и стабильность этих характеристик во времени;

3) Разработаны и изготовлены низкофоновые подземные установки для проведения измерений собственной радиоактивной загрязнённости материалов, размещённые в специально созданных подземных низкофоновых помещениях Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН;

4) Выполнены исследования радиоактивной загрязнённости различных материалов, определён перечень наиболее чистых материалов, пригодных для изготовления детекторов и низкофоновых защит;

5) Разработана методика работы, создана газовая установка, разработан и изготовлен многонитяной бесстеночный пропорциональный счётчик для проведения высокоточных измерений формы в-спектра от внутреннего источника ¹⁴С. Выполнены исследования рабочих характеристик счётчика с различными анодными нитями, отобрана наилучшая нить. Выполнены исследования зависимости рабочих характеристик детектора от давления и состава рабочей смеси на основе ксенона с добавками СО₂. Выбран оптимальный по давлению и составу рабочий газ. Исследован краевой эффект. В конструкцию счётчика внесены элементы, снижающие величину краевого эффекта. В наземных условиях на счётчике, заполненном до 5 атт смесью [Хе + 0,05%(СО₂ + ¹⁴СО₂)], выполнены высокоточные измерения формы в-спектра ¹⁴С. Максимально полно выявлены и исследованы факторы, искажающие форму в-спектра. Определёно их влияние. На основе сравнения форм очищенного от искажений экспериментального спектра и теоретического спектра для разрешённого перехода установлено, что для совмещения форм теоретический спектр должен быть умножен на множитель С(Е) = 1 + в(Е₀-Е), где в = (1,24±0,04) МэВ^-1. Получено ограничение на примесь «тяжёлого» нейтрино с массой 17 кэВ к нормальному состоянию с m_н ? 0: |U_eH|² < 0,0022 (90% у.д.).

Полученные в ходе работы методические решения и наработки в дальнейшем использовались автором во всех конструкциях низкофоновых детекторов.

6) С помощью плоскопараллельной ионизационной камеры с сеткой и двух разновидностей больших пропорциональных счётчиков проведён с возрастающей чувствительностью ряд поисковых исследований 2в-распада ¹³⁶Хе. Был установлен наилучший до настоящего времени для экспериментов разностного типа предел на период полураспада изотопа ¹³⁶Хе относительно (2в2н)-распада Т_1/2 ? 8,5•10²¹ лет (90% у.д.).

Результат достигнут с применением разработанных новых методов регистрации импульсов от пропорционального счётчика цифровым осциллографом и анализа полной формы импульсов;

7) Выполнен совместный с испанскими физиками эксперимент по поиску 2в⁺- и ев⁺-распадов изотопа ⁷⁸Kr с помощью цилиндрической сеточной ионизационной камеры, окружённой сцинтилляционными детекторами NaI(Tl). Для этих процессов были установлены наилучшие до настоящего времени пределы на периоды полураспада:

Т_1/2 (2в⁺)_{0н + 2н} ? 2,0•10²¹ лет (68% у.д.),

Т_1/2 (Кв⁺)_2н ? 1,1•10²⁰ лет (68% у.д.),

Т_1/2 (Кв⁺)_0н ? 5,1•10²¹ лет (68% у.д.);

8) На двух разных типах больших пропорциональных счётчиков с возрастающей чувствительностью выполнена серия экспериментов по поиску 2К-захвата изотопов ⁷⁸Kr и ¹²⁴Хе. Установлены наилучшие до настоящего времени пределы

Т_1/2 (0н+2н,2К) ?1,9•10¹⁷ лет (68% у.д.) для ¹²⁴Хе,

Т_1/2(0н+2н,2К) ? 3,4•10²¹ лет (95% у.д.) для ⁷⁸Kr.

Последний результат получен путём отбора полезных событий по итогам анализа формы записанных в цифровом виде импульсов, выявленной при обработке с применением оригинального нового метода на основе вэйвлет-преобразований;

9. В результате целевых исследований разработана конструкция импульсной ионной ионизационной камеры большого объёма для измерения содержания радона в пробах воздуха, заполняющего камеру в качестве рабочего газа. Разработана и изготовлена специальная регистрирующая аппаратура. Энергетическое разрешение камеры при энергии б-частиц 5,5 МэВ достигает 3,9%. Изготовленный детектор обладает наивысшей чувствительностью среди приборов, предназначенных для прямой регистрации распадов радона в воздухе. С помощью камеры за время 10³ с достигается статистическая точность не хуже 10% при регистрации распадов радона с объемной активностью в воздухе 10 Бк/м³;

10. Разработана и изготовлена импульсная ионная ионизационная камера для регистрации низких уровней поверхностной б-активности образцов различных материалов с площадью поверхности до 55,4 см². Разработана и реализована методика регистрации импульсов длительностью ~100 мс с помощью цифрового осциллографа. Энергетическое разрешение камеры при энергии б-частиц 5,5 МэВ достигает 4,3%. Предложенная конструкция камеры потенциально обладает чрезвычайно высокой чувствительностью. При увеличении полезной площади для размещения образцов до 400см² чувствительность метода определения содержания радиоактивных элементов по их поверхностной б-активности достигает ~0,7мБк/кг по ²³⁸U и ~1,2мБк/кг по ²³²Th за время измерений 500 ч с медным образцом.

Научная новизна работы.

В ходе выполнения работы были получены новые научные результаты:

1. Разработаны и созданы методические и аппаратурные ресурсы для осуществления исследований редких реакций и распадов низкофоновыми газовыми детекторами в подземных условиях БНО ИЯИ РАН.

2. С целью отбора наилучших выполнены измерения радиоактивной загрязнённости различных материалов и металлов методами г-спектрометрии и контроля поверхностной б-активности. Определён список наиболее чистых по радиоактивным примесям материалов, пригодных для изготовления низкофоновых детекторов и защит.

3. Разработаны, изготовлены и исследованы различные варианты низкофоновых пропорциональных счётчиков. Отобраны наиболее удачные конструкции. Впервые предложена и реализована конструкция низкофонового миниатюрного кварцевого счётчика с катодом из пирографита для регистрации излучений от внутренних и внешних источников.

4. Исследованы фоновые, временные, амплитудные характеристик различных рабочих газов и их смесей. Впервые установлено, что газовая смесь (1-2)% Хе + CF₄ относится к классу метастабильных Пеннинговских смесей.

5. Разработана методика, создана установка с многонитяным бесстеночным пропорциональным счётчиком и выполнены высокоточные измерения формы в-спектра ¹⁴С. По результатам обработки было установлено, что форма экспериментального спектра, очищенная от всех выявленных искажающих факторов, отличается от формы теоретического спектра для разрешённого перехода. Отличие устраняется при умножении теоретической формы на корректирующий множитель С(Е) = 1 + в(Е₀-Е), где в = (1,24±0,04) МэВ^-1.

Получено одно из лучших ограничений на примесь «тяжёлого» нейтрино с массой 17 кэВ к нормальному состоянию с m_н ? 0: |U_eH|² < 0,0022 (90% у.д.).

6. В экспериментах по поиску 2в-распада ¹³⁶Хе был установлен наилучший до настоящего времени для экспериментов разностного типа предел на период полураспада изотопа ¹³⁶Хе относительно (2в2н)-распада:

Т_1/2 ? 8,5•10²¹ лет (90% у.д.).

Результат достигнут с применением разработанных новых методов регистрации импульсов от пропорционального счётчика цифровым осциллографом и анализа полной формы импульсов.

7. В эксперименте по поиску 2в⁺- и ев⁺-распадов изотопа ⁷⁸Kr были установлены наилучшие до настоящего времени пределы на периоды полураспада:

Т_1/2 (2в⁺)_{0н + 2н} ? 2,0•10²¹ лет (68% у.д.),

Т_1/2 (Кв⁺)_2н ? 1,1•10²⁰ лет (68% у.д.),

Т_1/2 (Кв⁺)_0н ? 5,1•10²¹ лет (68% у.д.).

8. В серии экспериментов по поиску 2К-захвата изотопов ⁷⁸Kr и ¹²⁴Хе были установлены наилучшие до настоящего времени пределы:

Т_1/2 (0н+2н,2К) ?1,9•10¹⁷ лет (68% у.д.) для ¹²⁴Хе,

Т_1/2(0н+2н,2К) ? 3,4•10²¹ лет (95% у.д.) для ⁷⁸Kr.

Последний результат получен путём отбора полезных событий по итогам анализа формы записанных в цифровом виде импульсов, выявленной при обработке с применением оригинального нового метода на основе вейвлет-преобразований.

9. В результате целевых исследований разработана новая конструкция импульсной ионной ионизационной камеры большого объёма для измерения содержания радона в пробах воздуха, заполняющего камеру в качестве рабочего газа. Изготовленный детектор обладает наивысшей чувствительностью среди приборов, предназначенных для прямой регистрации распадов радона в воздухе. С помощью камеры за время 10³ с достигается статистическая точность не хуже 10% при регистрации распадов радона с объемной активностью в воздухе 10 Бк/м³.

10. Впервые разработана и создана импульсная ионная ионизационная камера для регистрации низких уровней поверхностной б-активности образцов различных материалов. Разработана и реализована методика регистрации импульсов длительностью ~100 мс с помощью цифрового осциллографа. Энергетическое разрешение камеры при энергии б-частиц 5,5 МэВ достигает 4,3%. Предложенная конструкция камеры потенциально обладает чрезвычайно высокой чувствительностью. При увеличении полезной площади для размещения образцов до 400см² чувствительность метода определения содержания радиоактивных элементов по их поверхностной б-активности достигает ~0,7мБк/кг по ²³⁸U и ~1,2мБк/кг по ²³²Th за время измерений 500 ч с образцом меди.

Научная и практическая ценность работы.

Методические разработки и научные результаты, полученные в ходе выполнения работ, имеют высокую значимость при планировании и проведении низкофоновых исследований с детекторами другого типа и в практике использования результатов фундаментальных исследований:

1) Разработанные методы, приёмы и рецепты создания сверхнизкофоновых подземных установок могут быть использованы в практике работы других подземных лабораторий.

2) Предложенные принципы изготовления низкофоновых миниатюрных пропорциональных счётчиков с катодом из пирографита были использованы при разработке конструкции счётчиков для эксперимента SAGE по регистрации солнечных нейтрино с помощью галлий-германиевого детектора.

3) Открытые свойства смеси [CF₄ + (1-2)% Хе] позволяют существенно улучшить характеристики детекторов, использующих CF₄ в качестве рабочего газа (газовые детекторы WIMP, время-проекционные камеры для регистрации солнечных нейтрино, установка MUNU, газовые детекторы на ускорителях).

4) Достигнутые рекордные показатели удельного фона больших пропорциональных счётчиков в составе низкофоновых подземных установок позволяют использовать такие детекторы для проведения датировки по активности ¹⁴С в органических образцах возрастом до 10⁵ лет.0зрастом выше 5датировки органических образцовона больших пропорциональных счётчиков позволяют использовать эти детекторы среды

5) Монитор содержания радона в воздухе на основе разработанной ионизационной импульсной ионной камеры большого объёма (или её модификации) может быть использован в составе комплексов геофизической аппаратуры, предназначенных для контроля параметров окружающей среды с целью прогнозирования землетрясений.

6) Метод измерения поверхностной б-активности различных материалов с помощью ионизационной импульсной ионной камеры может быть использован для контроля содержания б-активных изотопов в материалах, используемых в современной радиоэлектронной промышленности для изготовления микросхем с высокой степенью интеграции.

7) Разработанные новые методы регистрации и обработки импульсов от больших пропорциональных счётчиков в сочетании с достигнутыми предельно низкими фоновыми характеристиками детекторов позволяют в перспективе по мере накопления статистики в измерениях по поиску (2в2н)-распада ¹³⁶Хе и 2К-захвата ⁷⁸Kr и ¹²⁴Хе достичь уровня чувствительности, соответствующего верхним теоретических оценкам периодов полураспада или открыть эти процессы.

Основные результаты, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Разработаны и созданы методические и аппаратурные ресурсы для осуществления исследований редких реакций и распадов низкофоновыми газовыми детекторами в подземных условиях БНО ИЯИ РАН.

2. С целью отбора наилучших выполнены измерения радиоактивной загрязнённости различных материалов и металлов методами г-спектрометрии и контроля поверхностной б-активности. Определён список наиболее чистых по радиоактивным примесям материалов, пригодных для изготовления низкофоновых детекторов и защит.

3. Разработаны, изготовлены и исследованы различные варианты низкофоновых пропорциональных счётчиков. Отобраны наиболее удачные конструкции. Впервые предложена и реализована конструкция низкофонового миниатюрного кварцевого счётчика с катодом из пирографита для регистрации излучений от внутренних и внешних источников.

4. Исследованы фоновые, временные, амплитудные характеристик различных рабочих газов и их смесей. Впервые установлено, что газовая смесь (1-2)% Хе + CF₄ относится к классу метастабильных Пеннинговских смесей. Пропорциональные счётчики с таким газом обладают удлинённой рабочей характеристикой; сниженным в ~2 раза рабочим напряжением; в десятки раз большей величиной предельного коэффициента газового усиления по сравнению с чистым CF₄.

5. Разработана методика, создана установка с многонитяным бесстеночным пропорциональным счётчиком и выполнены высокоточные измерения формы в-спектра ¹⁴С. В результате обработки данных установлено, что форма экспериментального спектра, очищенная от всех выявленных искажающих факторов, отличается от формы теоретического спектра для разрешённого перехода. Отличие устраняется при умножении теоретической формы на корректирующий множитель С(Е) = 1 + в(Е₀-Е), где в = (1,24±0,04) МэВ^-1.

Получено ограничение на примесь «тяжёлого» нейтрино с массой 17 кэВ к нормальному состоянию с m_н ? 0: |U_eH|² < 0,0022 (90% у.д.).

6. С помощью плоскопараллельной ионизационной камеры с сеткой и двух разновидностей больших пропорциональных счётчиков проведён с возрастающей чувствительностью ряд поисковых исследований 2в-распада ¹³⁶Хе. Установлен наилучший до настоящего времени для экспериментов разностного типа предел на период полураспада изотопа ¹³⁶Хе относительно (2в2н)-распада:

Т_1/2 ? 8,5•10²¹ лет (90% у.д.).

Результат достигнут с применением разработанных новых методов регистрации импульсов от пропорционального счётчика цифровым осциллографом и анализа полной формы импульсов.

7. В совместной с испанскими физиками работе по поиску 2в⁺- и ев⁺-распадов изотопа ⁷⁸Kr с помощью цилиндрической сеточной ионизационной камеры, окружённой сцинтилляционными детекторами NaI(Tl), для этих процессов установлены наилучшие до настоящего времени пределы на периоды полураспада:

Т_1/2 (2в⁺)_{0н + 2н} ? 2,0•10²¹ лет (68% у.д.),

Т_1/2 (Кв⁺)_2н ? 1,1•10²⁰ лет (68% у.д.),

Т_1/2 (Кв⁺)_0н ? 5,1•10²¹ лет (68% у.д.).

8. В серии экспериментов по поиску 2К-захвата изотопов ⁷⁸Kr и ¹²⁴Хе, выполненных с возрастающей чувствительностью на двух разных типах больших пропорциональных счётчиков, установлены наилучшие до настоящего времени пределы:

Т_1/2 (0н+2н,2К) ?1,9•10¹⁷ лет (68% у.д.) для ¹²⁴Хе,

Т_1/2(0н+2н,2К) ? 3,4•10²¹ лет (95% у.д.) для ⁷⁸Kr.

Последний результат получен путём отбора полезных событий по итогам анализа формы записанных в цифровом виде импульсов, выявленной при обработке с применением оригинального нового метода на основе вейвлет-преобразований.

9. В результате целевых исследований разработана конструкция импульсной ионной ионизационной камеры большого объёма для измерения содержания радона в пробах воздуха, заполняющего камеру в качестве рабочего газа. Разработана и изготовлена специальная регистрирующая аппаратура. Энергетическое разрешение камеры при энергии б-частиц 5,5 МэВ достигает 3,9%. Изготовленный детектор обладает наивысшей чувствительностью среди приборов, предназначенных для прямой регистрации распадов радона в воздухе. С помощью камеры за время 10³ с достигается статистическая точность не хуже 10% при регистрации распадов радона с объемной активностью в воздухе 10 Бк/м³.

10. Разработана и изготовлена импульсная ионная ионизационная камера для регистрации низких уровней поверхностной б-активности образцов различных материалов с площадью поверхности до 55,4 см². Разработана и реализована методика регистрации импульсов длительностью ~10 мс с помощью цифрового осциллографа. Энергетическое разрешение камеры при энергии б-частиц 5,5 МэВ достигает 4,3%. Предложенная конструкция камеры потенциально обладает чрезвычайно высокой чувствительностью. При увеличении полезной площади для размещения образцов до 400см² чувствительность метода определения содержания радиоактивных элементов по их поверхностной б-активности достигает ~0,7мБк/кг по ²³⁸U и ~1,2мБк/кг по ²³²Th за время измерений 500 ч с медным образцом.

Вклад автора диссертации. В список положений, выносимых на защиту, включены лишь те результаты, в которых вклад автора был основным или, по крайней мере, равным вкладу других соавторов.

Все исследования с пропорциональными счётчиками были предложены и организованы автором и осуществлены с его непосредственным участием и под его руководством. Автор определял и задавал направления развития и совершенствования характеристик низкофоновых газовых детекторов и установок, методов регистрации и обработки данных, руководил работами по созданию подземных низкофоновых лабораторий. Автору принадлежит идея применения импульсных ионных камер для регистрации редких б-распадов в низкофоновых задачах и её техническая реализация.

Автор осуществлял первые публичные представления результатов исследований. Основная часть публикаций подготовлена непосредственно автором.

Апробация работы. Результаты докладывались на международных школах «Частицы и космология» (Приэльбрусье) в 1995, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 годах; на международных конференциях «Non-Accelerator New Physics» (г. Дубна) в 1997, 1999, 2001, 2003, 2005 годах; на международных совещаниях «The Dark Side of the Univers» (Rome, 1995), «Low NU 2003» (Paris, 2003); на Баксанских молодёжных школах Экспериментальной и теоретической физики «БМШ ЭТФ» (Приэльбрусье) в 2005, 2007, 2009 годах; на семинарах БНО ИЯИ РАН и совещаниях в ИЯИ РАН.

Результаты диссертации отражены более чем в 60 работах.

2. Краткое содержание диссертации

Во Введении даётся общая характеристика работы; обоснована актуальность исследований; приведено краткое описание условий проведения исследований; перечислены основные темы работ, выполненных в лаборатории низкофоновых исследований БНО ИЯИ РАН; указаны темы, исследованные автором.

Глава 1. Задачи современной низкофоновой физики и роль газовых детекторов ионизирующих излучений в их решении.

В этой главе представлен обзор взаимосвязанных проблем и задач, являющихся предметом изучения ряда научных направлений, объединённых по характеру исследований термином «неускорительная подземная физика».

В первом параграфе рассмотрены методики регистрации солнечных нейтрино радиохимическими детекторами: Cl-Ar, Ga-Ge(GALLEX + GNO), Ga-Ge(SAGE). Приведены сравнительные характеристики миниатюрных пропорциональных счётчиков объёмом ~0,5 см³, предназначенных для счёта распадов ядер - продуктов взаимодействия нейтрино с веществом детектора. От совершенства конструкции счётчика и его фона зависит в конечном итоге эффективность работы всей громадной установки. В Хлор-Аргоновом эксперименте Р. Дэвиса в области энергий распада ³⁷Ar ( 2,82 ± 0,40 кэВ) с применением отбора полезных событий по параметру соответствия точечному энерговыделению (ADP-параметр) был достигнут уровень фона 0,01 сут.^-1. Достигнутой чувствительности оказалось достаточно, чтобы более чем за 25 лет непрерывных измерений получить значения скорости захвата в детекторе солнечных нейтрино с энергией выше 0,81 МэВ с точностью не хуже 10%. Она составила (2,55 ± 0,25) SNU. Современная стандартная солнечная модель (ССМ) предсказывает скорость захвата (9,5 ^+1,2- _1,4) SNU. Более чем трехкратное отличие экспериментального и теоретического результатов получило название «загадка солнечных нейтрино».

В эксперименте (GALLEX + GNO) с применением ADP-параметра был достигнут фон счётчика объёмом 0,5 см³, равный 0,04 сут.^-1 и 0,02 сут.^-1 для энергетических диапазонов L-пика распада ⁷¹Ge (1,2±0,5) кэВ и К-пика (10,4±1,1) кэВ соответственно.

В эксперименте SAGE для счётчика объёмом ~0,65 см³ при тех же условиях были достигнуты значения 0,055 сут.^-1 и 0,036 сут.^-1, соответственно.

В итоге эксперимент GALLEX получил скорость захвата галлием солнечных нейтрино с энергией выше 0,233 МэВ равную (77,5±7,7) SNU; эксперимент GNO - (62,9±5,4 stat±2,5 syst) SNU; эксперимент SAGE - [65,4+3,1/-3,0(стат.)+2,6/-2,8(сист.)] SNU. В пределах ошибок результаты совпадают. Расчёты по стандартной солнечной модели дают величину (128±9) SNU. Наблюдается двукратное расхождение.

Более чем в два раза ниже расчётного значения оказались результаты измерений потока солнечных нейтрино с энергий выше 6,5 МэВ на установке Супер-Камиоканде (Super-Kamiokande - S.-K.). Детектор Супер-Камиоканде - это большой водный черенковский детектор, мишень которого содержит 50 тыс. тонн чистой воды. Из них 22 тыс. т используются для регистрации солнечных нейтрино. Результат измерений потока солнечных нейтрино оказался равен [2,32±0,03 (стат.)+0,08/-0,07 (сист.)]•10⁶ с^-1см^-2, что составляет около 40% от предсказываемого по ССМ. При этом форма измеренного спектра совпадает с расчётной в диапазоне 6,5-14,0 МэВ.

«Загадка солнечных нейтрино» была решена в результате регистрации солнечных нейтрино в режиме реального времени большим подземным черенковским детектором SNO с мишенью массой 1000 т из «тяжёлой» воды.

Краткое описание установки дано во втором параграфе.

Взаимодействие нейтрино с веществом мишени SNO вызывает три типа реакций: 1) реакции заряженного тока (charge current - CC), чувствительные только к электронным нейтрино; 2) реакции нейтрального тока (neutral current - NC), чувствительные в равной степени к нейтрино всех типов (н_е, н_м, н_ф); 3) упругое рассеяние (elastic scattering - ES), которое испытывают как электронные нейтрино н_е, так н_м и н_ф, сечения рассеяния которых на электронах в ~6,5 раз меньше, чем для н_е. Было установлено, что величина потока, определенная по NC-реакции в предположении стандартной формы спектра нейтрино, в пределах ошибок совпадает с предсказаниями ССМ. Результаты СС- и ES-реакций оказались в ~2-3 раза ниже теоретических предсказаний, полученных в предположении, что все солнечные нейтрино, проходящие через установку, являются электронными, как при рождении в Солнце. Все полученные результаты хорошо согласуются между собой и с теоретическими расчётами при введении допущения об изменении аромата у части электронных нейтрино на пути от точки рождения в Солнце до детектора на Земле. Гипотеза осцилляций нейтрино получила экспериментальную поддержку. Наличие осцилляций свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу. Были получены сильные свидетельства того, что истинные значения осцилляционных параметров ?m² и и лежат в области больших углов смешивания (Large Mixing Angle solution - LMA).

Окончательное решение проблемы выбора области осцилляционных параметров было получено на установке KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti - Neutrino Detector) в эксперименте по регистрации реакторных антинейтрино. Для случая осцилляции нейтрино двух ароматов и выполнения СРТ-инвариантности в эксперименте были исключены все параметры осцилляционных моделей за исключением LMA-решений. Для этого случая найдены значения ?m² = 6,9·10^-5 эВ² и sin² 2и = 1,0.

Знание параметров смешивания нейтрино позволяет восстановить первоначальную цель экспериментов по регистрации солнечных нейтрино - исследование внутреннего строения звезд и источников их энергии. Интерес смещается в сторону задачи измерения спектров солнечных нейтрино.

В диссертации описан проект большой подземной низкофоновой время-прекционной камеры (ТРС) объёмом 3000 м³, заполненной до ~10 атм гелием с добавками СН₄, и предназначенной для спектрометрической регистрации солнечных рр-нейтрино (проект HELLAZ и его модификации). С помощью двух-координатных пропорциональных камер, расположенных по торцам цилиндрического объёма детектора, предполагалось регистрировать электроны ионизации из треков электронов рассеяния нейтрино, дрейфующие на регистрирующие плоскости под действием электрического поля. Поле создаётся высоковольтным электродом, расположенном на средине длины цилиндра в плоскости, перпендикулярной оси. Отбор треков, направление которых лежит в пределах угла с относительно направления на Солнце, позволяет снизить фон от 4 до 10 раз при потере 1/3 полезных событий. Энергия нейтрино может быть определена по измеренным и энергии электрона.

Возможность реализации такого детектора была независимо подтверждена в эксперименте коллаборации MUNU по регистрации событий рассеяния реакторных антинейтрино на электронах с целью поиска магнитного момента у нейтрино. Для выполнения данного эксперимента была построена ТСР объемом 1 м³, заполняемая CF₄ до давления 1-5 бар. Показано, что при давлении 1 бар порог ТРС по энергии может быть снижен до 100 кэВ. Треки электронов с энергией выше 150 кэВ восстанавливаются достаточно эффективно. Для электронов с энергией 200 кэВ энергетическое разрешение составило 10% (1у). Эти данные подтверждают потенциальную возможность использования газовой ТРС большого объема для регистрации низкоэнергичных солнечных рр-нейтрино.

Во втором параграфе описана также сцинтилляционная установка BOREXINO, предназначенная для регистрации в режиме реального времени потока солнечных нейтрино от источника ⁷Be (Е_н = 0,86 МэВ, 90%). Скорость счёта таких событий составила 47 ±7(стат.) ±12(сист.) сут^-1•(100 т)^-1. Результат согласуется с предсказаниями стандартной солнечной модели с учётом осцилляций с параметрами из LMA-области и MSW-эффекта.

Рассмотрен проект модернизации проверочной установки BOREXINO Counting Test Facility (CTF) под детектор солнечных рр-нейтрино. Показано, что такой проект может быть осуществлён, несмотря на мешающий фон от в-спектра ¹⁴С, присутствующего в сцинтилляторе не уровне 2·10^{-18 14}С/¹²С.

В третьем параграфе приведены теоретические обоснования связи осцилляционной картины с картиной представлений двойного безнейтринного и двухнейтринного распада. Рассмотрены основные положения теоретического описания 2в-распада. Показано, что результаты измерений ограничений или величины периода полураспада различных изотопов относительно (2в0н)-моды распада позволяют определить тип связи эффективной массы электронного нейтрино с массами компонент, её образующих, и, в конечном итоге, определить величину этих массовых компонент с использованием осцилляционных данных. Рассмотрена роль данных по (2в2н)-моде распада в улучшении качества теоретических моделей, описывающих обе моды 2в-распада. Представлен краткий обзор имеющихся на сегодняшний день данных о периодах полураспада различных изотопов относительно (2в2н)- и (2в0н)-мод распада. Показана роль газовых детекторов в получении этих результатов (ТРС, NEMO-3). Приведён обзор планируемых и выполняемых экспериментов по поиску 2в0н-распада с чувствительностью по периоду полураспада Т_1/2 ? 5•10²⁵ лет и по эффективной массе электронного нейтрино ? 0,08 эВ. Выделены проекты экспериментов по поиску (2в0н)-распада ¹³⁶Хе.

В четвёртом параграфе рассмотрены эксперименты по поиску массы электронного нейтрино путём изучения формы высокоэнергичного “хвоста” в-спектра трития, зарегистрированного с предельно возможной точностью. Результаты эксперимента “Троицк н-масс” дают ограничение на массу электронного нейтрино m_н ? 2,5 эВ/с² (95 % у.д.).

В пятом параграфе рассмотрены вопросы поиска WIMP - слабовзаимодействующих массивных частиц-кандидатов на «тёмную» массу Вселенной - в низкофоновых подземных условиях. Приведены описания установок и результаты измерений экспериментов DAMA/NaI и DAMA/LIBRA. Положительный эффект годовой модуляции скорости счёта детекторов в интерпретации эффекта от WIMP не подтверждается данными измерений установок с криогенными детекторами CDMS, EDELWEISS.

Рассмотрена возможность регистрации ядер отдачи от рассеяния WIMP на ядрах рабочего газа время-проекционных камер различного объёма. Указано, что ТРС, заполненная газом до ~10 Торр, является единственным детектором, в котором может быть исследована зависимость формы спектра ядер отдачи от направления треков относительно вектора движения Земли через «море» WIMP. Показаны достоинства и недостатки таких детекторов. Сделан краткий обзор проводимых и планируемых экспериментов.

Глава 2. Характеристики низкофоновых газовых детекторов ионизирующих излучений.

Во второй главе представлено систематизированное теоретическое описание процессов, происходящих в ионизованном газе и на поверхности электродов, ограничивающих газовый промежуток, при различных напряжённостях электрического поля. Приведены некоторые справочные характеристики различных газов, облегчающие понимание особенностей работы газовых ионизационных детекторов в разных режимах. Рассмотрены особенности работы ионизационных камер и пропорциональных счётчиков в низкофоновых условиях.

Во вступительной части главы на примере обобщённой вольт-амперной характеристики цилиндрического конденсатора с тонким центральным осевым положительным электродом рассмотрена классификация режимов работы газовых детекторов: 1) ионизационный режим; 2) пропорциональный режим; 3) режим ограниченной пропорциональности; 4) несамогасящийся и самогасящийся гейгеровский режим; 5) режим самогасящегося стримерного разряда; 6) режим импульсного разряда на фоне постоянного коронного разряда. Приведены данные о влиянии состава и давления газа, материала и условий пассивации поверхности катода, диаметра анода на возможность реализации одного из режимов (4-6), наблюдаемых на одном и том же конечном участке амплитудной характеристики детекторов.

В первом параграфе рассмотрены закономерности дрейфа ионов и электронов в электрическом поле с разной величиной напряжённости, нормированной на давление газа (Е/р), без размножения (ионизационный режим). Описаны процессы рекомбинации, прилипания, диффузии электронов и ионов. Представлены сведения о физических и рабочих характеристиках газов, используемых в газовых детекторах. Для инертных газов и их смесей с ускоряющими добавками приведены экспериментальные зависимости скоростей дрейфа электронов и параметров диффузии от величины (Е/р). Приведены данные о разновидностях конфигурации электродов газовых детекторов с разной структурой электрического поля: 1) плоскопараллельная камера с однородным полем; 2) цилиндрическая камера с аксиальным полем; 3) шаровая камера с центральным полем. Рассмотрены особенности работы двухэлектродных ионизационных камер в режиме импульсной ионной камеры; в режиме сбора электронов. Показано, что введение третьего электрода в виде сетки, экранирующей анод от поля положительных ионов первичной ионизации из рабочего объёма, позволяет при сборе электронов существенно улучшить энергетическое разрешение. Приведены формулы для расчёта оптимальных параметров плоской и цилиндрической сеток. Рассмотрены особенности работы ионизационных камер в низкофоновых условиях.

Во втором параграфе рассмотрены закономерности процесса размножения электронов в электрическом поле высокой напряжённости, соответствующего режиму работы пропорциональных счётчиков. Приведены формулы связи коэффициента газового усиления при лавинном размножении электронов с параметрами счётчика, впервые полученные Таунсендом. Представлены некоторые справочные данные. Рассмотрены закономерности образования импульсов при работе детектора в пропорциональном режиме и особенности поведения вкладов от электронной и ионной компонент. Приведено теоретическое рассмотрение факторов, влияющих на конечное энергетическое разрешение пропорциональных счётчиков. Рассмотрены варианты технических решений по улучшению разрешения и снижения фона пропорциональных счётчиков от заряженных частиц, испущенных с поверхности и торцов катодного цилиндра.

В третьем параграфе приведена классификация космогенных и земных источников фона низкофоновых детекторов. Выделены прямой ионизационный эффект от заряженной компоненты космических лучей и фон от распада космогенных радиоактивных изотопов, образовавшихся за время облучения материалов детектора космическими лучами в незащищённых наземных условиях. Этот источник фона устраняется размещением измерительной установки под слоем земли, достаточным для поглощения мюонов космических лучей до требуемого уровня, и выдерживанием конструкционных материалов в подземных условиях в течение времени, необходимого для распада космогенных изотопов. В качестве основных земных источников фона рассмотрены естественные долгоживущие радиоактивные изотопы (е.д.р.и.) ²³⁸U, ²³²Th, их дочерние продукты распада (д.п.р.) и ⁴⁰К. Для устранения фона от этих источников требуется изготовить детектор из материалов, не содержащих этих изотопов, окружить его слоем радиоактивно чистых материалов толщиной, достаточной для поглощения г-излучения от распада радиоактивных изотопов в окружающей среде, и изолировать детектор от доступа наружного воздуха, содержащего радиоактивный ²²²Rn и его д.п.р.

В четвёртом параграфе рассмотрен источник фона, связанный с радиоактивными долгоживущими изотопами в инертных и органических рабочих газах. К ним относятся ³⁹Ar (Т_1/2 = 269 лет, в^- - распад, Е_вmax = 565 кэВ); ⁴²Ar (Т_1/2 = 32,9 лет, в^- - распад) > ⁴²К (Т_1/2 = 12,36 час, в^- - распад, Е_вmax = 3520 кэВ); ⁸¹Kr (Т_1/2 = 2,1•10⁵ лет, е - захват); ⁸⁵Kr (Т_1/2 = 10,76 лет, в^- - распад, Е_вmax = 670 кэВ); ³Н (тритий, Т_1/2 = 12,26 лет, в^- - распад, Е_вmax = 18,6 кэВ) и ¹⁴С (радиоуглерод, Т_1/2 = 5730 лет, в^- - распад, Е_вmax = 156 кэВ). Эти изотопы образуются в атмосфере во взаимодействиях космических лучей с ядрами воздуха, при атмосферных испытаниях ядерных устройств, при работе ядерных реакторов, в реакциях излучений от распада е.д.р.и. с ядрами грунта. Приведены справочные данные о их происхождении и активностях.

Фоновые эффекты, создаваемые распадами этих изотопов, рассмотрены в пятом параграфе на примере предложения эксперимента по поиску WIMP с помощью многосекционного пропорционального счётчика (МСПС) объёмом 13 л. МСПС в своём составе имеет 61 шестигранную многонитяную ячейку, которые собраны в сотовую структуру, окружённую пристеночным защитным многоанодным счётчиком. Детектор мог быть заполнен рабочим газом до 30 атт. Приведены рабочие характеристики МСПС, измеренные на модели одной ячейки, заполненной до 20 атт чистым ксеноном. Разрешение линии 29,8 кэВ составило 12,5%. Расчёты показали, что для достижения в интервале 0-10 кэВ уровня фона ? 1 кг^-1•кэВ^-1•сутки^-1 при заполнении МСПС чистым водородом следует использовать водород, полученный из воды в глубоких слоях ледников, например, антарктических, с возрастом выше 160 лет. При заполнении углеродосодержащим метаном (СН₄) требуется углерод с содержанием ¹⁴С не выше 4,4•10^-18 ат. ¹⁴С / ат. ¹²С. Углерод из глубоких подземных источников удовлетворяет этим требованиям. При заполнении счётчика смесями на основе аргона или криптона из атмосферы, фон от изотопов ³⁹Ar, ⁸⁵Kr оказывается много выше заданного уровня. Эти газы могут быть использованы только после изотопной очистки на ультрацентрифугах. В случае аргона может быть использован образец с малым содержанием ³⁹Ar, извлечённый из потока природного углеводородного газа или отходящих газов из калийных месторождений.

Предложена схема подземной низкофоновой измерительной установки, включающая размещение внутри низкофоновой защиты из свинца и меди двух больших детекторов с жидким сцинтиллятором толщиной 50 см, окружающих МСПС. Слой сцинтиллятора играет роль пассивной защиты и детектора антисовпадений. В качестве рабочего газа для заполнения МСПС предложено использовать СF₄. Исследованы рабочие характеристики ячейки, заполненной этим газом до 12,8 атт. Было обнаружено, что чистый СF₄ не подходит под условия эксперимента. В ходе целевых исследований было найдено, что смеси СF₄ + (1-2)% Хе обладают хорошими рабочими характеристиками и полностью удовлетворяют требованиям эксперимента. Такая смесь позволяет снизить рабочее напряжение почти в 2 раза для получения одинаковой с чистым СF₄ величины газового усиления. На смеси легко достигается коэффициент газового усиления ~10⁴. На рис.1 приведены амплитудные спектры со счётчика, заполненного смесью 99% СF₄ + 1% Хе в диапазоне давлений 1,8-14,8 атм.

Рис.1. Спектры источника ²⁴¹Am (время набора одинаковое) при различных давлениях смеси 99% СF₄ + 1% Хе.

Разрешение линии 59,6 кэВ (источник ²⁴¹Am) при давлении 14,8 атт составило 13,5%.

Данное исследование подтвердило возможность использования СF₄ в эксперименте по поиску WIMP с помощью МСПС. Найденный состав смеси может быть полезен для улучшения характеристик других детекторов (детектор MUNU, детекторы на ускорителях).

В шестом параграфе проведён анализ пригодности различных технологических материалов для использования в конструкциях низкофоновых защит и детекторов. Приведены данные о содержании е.д.р.и. в различных металлах, полученные в измерениях фона образцов сверхнизкофоновым подземным спектрометром с ППД. Подтверждено, что медь и свинец отечественного производства обладают достаточной радиоактивной чистотой и могут быть использованы в низкофоновых установках.

В седьмом параграфе рассмотрена конструкция и характеристики стандартной установки для откачки низкофоновых счётчиков и заполнения их до давлений ~ 30 атт. очищенными от электроотрицательных примесей чистыми инертными газами и их смесями с органическими или многоатомными добавками.

В восьмом параграфе рассмотрены результаты работ по созданию и исследованию характеристик низкофоновых пропорциональных счётчиков различной конструкции, имеющие практическое приложение.

Приведены данные измерений поверхностной б-активности (ПАА) различных материалов, полученные в результате анализа фона пропорциональных счётчиков, изготовленных из проверяемых материалов. Наименьшие уровни ПАА обнаружены у отдельных образцов полупроводниковых кремния и германия. Образцы меди имеют величины ПАА, сравнимые со средними для полупроводников. Рассмотрены недостатки возможных технических решений при использовании таких материалов для изготовления миниатюрных пропорциональных счётчиков, пригодных для применения в радиохимических детекторах солнечных нейтрино.

Представлена первая разработка конструкции низкофонового пропорционального счётчика из кварцевого стекла с катодом из пирографита, приведённая на рис. 2. Счётчик предназначен для измерения малых уровней радиоактивности наполняющего газа.

Рис. 2. Пропорциональный счётчик из кварцевого стекла с катодом из пирографита. 1 - корпус, 2 - шлифы-гермовводы (а - ввод катода, б - ввод анода), 3 - анодная нить, 4 - химические краны-гермовводы (керны не показаны), 5 - пирографит, 6 - пружина, 7 - капиллярное сужение корпуса, 8 - распорный узелок.

Приведены характеристики другой разновидности кварцевого счётчика с пирографитовым катодом, предназначенного для регистрации внешнего рентгеновского излучения и пригодного для использования в установках рентгенофлуоресцентного анализа элементного состава веществ. При использовании для наполнения счётчика смеси 97,8% Хе + 2,2% N₂, показавшей в предварительных исследованиях высокие результаты по стабильности и качеству характеристик, детектор на протяжении десятилетий демонстрирует отсутствие эффектов старения в режимах хранения и работы.

Рассмотрены различные варианты конструкции низкофонового многонитяного бесстеночного пропорционального счётчика, содержащего в одном корпусе центральный счётчик и окружающий его пристеночный кольцевой многоанодный защитный счётчик. Стенка между счётчиками практически отсутствует, поскольку она изготовлена из металлических нитей, натянутых параллельно оси цилиндрического корпуса на изолированных кольцевых оправках. В низкофоновых измерениях включение основного центрального счётчика в режим антисовпадений с защитным позволяет устранить из спектра события, вызванные заряженными частицами, пересёкшими оба чувствительных объёма, и снизить фон. Оказалось, что защитный счётчик также эффективно снижает фон рассеянных на входном окне рентгеновских квантов при использовании подобного детектора в варианте «с окном» в установке для рентгенофлуоресцентного анализа. Приведена практическая конструкция такого счётчика и результаты измерений центральным счётчиком спектров внешнего излучения в режиме антисовпадений с защитным счётчиком и без него. Показано, что фон, контрастность линий и чувствительность измерений при использовании многонитяного счётчика улучшаются в несколько раз по сравнению с результатами, получаемыми на традиционных однокамерных счётчиках.

Методические результаты, полученные при изучении практических возможностей различных счётчиков, были использованы в решениях основных научных задач.

Глава 3. Исследование формы Я-спектра ¹⁴С.

В третьей главе представлены результаты измерений формы в-спектра от источника ¹⁴С, входящего в состав газовой рабочей смеси многонитяного бесстеночного пропорционального счётчика. В ходе работы предполагалось решить вопрос о соответствии реальной формы в-спектра ¹⁴С теоретической форме для разрешённого перехода и устранить имеющуюся экспериментальную неоднозначность.

В первом параграфе дано описание методики, экспериментальной установки, результатов предварительных исследований характеристик и параметров счётчика при разных входных условиях, методов достижения наилучших по стабильности результатов. В итоге этих работ были: 1) определена и выбрана наилучшая нить для изготовления анода; 2) подобран оптимальный состав и рабочее давление смеси - [Хе + 0,05%(СО₂ + ¹⁴СО₂)] при 5 атт.; 3) изучено влияние краевого эффекта на форму спектра и найдено практическое решение по его существенному снижению; 4) изучены особенности параллельной работы центрального и защитного счётчиков; 5) определена оптимальная активность внутреннего ¹⁴С; 6) исследованы эффекты локального «старения» анодной нити под действием избыточного излучения от точечного калибровочного источника, найден вариант устранения такого эффекта с помощью специального калибровочного источника с равномерным распределением интенсивности излучения по длине счётчика; 7) измерен фон счётчика; 8) измерена нелинейность отклика амплитудного анализатора; 9) определены искажения формы в-спектра ¹⁴С, вносимые геометрическими размерами катодных нитей на общей границе между счётчиками («непрозрачность» сетки); отличием формы реальной электрической границы между счётчиками от цилиндрической; энергетическим порогом регистрации импульсов в канале защитного счётчика (з.с.); случайными наложениями импульсов в центральном счётчике (ц.с.) и т.д. В основном измерении за время набора ~2500 ч. была накоплена статистика ~3,6•10⁹ импульсов. Были разработаны алгоритмы и программы моделирования факторов, искажающих в счётчике амплитудный спектр импульсов по отношению к реальному спектру энерговыделений. Выполнено сравнение экспериментального и теоретического спектров для разных вариантов устранения или введения искажений в соответствующие спектры. На основе сравнения установлено, что наилучшее согласие достигается, если теоретический спектр для разрешённого перехода умножается на спектральный форм-фактор в виде С(Е) = 1 + в?(Е₀ - Е) при значениях Е₀ = [156,27 ±0,03 (ста.) ± 0,14 (сист.)] кэВ и в = (1,24 ±0,04)?10^-3 кэВ^-1 (ч² / k ? 1,00). Одновременно было установлено, что примесь ( |U_eh|² ) «тяжёлого» нейтрино с массой 17 кэВ к основному состоянию с m_н ? 0 эВ, на существование которого указывал ряд работ, не превышает |U_eh|² ? 0,0022 (90% у.д.).

...