Содержание к диссертации
Введение
1 Краткая история проблемы солнечных нейтрино и ее современное состояние 5
1. Предсказания Солнечных Моделей 7
2. Солнечные нейтринные эксперименты
2.1. Радиохимические эксперименты 10
2.2. Первый детектор реального времени 12
2.3. Галлиевые эксперименты 13
2.4. Super-Kamiokande 16
2.5. Эксперимент SNO 17
3. Будущие солнечные нейтринные эксперименты 18
3.1 Основные цели настоящей работы 20
3.2 Научная новизна 20
3.3 Практическая и научная ценность 21
3.4 Основные результаты, защищаемые автором 21
3.5 Апробация работы и публикации 22
3.6 Объём и структура 22
1. Описание эксперимента SAGE
1. Лаборатория Галлий-германиевого нейтринного телескопа Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН 23
1. Инженерно-технические характеристики лаборатории 24
2. Фоновые характеристики лаборатории 27
2.1. Мюоны космических лучей 27
2.2. Быстрые нейтроны от горных пород 28
2. Галлий-германиевый нейтринный телескоп
1. Схема эксперимента 32
2. Процедуры извлечения 34
2.1. Извлечение германия-71 из металлического галлия 35
2.2. Вакуумное упаривание экстракционных растворов 38
2.3. Отдувка 41
2.4. Экстрация 41
2.5. Синтез моногермана 42
3. Модернизация процесса извлечения 43
3.1. Извлечение из металлического галлия 43
3.2. Упаривание экстракционных растворов 44
3. Счет германия-71
1. Пропорциональные счетчики 46
2. Система регистрации 51
2. Обработка данных
1. Измерения, включенные в анализ для определения солнечного нейтринного потока
1. История извлечений 55
2. Параметры индивидуальных ранов с января 1990 по январь 2005 г 57
2. Отбор событий - кандидатов на распад германия-71
1. Определение времени нарастания по форме импульса: Г# . 63
2. Калибровка времени нарастания фронта импульсов 68
3. Описание стандартного анализа 69
4. Потерянные раны 76
3. Статистический анализ и результаты одиночных ранов
1. Временной анализ 79
2. Комбинированный анализ ранов 82
1ПРИЛОЖЕНИЕ 1 к Главе 3 Части 2 Таблица 5 84
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 к Главе 3 Части 2 Таблица 6 89
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 к Главе 3 Части 2 Таблица 7 95
4. Систематические неопределенности 101
3. Результаты
1. Результаты
1. Измеренная скорость захвата на металлическом галлии 105
2. Проверка эффективности 105
2.1. Носитель 71Ge 106
2.2. Эксперимент Ga(n, gamma) 106
2.3. Эксперимент с 5ICr 107
3. Проверка положений анализа 107
3.1. Временная последовательность событии 109
3.2. Скорость образования 71Ge 110
4. Комбинирование данных по времени 112
2. Поток рр нейтрино 115
Заключение 118
Литература 121
- Первый детектор реального времени
- Апробация работы и публикации
- Упаривание экстракционных растворов
- Комбинированный анализ ранов
Введение к работе
Солнце - звезда главной последовательности, находящаяся на стадии стабильного горения водорода. Оно является источником интенсивного потока электронных нейтрино вследствие реакций ядерного синтеза, в результате которых происходит слияние четырех протонов в а-частицу с рождением двух позитронов и двух нейтрино.
Первый детектор реального времени
В середине 1980-х начал измерения солнечного нейтринного потока японо-американский эксперимент Камиоканде. Этот большой водный черенковский детектор первоначально был предназначен для поиска высокоэнергетических сигналов от распада протона. После значительных усилий энергетический порог был снижен до уровня, когда детектор становится чувствительным к электронам отдачи, рожденным в упругих взаимодействиях солнечных 8В нейтрино с электронами. Трек электронов отдачи продолжает траекторию нейтрино, инициирующих взаимодействие, и т.о. этот эксперимент впервые продемонстрировал, что нейтрино приходят от Солнца. Также как и в хлорном эксперименте, измеренный поток (2.80 ±0.19 ±0.33) х 10б см"2с" [26] оказался меньше в сравнении с предсказаниями солнечных моделей, и существование проблемы солнечных нейтрино было подтверждено вторым экспериментом. 2.3. Галлиевые эксперименты. Поскольку измеренный поток высокоэнергетических солнечных нейтрино оказался подавлен, очень важным стало определить также поток низкоэнергетических нейтрино, рождаемых в доминирующей в Солнце протон-протонной (рр) реакции. Если оставить в стороне экзотические гипотезы, скорость рр-реакции прямо связана с солнечной светимостью и нечувствительна к изменениям солнечных моделей. Возможность получения информации о низкоэнергетической части солнечного нейтринного спектра и, прежде всего о рр нейтрино, мог дать радиохимический эксперимент на основе реакции захвата нейтрино на ядрах 7lGa, которая была предложена В.А. Кузминым в 1963 году [29]. В силу того, что эта реакция имеет низкий порог 233 кэВ [30], галлиевые эксперименты чувствительны к низкоэнергетическим нейтрино и особенно к рр-нейтрино, максимальная энергия которых 420 кэВ, и их вклад в ожидаемую скорость захвата на галлии составляет более 50%. Лабораторные исследования по созданию галлиевого эксперимента начались в 1975 году в Советском Союзе в Институте ядерных исследований Академии наук и в Соединенных Штатах в Брукхейвенской национальной лаборатории. Разрабатывались методики извлечения германия из жидкого металлического галлия и раствора хлорида галлия. За несколько лет были достигнуты значительные успехи в разработке обоих этих методов. Были разработаны методы счета единичных атомов Ge и рассчитаны и измерены скорости образования Ge при различных фоновых процессах (от мюонов космических лучей, от альфа-частиц от внутренних радиоактивных примесей и внешних быстрых нейтронов). Американская группа остановила свой выбор на методе с использованием раствора хлорида галлия и ими была изготовлена пилотная установка, содержащая 1,3 тонны галлия.
Предложение полномасштабного 50-тонного галлиевого эксперимента с калибровочным экспериментом [31] было направлено в Департамент энергии в 1981 году. Оно было рассмотрено на Комиссии высокого уровня, которая рекомендовала реализацию этого проекта, но финансирование не было выделено. Следующая попытка получить финансирование была предпринята в 1985 году Брукхейвенской, Лос Аламосской лабораториями и рядом университетов и также не увенчалась успехом. 15 лет спустя директор Лос Аламосской мезонной фабрики Джерри Гарви прокомментировал это следующим образом: «Это случилось в основном из-за того, что, как выяснилось, не существует Федерального Агентства с правами финансирования такого рода исследований - подлинный изъян в системе США» [32]. Специальная подкомиссия Комиссии по ядерным разработкам рекомендовала участникам разработки галлиевого эксперимента в США кооперироваться с группами Западной Европы и/или Советского Союза. В Институте ядерных исследований в отделе, руководимом Г.Т. Зацепиным, лабораторные исследования по созданию галлиевого эксперимента были начаты приблизительно в то же время, в 1975 году, с использование раствора хлорида галлия. Но когда стало ясно, что наша промышленность не может обеспечить необходимую чистоту в 50 тоннах раствора хлорида галлия и, принимая во внимание, что металлический галлий значительно менее чувствителен к радиоактивным примесям [33, 34], было принято решение перейти от использования раствора хлорида галлия к разработке метода извлечения из металлического галлия. Возможность извлечения ничтожных количеств германия непосредственно из металлического галлия была впервые показана Р. Дэвисом [35]. Мы взяли за основу идею Р. Дэвиса и развили технологию извлечения единичных атомов 71Ge из многих тонн металлического галлия. Первая работа, в которой была использована методика извлечения единичных атомов 71Ge из 300 кг металлического галлия, была нами опубликована в 1980 году [36]. В 1984 году в Лос Аламосской национальной лаборатории США нами был сделан доклад о состоянии нашего галлиевого эксперимента. Директором Лос Аламосской Мезонной фабрики было направлено письмо от Лос Аламосской национальной лаборатории на имя директора Института ядерных исследований Альберта Тавхелидзе с предложением объединить усилия в исследованиях солнечных нейтрино и, в частности, в проведении галлиевого эксперимента. Это предложение было поддержано академиком-секретарем Отделения ядерной физики Академии наук академиком М. А. Марковым и руководителем программы исследований в области нейтринной астрофизики академиком Г. Т. Зацепиным Соглашение о проведении в Баксанской нейтринной обсерватории на Галлий-германиевом нейтринном телескопе совместного Советско-Американского Галлиевого эксперимента было подписано академиком В.А. Матвеевым в этом же году.
Эксперимент получил название SAGE. В эксперимент с американской стороны вошли Лос Аламосская национальная лаборатория и Пенсельванский университет. Позже в эксперимент были вовлечены Вашингтон Университет и Национальный Институт Стандартов и Технологий США. В 1985 году в Троицке была создана пилотная установка, содержащая 7,5 тонн металлического галлия, на которой отрабатывалась методика извлечения единичных атомов 71Ge для Галлий-германиевого нейтринного телескопа. В 1984 году после результатов Камиоканде II [37] интерес к галлиевым экспериментам значительно возрос. В 1984 году немецкая группа из Института Макса Планка под руководством Тила Кирстена представила свое предложение по проведению галлиевого эксперимента в подземной лаборатории Gran Sasso в Италии и начала создавать Западно-Европейскую коллаборацию, которая получила название GALLEX. В начале 1990-х Российско-Американский галлиевый эксперимент SAGE [38-40] и Западно-Европейский Галлиевый эксперимент GALLEX [23] начали получать результаты. Коллаборация GALLEX формально закончила свои измерения в начале 1997. С апреля 1998 года новая коллаборация GNO [24] возобновила эти измерения, но была вынуждена закончить их в апреле 2003 года. Коллаборация SAGE продолжает вести ежемесячные измерения. Результаты всех трех галлиевых экспериментов представлены в табл. 2. В экспериментах GALLEX [41, 42] и SAGE [43, 44] были выполнены калибровки искусственным источником нейтрино 5,Сг высокой интенсивности и было получено хорошее согласие между измеренной скоростью образования и предсказанной для активности источника, продемонстрировав надежность этих экспериментов. 2.4. Super-Kamiokande. В апреле 1996 году начал набор данных эксперимент Супер-Камиоканде. Этот 50-ти килотонный водный черенковский детектор с 11-тью тысячами фотоумножителей стал первым солнечным нейтринным экспериментом с высокой скоростью набора данных. В этом эксперименте поток солнечных нейтрино был измерен как функция зенитного угла и энергии электронов отдачи в реакции (ve") рассеяния. Его результат для потока 8В нейтрино с энергией выше 6.5 МэВ (2.42 О 106 (CM2-C)" хорошо согласуется с результатом его предшественника [27]. В ноябре 2001 в Супер Камиоканде произошла авария, в результате которой существенное число фотоумножителей было утрачено.
Апробация работы и публикации
За более чем двадцатилетний период создания и эксплуатации Галлий германиевого нейтринного телескопа (1981 - 2005 г.г.) результаты доложены и обсуждены многократно на российских и международных семинарах, симпозиумах, конференциях по физике нейтрино, нейтринной астрофизике и т.д. По материалам диссертации сделаны доклады в ИЯИ РАН, НРІИЯФ МГУ, ИТЭФ, ОИЯИ. Результаты диссертации отражены более чем в 60 статьях. Объём и структура Диссертация состоит из введения, трёх частей (первая часть состоит из трех глав, вторая - из четырех глав, третья - из двух), заключения и списка литературы. Объём составляет 135 страниц машинописного текста, включая 26 рисунков и 9 таблиц; список литературы включает 115 наименований. Галлиевый нейтринный эксперимент SAGE выполняется на галлиевом нейтринном телескопе Баксанской нетринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований РАН расположена на Северном Кавказе в верховьях реки Баксан на высоте 1700 метров над уровнем моря. Подземные объекты обсерватории расположены в толще горного массива горы Андырчи (высота 3937 м), являющегося частью бокового ответвления Большого Кавказского хребта. Для проведения галлиевого нейтринного эксперимента было предусмотрено сооружение подземной низкофоновой лаборатории глубокого заложения - Лаборатории Галлий-Германиевого Нейтринного Телескопа (ГГНТ) [48]. В первоначальном проекте лабораторий глубокого заложения Баксанской нейтринной обсерватории планировалось создать единый комплекс с размещением в нем хлор-аргонового, литий-бериллиевого и галлий-германиевого нейтринных телескопов. Комплекс предполагалось расположить на расстоянии 4200 м от устья горизонтальной штольни, где в толщине горного массива практически достигается минимум интенсивности мюонов космических лучей [49]. Учитывая актуальность получения новых экспериментальных данных о потоке солнечных нейтрино (особенно в низкоэнергетической области спектра), было принято решение приступить к строительству в первую очередь отдельной лаборатории галлий-германиевого нейтринного телескопа, не дожидаясь окончания строительства штольни на всю проектную длину.
Так как галлиевый нейтринный эксперимент можно выполнять на меньших по сравнению с хлорным экспериментом глубинах [34, 50], то это обстоятельство позволило разместить комплекс лаборатории ГТНТ на расстоянии 3600 м от устья штольни (рис. 2). При строительстве лаборатории основные объемы горных выработок были пройдены в кристаллических сланцах (кислые магматические породы), в которых встречаются кварцевые жилы и пластовые инъекции гранита. Мощность покровных пород над камерой ГТНТ - 2100 м, температура окружающей породы +38,3 С. Подземные воды слабощелочные, обладающие очень слабой сульфатной агрессивностью по отношению к бетону, содержат сероводород. В районе комплекса проявляется гидростатическое давление. Как мера, предотвращающая его последствия, было выполнено бурение дренажных (разгрузочных) скважин по контуру выработки камеры телескопа. Лаборатория ГГНТ представляет собой камерную выработку цилиндрической формы длиной 60 м, диаметром 15 м, шириной в основании 12 м и высотой 10 м. Объем уложенного низкофонового бетона 2200 м3. Для устройств рабочих комнат, щитовых, площадок размещения технологического оборудования в лаборатории смонтированы на разных уровнях несущие металлоконструкции. Вспомогательное оборудование инженерных систем (электроподстанция, система кондиционирования, вытяжной вентиляторный агрегат и пр.) размещаются в отдельных горных выработках, смежных с лабораторией (рис. 3). Свежий воздух с дневной поверхности в подземную лабораторию должен поступать по вентиляционной трубе диаметром 1220 мм, охлаждаться в кондиционере и очищаться от пыли и аэрозолей системой фильтров. Отработанный воздух должен направляться на дневную поверхность по вспомогательной штольне. В настоящее время принята временная схема проветривания, согласно которой свежий воздух для проветривания поступает по штольне Главная. В лаборатории имеется приточная вентиляционная установка, забирающая свежий воздух из штольни и вытяжная, направляющая отработанный воздух в воздуховод вытяжной системы. Для охлаждения помещений лаборатории в комплексе установлен кондиционер. Очистка поступающего воздуха производится в два этапа: в первой камере фильтров (фильтрующий материал ФЛ-1,8) воздух очищается от пыли, во второй камере с помощью фильтров Петрянова (тип ФПП-1,5) от содержащихся в воздухе аэрозолей (в том числе продуктов распада 232Тп и 238U). В каждую комнату воздух поступает по отдельным воздуховодам. Вентилятор приточной системы создает в помещениях лаборатории избыточное давление. Отработанный воздух поступает к главному вентилятору, установленному на устье вспомогательной штольни. Для технологических нужд, питания кондиционера, охлаждения оборудования и противопожарных целей служит система промышленного водоснабжения, подключенная к системе хозяйственно-питьевого водоснабжения Обсерватории. Электропитание осуществляется от электроподстанции, размещенной в одной из горных выработок комплекса лаборатории. Надежность электроснабжения обеспечивается наличием 2-х кабельных вводов (напряжением бкв.) от наземной понижающей подстанции 110/6 кв.
Для доставки персонала, материалов и оборудования применяется рельсовый транспорт - аккумуляторные электровозы, пассажирские вагончики и специальные платформы Из оценочного расчета скорости образования Ge в процессах фотоядерного взаимодействия мюонов космических лучей с мишенью, содержащей металлический галлий [48, 50], следует, что отношение фона от космических лучей к ожидаемому эффекту для галлиевой мишени на два порядка меньше, чем для хлорного детектора. Расчетная величина глобального потока интенсивности мюонов в месте расположения лаборатории ГГНТ составила: Уточненный расчет образования изотопов германия от каскадных и испарительных протонов, от ядерных расщеплений, вызванных каскадными нейтронами, а так же от реакций перезарядки л-мезонов на протонах галлия при этом потоке мюонов [34], показал, что скорость образования Ge на глубине расположения лаборатории составляет меньше чем 0.01 ат. сут 1, т.е. 1% от величины, предсказываемой ССМ (при отсутствии ослабления потока электронных нейтрино за счет, например, осцилляции или других эффектов). Поток мюонов в лаборатории ГГНТ был измерен с помощью небольшого телескопа сцинтилляционных детекторов на основе полистирола площадью 4 м [52]. Установка представляла собой две плоскости, состоящие из 4-х детекторов каждая, между которыми проложены свинцовые листы для уменьшения вероятности одновременного срабатывания детекторов из разных плоскостей от электронов сопровождения мюонов и у-квантов двойного комптоновского рассеяния. Общее время измерения составило около 132-х суток. Темп счета установки был 7,7 день"1. Согласно измерениям, глобальная интенсивность мюонов в месте расположения ГТНТ равна: Согласно оценке [53] поток быстрых нейтронов в горной породе от взаимодействия сс-частиц с легкими ядрами и спонтанного деления урана составляет 1.5 нейтрон сут см"2 со средней энергией, лежащей в пределах от 2-х до 4-х МэВ. В зависимости от выбранного спектра доля быстрых нейтронов с Еп 6 МэВ составляет 1 - 7%, и согласно оценке [34] вклад фона в галлиевом эксперименте по этому каналу 1% даже без применения защиты от нейтронов.
Упаривание экстракционных растворов
Начиная с середины 1995 года был модифицирован процесс упаривания экстракционных растворов. На этапе упаривания, в момент, когда кислотность раствора достигает критической величины, при которой возможно улетучивание германия, упаривание не прекращают. Германий начинают собирать с конденсатным раствором. Упаривание продолжают до тех пор, пока весь германий из упариваемого раствора не перейдет в конденсат. Полученный конденсат в дальнейшем подвергают дополнительному упариванию до достижения кислотности раствора 4.5 М. Этот раствор объемом около 130 л перемещают в аппарат для отдувки, где он смешивается с 12 М соляной кислотой. Результирующая кислотность образующегося раствора составляет 9 М. Далее проводится отдувка германия по выше описанной методике. Важное преимущество нового метода заключается в том, что отдувка проводится из чистого, не содержащего галлий раствора. После отдувки этот раствор может быть использован для проведения последующих извлечений. Использование модифицированного процесса извлечения германия позволило увеличить эффективность извлечения на 6 - 7%, а использование модернизированного процесса концентрирования германия уменьшить продолжительность процесса концентрирования на 3 - 4 часа и уменьшить расход соляной кислоты в 2.5 раза (в пересчете на 12 М кислоту). газовые цилиндрические пропорциональные счетчики. Изотоп Ge распадается путем электронного захвата в основное состояние 71Ga с периодом полураспада 11.43 дня [70]. Вероятности К, L и М захвата равны 88%, 10.3% и 1.7% соответственно [71]. Пропорциональный счетчик регистрирует Оже-электроны и, с меньшей эффективностью, рентгеновские кванты, излучаемые при переходе электронной оболочки с возбужденного состояния в основное. Процесс К захвата сопровождается излучением Оже-электронов с энергией 10.367 кэВ (41.5% всех распадов), рентгеновских квантов с энергией 9.2 кэВ, сопровождаемых Оже-электронами с энергией 1.2 кэВ от последующего М - L перехода (41.2% всех распадов), или рентгеновских квантов с энергией 10.26 кэВ, сопровождаемых Оже-электронами с энергией 0.12 кэВ (5.3% всех распадов). L и М захваты сопровождаются исключительно Оже-электронами с энергиями 1.2 кэВ и 0.12 кэВ соответственно [72]. В результате, примерно одинаковые доли событий попадают в L и К пики. На рис. 10 представлен спектр импульсов в счетчике от распадов 71Ge. На спектре явно выделены 2 пика - L пик, 1.2кэВ и К пик, 10.4 кэВ. Вне диапазона регистрации остается еще один пик - М, 0.1 кэВ. Количество импульсов, попадающих в пределы L и К пиков при распаде Ge, составляет примерно по 30%.
В эксперименте SAGE использовались три типа счетчиков. Все счетчики имели примерно одинаковые размеры и внутренний газовый объем: длина катода - 5 см, внутренний диаметр катода - 0.4 см, диаметр вольфрамовой анодной нити - 10 - 12 мкм, газовый объем - 0.6 - 0.7 см . Рабочий газ счетчиков - ксенон с некоторым количеством (до 20% по объему) моногермана (GeH при примерно атмосферном давлении (до 700 мм Hg). Моногерман синтезируется из германия, извлекаемого из галлиевой мишени по окончании солнечной экспозиции. Ограничение на количество германия в лигатуре накладывается именно размерами счетчика. В счетчиках первого типа к железному катоду толщиной 1 мм с торцов приклеивались специальной эпоксидной смолой пробки из оргстекла, по центру которых пропускалась анодная нить. Одна из пробок 1БНО ИЛИ расположена на высоте -1700 м над уровнем моря, и нормальное атмосферное давление здесь составляет 620 мм Hg. соединялась с кварцевым вакуумным краном, через который счетчик заполнялся рабочей газовой смесью. Газовое усиление ( 1000) устанавливалось изменением высокого напряжения между электродами с помощью калибровки (облучения рабочего газа) источником 55Fe (рентгеновские кванты 5.9 кэВ). Калибровки производились через отверстие в средней части катода, прикрытое тонкой пластинкой из слюды. Существенным недостатком таких счетчиков было то, что их нельзя было нагревать: перед заполнением газовой смесью внутренний объем счетчиков освобождается от прежней газовой смеси глубокой откачкой, которая может эффективно проводиться только в условиях прогревания стенок откачиваемого объема. Клееные соединения счетчиков повышения температуры не выдерживали, что не позволяло достаточно надежно освобождать рабочий объем счетчиков от предыдущих заполнений. Подобного недостатка были лишены счетчики второго типа (типа LA), разработанные специалистами из Лос Аламоса, США. В этих счетчиках железный катод толщиной 1 мм помещался в плотно подогнанную кварцевую трубку; анодная нить удерживалась кварцевыми пробками. Все кварцевые части герметично спаивались между собой при высокой температуре. Такие счетчики можно было откачивать при температуре 100 - 110С, вследствие чего газ удалялся достаточно эффективно. Калибровка этих счетчиков производилась также с помощью источника 55Fe через окно в средней части катода.
В районе окна толщина кварца была снижена до 100 - 200 мкм. Многочисленные длительные калибровки приводили к тому, что напротив калибровочных окон на анодной ните осаждались продукты развалившихся молекул моногермана, которые химическим образом реагировали друг с другом и полимеризовались [73]. В результате толщина анодной проволоки напротив окна изменялась, и соответственно изменялось газовое усиление в этом районе счетчика. Для того, чтобы учесть этот эффект полимеризации, применялись корректирующие калибровки источником 109Cd. Этот источник излучает у-кванты 88 кэВ, а также рентгеновские кванты 22 - 25 кэВ, которые проходят сквозь кварцевую колбу и железную стенку катода и взаимодействуют с газом счетчика вдоль всего катода. Поэтому эффект полимеризации в этих калибровках не сказывается. Локальный характер полимерных образований был выявлен специальными измерениями, в которых исследовалась зависимость газового усиления счетчика от координаты вдоль оси счетчика. Для этого с помощью коллиматора поочередно выделялись участки катода, облучаемые источником 109Cd. Эти измерения проводились для счетчиков типа LA, с которыми была проведена большая часть измерений SAGE. В 2001 году в эксперименте стали использоваться счетчики третьего типа (YCT), разработанные и изготовленные В.Янцем в лаборатории РХМДН ИЛИ РАН. Это цилиндрические кварцевые счетчики (рис. 11) [74], катодом в которых служит тонкий углеродный слой, напыленный на внутреннюю поверхность кварцевой колбы из разлагающихся при высокой температуре паров гексана или ацетона. На торцах внутренний диаметр колбы плавно уменьшается до нуля, и анодная нить удерживается без применения дополнительных пробок. С одного конца нить закреплена на вольфрамовой пружинке, удерживающей ее в натянутом состоянии независимо от температуры около счетчика. Для уменьшения фона, связанного с распадом радиоактивных элементов в кварцевой оболочке счетчиков, при изготовлении счетчиков с помощью фосфорной кислоты кварцевая катодная колба стравливается с внешней стороны до толщины 150 - 200 мкм. Измерения показали, что при стравливании фоновая скорость счета уменьшилась сильнее, чем ожидалось в соответствии с уменьшением массы кварца, из чего можно сделать вывод о том, что технология изготовления кварцевых трубок такова, что тяжелые примеси в кварце (среди которых есть и уран и торий) локализуются на внешней стороне трубок [80]. Тонкие стенки счетчиков, а также отсутствие железного катода приводит к тому, что счетчик эффективно откликается на низкоэнергетическое рентгеновское излучение (до 80 кэВ), которое возникает в районе установки счетчиков при взаимодействии с материалами защиты у-квантов, излучаемых радиоактивными примесями, содержащимися в этих материалах. Для исключения этого эффекта на установленные в защиту системы регистрации счетчики надеваются дополнительные индивидуальные защитные колпаки.
Комбинированный анализ ранов
Комбинированная функция правдоподобия для набора извлечений есть произведение всех функций правдоподобия для каждого извлечения. Скорость захвата для набора извлечений определяется поиском максимума этой функции при дополнительном требовании, что скорость образования 71Ge в единице массы галлия является постоянной величиной для всех экспозиций, и фоновые скорости в L и К пиках могут быть различными для разных извлечений. Неопределенность находим тем же способом, что и при комбинировании данных L и К пиков в одиночных ранах. Кроме двух, описанных здесь, существует несколько других способов оценки неопределенностей. Результат комбинированного анализа данных, полученных во всех ранах, приведен в табл. 7 и представлен на рис. 22. В табл. 8 представлены систематические эффекты, которые могут искажать измеряемую скорость захвата солнечных нейтрино. Их можно условно разбить на три основные категории: это неопределенности, связанные с эффективностью извлечения, эффективностью счета распадов Ge и фоном. Некоторые из этих эффектов были приведены выше, остальные мы коротко обсудим в этой главе. Эффективность счетчиков определялась в серии измерений с различным газовым заполнением счетчиков; в состав этих заполнений входили Ge, Аг и Ge. Неопределенности в измерении эффективности счетчиков связаны с неопределенностью объемной эффективности, концевых эффектов и состава газовой смеси. Квадратичное суммирование этих эффектов приводит к неопределенности ±1.8% в эффективности счетчиков. К неопределенностям приводят также систематические эффекты, связанные с фоновыми источниками образования изотопов германия в галлиевой мишени, а также распад радона внутри и вблизи счетчиков. Из измеренных потоков быстрых нейтронов [62, 59] и мюонов комических лучей в подземной лаборатории [52] были получены пределы на образование Ge по реакции (п, р) на Ga. Измерения предельных значений концентраций U и Th в галлии, которые также могут приводить к образованию изотопов германия, были выполнены на полупроводниковом германиевом детекторе [100] и на масс-спектрометре [101].
Суммарная скорость образования Ge от всех этих процессов не превышает 1 SNU. Из внутреннего объема пассивной защиты, где находятся счетчики, радон удаляется испаряющимся жидким азотом. Для того, чтобы исключить возможность попадания радона в счетчик, при заполнении применяются специальные антирадоновые процедуры очистки газовой смеси. Влияние остающегося количества радона на результаты измерений скорости образования 7lGe было изучено с помощью специальных измерений со счетчиками, в состав газовой смеси которых добавлялось некоторое количество радона, а также в исследовании реакции счетчиков на внешнее у-излучение [102, 103], Полученные в результате этих исследований значения верхнего предела систематической ошибки, связанной с распадами радона внутри счетчика и вне его, составляют соответственно, 0.7 SNU и 0.03 SNU. Имитировать события Ge могут распады Ge и Ge, которые образуются в галлиевой мишени в фоновых процессах. Количество Ge, который образуется во взаимодействиях мюонов космических лучей, можно оценить по ожидаемой скорости образования в мюонных взаимодействиях Ge. Она оказывается равной 0.012±0.006 атомов в день в 60 т галлия [40, 34]. При измеренном отношении сечений образования Ge и Ge в реакциях с галлием мюонов с энергией 280 ГэВ 2.1 ±0.05 [104] в 50 т галлия в сутки образуется 0.022+0.013 атомов Ge. При периоде полураспада Ge 271 день эти импульсы распределяются почти равномерно во времени в течение счета, увеличивая только среднюю фоновую скорость. Однако эти импульсы могут давать в начальный период счета некоторое увеличение скорости счета 71Ge. Расчет методом Монте Карло показал, что при типичных параметрах наших измерений -время экспозиции 30 дней, масса галлия 50 тонн, эффективность экстракции 0.9, эффективность счета (L пик + К пик) 0.6, фоновая скорость (L пик + Кпик) 0.175 события в сутки - скорость образования Ge 0.022 события в сутки дает вклад в скорость образования Ge, равный 0.0085 события в сутки, что эквивалентно 0.05 SNU. Изотоп 69Ge образуется в галлиевой мишени в результате взаимодействия а-частиц от внутренней радиоактивности мишени и нейтронов, излучаемых окружающими породами, а также во взаимодействиях солнечных нейтрино и мюонов космических лучей. Скорость образования 69Ge в 50 т галлия равна 0.17 атомов в день [40, 105] при неопределенности около 50%. Поскольку большая часть распадов 69Ge сопровождается у-излучением, которое регистрируется детектором Nal с эффективностью 90%), и счетчик устанавливается на счет через -1.5 дня после извлечения, при малом периоде полураспада 69Ge (1.6 д) в одном ране наблюдаются только 0.045 событий от 69Ge [40], в 100 раз меньше, чем среднее количество регистрируемых 71Ge распадов. Т.о. фоновый эффект от 69Ge составляет не более 0.7 SNU. В этом разделе представлены результаты измерений скорости захвата солнечных нейтрино галлием, проведенных с января 1990 года по январь 2005 года.
Скорость захвата, полученная в результате анализа 135 ранов и 244 отдельных наборов данных, равна 67.2_3 6 SNU. Здесь приведены только статистические неопределенности. В выделенных границах L и К пиков Ge, отобрано 2441 события, из которых 635 отнесено временным анализом к Ge (полное живое время счета составило 44.5 года). Результаты анализа событий, отобранных отдельно в L и К пиках, равны, соответственно, 66.5 6 SNU и 67.8 SNU. Близкие значения этими двух результатов может служить проверкой качества критериев отбора событий. Полная систематическая неопределенность получается квадратичным суммированием всех систематических вкладов, представленных в табл. 8. Таким образом, результат SAGE составляет 67.2!33;76 !33.2 SNU. Для сравнения, последний результат эксперимента GALLEX: 77.5 ± 6.2 ± 4.5 SNU, эксперимента GNO: 62.5 ± 6.4 ±3.8 SNU, GNO (включая данные GALLEX): 70.8 ± 4.4 ± 3.8 SNU [113]. При квадратичном суммировании статистических и систематических неопределенностей результат за 15-ти летний период измерений SAGE равен 67.2 .8 2. Проверка эффективности Технологии, используемые в эксперименте, позволяют производить химическое извлечение нескольких атомов Ge, образующихся при взаимодействии нейтрино, из мишени, содержащей 5-Ю29 атомов галлия, с высокой и хорошо известной эффективностью. Для измерения этой эффективности в начале каждой экспозиции в галлий добавляется около 350 мкг стабильного германия-носителя. При этом даже с учетом носителя на один атом германия приходится 10й атомов галлия. В такой ситуации может возникнуть резонный вопрос, насколько хорошо нам известна эффективность извлечения. С целью доказательства правильности используемых нами эффективностей был проведен ряд вспомогательных экспериментов, которые подтвердили эффективность нашей технологии извлечения единичных атомов 71Ge из металлического галлия, их счета и метода анализа. В реактор, в котором содержалось 7 т галлия, был добавлен германий-носитель с включенным в его состав известным количеством 7 Ge. Были проведены три извлечения, в каждом из которых посчитано количество атомов извлеченного Ge. Результаты этой работы [39] показали, что эффективности извлечения стабильного германия-носителя и которого могут рождаться в реакции обратного р-распада в возбужденном или ионизированном состоянии, химических связей, которые не позволяют нам его эффективно извлекать.
