Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физическая мотивация необходимости постановки литиевого эксперимента
1.1. Основные задачи литиевого эксперимента 34
1.2. Краткий обзор современных стандартных солнечных моделей 34
1.3. Расчет эволюции содержания изотопов и потоков нейтрино в отсутствие переноса вещества 38
1.4. Модель с переносом вещества между центром и периферией 43
1.4.1. Частный случай перемешивания 45
1.4.2. Общий случай перемешивания 48
1.5. Что литиевый эксперимент может добавить к современному представлению о процессах на Солнце? 51
Глава 2. Фоновые процессы в литиевом детекторе .
2.1. Введение 55
2.2. Образование ядер 7Be от нуклонов космических лучей на поверхности 56
2.2.1. Энергетическое и угловое распределение нуклонной компоненты космических лучей57
2.2.2. Моделирование прохождения нуклонов космических лучей через литиевую мишень 59
2.2.3. Образование каскадных протонов от нуклонов космических лучей 60
2.2.4. Образование испарительных протонов 64
2.2.5. Результаты 67
2.3. Фон от радиоактивных примесей в литии 68
2.4. Расчет образования 7Be в литиевой мишени под воздействием нейтронов 72
2.4.1. Реакции, приводящие к образованию ядер 7Be 73
2.4.2. Схема вычислений 74
2.4.3. Вычисление скорости образования 7Be в расчете на один нейтрон 77
2.4.4. Сравнение расчетов с экспериментальными данными 81
2.4.5. Расчет фонового эффекта в детекторе 81
2.5. Фон от мюонов космических лучей 82
2.5.1. Интенсивность потока мюонов в месте расположения детектора 83
2.5.2. Энергетический спектр вторичных частиц 85
2.5.3. Фон, обусловленный взаимодействиями мюонов в литиевой мишени 86
2.5.4. Фон, обусловленный частицами, образованными мюонами при взаимодействии с окружением мишени 88
Глава 3. Извлечение атомов 7Be из металлического лития
3.1. Введение 90
3.2. Проверка технологии извлечения 7Be на тестовой установке.
3.2.1. Подготовка образца, содержащего изотоп 7Be 91
3.2.2. Лабораторная (тестовая) установка для проверки эффективности извлечения 7Be 94
3.3. Получение ацетилацетоната бериллия 98
3.4. Проект модуля литиевого детектора 102
3.5. Выводы 103
Глава 4. Методы счета единичных атомов 7Be.
4.1. Введение 104
4.2. Регистрация 7Be в пропорциональном счетчике 105
4.2.1. Исследование летучести соединений бериллия 105
4.2.2. Оптимизация параметров и режима работы пропорционального счетчика в одноэлектронной области 109
4.2.3. Выбор рабочего газа 115
4.2.4. Измерения фона 117
4.2.5. Плоский пропорциональный счетчик 120
4.3. Регистрация 7Be в криогенном детекторе 123
4.4. Регистрация 7Be в детекторе из сверхчистого германия 127
4.4.1. Оценка эффективности регистрации -квантов от распадов 7Ве в германиевом детекторе 127
4.4.2. Ожидаемое количество событий от распадов 7Be 128
4.4.3. Моделирование событий от распадов 7Be в германиевом детекторе 129
Заключение. 132
- Расчет эволюции содержания изотопов и потоков нейтрино в отсутствие переноса вещества
- Образование каскадных протонов от нуклонов космических лучей
- Лабораторная (тестовая) установка для проверки эффективности извлечения 7Be
- Оптимизация параметров и режима работы пропорционального счетчика в одноэлектронной области
Введение к работе
Актуальность темы.
Результаты экспериментов с солнечными нейтрино - хлорного в США, галлиевых в России (SAGE) и Италии (GALLEX, GNO), электронных экспериментов KAMIOKANDE и SuperKAMIOKANDE в Японии, SNO в Канаде и BOREXINO в Италии, экспериментов с ускорительными нейтрино (К2К, MINOS и др.), а также эксперимента KamLAND с антинейтрино от реакторов -убедительно свидетельствуют о том, что нейтрино осциллируют. В ходе этих экспериментов были измерены параметры нейтринных осцилляции Ада^, A^i (предел), #12, #13 и #23- Помимо этого, наблюдение эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна (МСВ) на солнечных нейтрино показало, что Ьт\х =т1 ~т1 >, т.е. масса состояния с большим весом электронного нейтрино имеет меньшую массу. При этом измерен с высокой точностью энергетический спектр и поток борных нейтрино (SNO), измерены интегральный эффект от рр- и /?е/?-нейтрино (галлиевые эксперименты) и поток бериллиевых нейтрино (эксперимент BOREXINO). Полученные результаты хорошо согласуются с величинами, вычисленными по стандартной солнечной модели с учетом осцилляции нейтрино, параметры которых лежат в области больших углов смешивания ІІМА).
Тем не менее, существует ряд вопросов, ответ на которые может быть получен только из совокупности данных как уже действующих, так и будущих экспериментов. Так, например, необходимо детальное исследование формы энергетического спектра/?/?-нейтрино. Кроме того, недостаточно изучен вопрос о содержании тяжелых элементов в веществе Солнца и, как следствие, не решен вопрос об имеющемся противоречии результатов гелиосейсмологии и наблюдательных данных о содержании тяжелых элементов в веществе Солнца. Вопрос о величине вклада CTVO-цикла в энергетику Солнца также еще остается открытым, и более точное измерение потоков CTVO-нейтрино позволило бы существенно продвинуться в этом направлении, важном для исследования
эволюции не только Солнца, но и всех звезд, находящихся на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела.
Нами показано, что данные, полученные с помощью литиевого детектора, в совокупности с результатами других экспериментов, позволят:
1. Определить вклад CNO-цикла в солнечную энергетику и тем самым
проверить правильность нашего представления о звездной эволюции.
Используя уравнение баланса солнечной светимости, снизить величину погрешности в определении потока рр-нейтрино до уровня < 0.5%.
Измерить содержание металлов (элементов с атомным весом А > 5) непосредственно в ядре, что определит выбор между моделями с высокой или низкой металлизацией.
Исследовать возможность существования процесса перемешивания вещества между внешними и внутренними областями Солнца
Изучить вопрос о наличии скрытых источников солнечной энергии.
В совокупности с данными экспериментов по прецизионному измерению полного потока /?/?-нейтрино (например, XMASS, LENA, LENS и др.), с применением уравнения баланса солнечной светимости исследовать возможность перехода электронного нейтрино в стерильное.
Цель работы.
Целью работы являлось:
Обосновать роль литиевого эксперимента в исследовании солнечных нейтрино и процессов, связанных с генерацией солнечной энергии, в том числе: содержание тяжелых элементов, возможный перенос вещества в недрах Солнца.
Исследовать возможные каналы фона в литий-бериллиевом эксперименте по регистрации солнечных нейтрино.
Отработать методику извлечения микроколичеств бериллия из металлического лития, включая нахождение оптимальных условий этого процесса.
4. Провести сравнительный анализ перспективности различных методов счета единичных атомов Be, включающий измерение характеристик и расчет эффективности регистрации распадов этого изотопа в различных типах детекторов.
Научная новизна.
Разработана методика литий-берилливого эксперимента по регистрации солнечных нейтрино, которая была проверена на лабораторных установках. Найдены оптимальные условия извлечения бериллия из металлического лития. Установлено, что для извлечения следует использовать термостатический режим, а сам детектор должен иметь проточную конструкцию и модульную структуру. Получен коэффициент извлечения бериллия 96%, при этом потери лития за одно извлечение составляли менее 1%.
Проведен расчет каналов фона литиевого детектора методом Монте-Карло. Данные о сечениях и угловых распределениях реакций, используемых в программах, были взяты из баз EXFOR, ENDF и BROND. Остальные необходимые для вычислений величины взяты из опубликованных экспериментальных данных.
Проанализированы различные методы счета микроколичеств Be. Совместно с группой С.Витале (INFN, Генуя) нами была впервые показана принципиальная возможность регистрации распадов Be с высокой эффективностью с помощью микрокалориметра на основе ATD-германия. Были детально исследованы летучие соединений бериллия, которые можно использовать в газонаполненных детекторах и показано, что наиболее подходящими для этих целей являются ацетилацетонат и трифторацетилацетонат бериллия; измерен фон и эффективность счета Be в пропорциональном счетчике в режимах дискриминации фона по форме импульса и антисовпадений с внешним детектором NaI{Tl). Моделированием по методу Монте-Карло с использованием данных о фоновых характеристиках
современных детекторов из сверхчистого германия определена продолжительность эксперимента, необходимая для измерения потока CNO-нейтрино с заданной точностью.
Показано, что если происходит перемешивание между внутренними и внешними слоями Солнца, то это может существенно увеличить поток TV-нейтрино, в то время как другие потоки солнечных нейтрино останутся фактически неизменными. При этом параметры процесса перемешивания могут быть такими, что основные наблюдаемые переменные - содержание изотопов в фотосфере и средний молекулярный вес в ядре Солнца - не выйдут за существующие на настоящий момент пределы погрешности измерений. Данные о потоках CTVO-нейтрино можно получить с помощью электронных детекторов, но ввиду малости сигнала от этих нейтрино относительно эффекта, производимого бериллиевыми нейтрино, для получения высокой точности необходимо иметь результаты независимых измерений этих величин. Литиевый детектор представляется весьма перспективным в этом отношении, поскольку он имеет более высокую, по сравнению с другими радиохимическими детекторами, чувствительность к CTVO-нейтрино. Проблемы же фона для него менее критичны, чем для электронного, поскольку, как и во всех радиохимических детекторах, в нем регистрируются не отдельные события от прохождения нейтрино через рабочий объем, а измеряется активность изотопа, накопленного за длительный период экспозиции. Технология литиевого эксперимента к настоящему моменту разработана достаточно хорошо для того, чтобы приступить к созданию пилотной установки.
Научная и практическая ценность.
Содержащийся в диссертации материал является основой для написания предложения по созданию пилотной установки, на которой может быть отработана технология полномасштабного литиевого эксперимента по регистрации солнечных нейтрино.
Исследования на металлическом литии, проведенные в рамках данной работы, имеют также важное прикладное значение. Нами в целом отработан технологический процесс, определены условия эффективной очистки лития от бериллия. Это может быть использовано, в частности, при создании интенсивных источников нейтронов на основе литиевой мишени.
Основные положения, выносимые на защиту.
Обоснование необходимости постановки литий-бериллиевого эксперимента и его места в программе исследования солнечных нейтрино.
Разработка методики извлечения микроколичеств бериллия на установке, имеющей проточную конструкцию и работающую в термостатическом режиме. Экспериментальное подтверждение эффективности такой методики с помощью изотопов Be и Na в образце сверхчистого алюминия в качестве носителя.
Расчет фона в литий-бериллиевом детекторе солнечных нейтрино для различных каналов его генерации.
Измерение энергетического спектра и расчет эффективности регистрации распадов Be в различных типах детекторов - пропорциональном счетчике, микрокалориметре и полупроводниковом детекторе с кристаллом из сверхчистого германия. Выбор наиболее подходящего соединения бериллия для измерения активности Be в пропорциональном счетчике или другом газонаполненном детекторе.
Апробация работы и публикации.
Результаты диссертации докладывались на международных конференциях «Solar Neutrinos: News About SNUs» (1997, Санта-Барбара, США), «Non-Accelerator New Physics» (2003, 2005, Дубна, Россия), «4th International Workshop on Low Energy and Solar Neutrinos» (2003, Париж, Франция), «Neutrinos and Dark Matter in Nuclear Physics» (2006, Париж, Франция) и «Physics of Massive Neutrinos» (2008, Милос, Греция),
международной школе «Neutrinos in Cosmology, in Astro-, Particle- and Nuclear Physics» (2009, Эриче, Италия), а также на школе и семинарах ИЯИ РАН. Основные результаты диссертации опубликованы в [1-17].
Личный вклад автора.
Все приведенные результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 158 страницах, включая 70 рисунков, 20 таблиц и список литературы, который включает 267 наименований.
Работа была выполнена в Отделе лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики ИЯИ РАН.
Расчет эволюции содержания изотопов и потоков нейтрино в отсутствие переноса вещества
Обоснование необходимости постановки литий-бериллиевого эксперимента и его места в программе исследования солнечных нейтрино. Разработка методики извлечения микроколичеств бериллия на установке, имеющей проточную конструкцию и работающую в термостатическом режиме. Экспериментальное подтверждение эффективности такой методики с помощью изотопов 7Be и 22Na в образце сверхчистого алюминия в качестве носителя. Расчет фона в литий-бериллиевом детекторе солнечных нейтрино для различных каналов его генерации. Измерение энергетического спектра и расчет эффективности регистрации распадов 7Ве в различных типах детекторов - пропорциональном счетчике, микрокалориметре и полупроводниковом детекторе с кристаллом из сверхчистого германия. Выбор наиболее подходящего соединения бериллия для измерения активности 7Ве в пропорциональном счетчике или другом газонаполненном детекторе. Научная и практическая ценность. Содержащийся в диссертации материал является основой для написания предложения по созданию пилотной установки, на которой может быть отработана технология полномасштабного литиевого эксперимента по регистрации солнечных нейтрино. Исследования на металлическом литии, проведенные в рамках данной работы, имеют также важное прикладное значение. Нами в целом отработан технологический процесс, определены условия эффективной очистки лития от бериллия. Это может быть использовано, в частности, при создании интенсивных источников нейтронов на основе литиевой мишени.
Разработана методика литий-берилливого эксперимента по регистрации солнечных нейтрино, которая была проверена на лабораторных установках. Найдены оптимальные условия извлечения бериллия из металлического лития. Установлено, что для извлечения следует использовать термостатический режим, а сам детектор должен иметь проточную конструкцию и модульную структуру. Получен коэффициент извлечения бериллия 96%, при этом потери лития за одно извлечение составляли менее 1%.
Проведен расчет каналов фона литиевого детектора методом Монте-Карло. Данные о сечениях и угловых распределениях реакций, используемых в программах, были взяты из баз EXFOR, ENDF и BROND. Остальные необходимые для вычислений величины взяты из опубликованных экспериментальных данных.
Проанализированы различные методы счета микроколичеств 7Be. Совместно с группой С.Витале (INFN, Генуя) нами была впервые показана принципиальная возможность регистрации распадов 7Ве с высокой эффективностью с помощью микрокалориметра на основе NTD-германия. Были детально исследованы летучие соединений бериллия, которые можно использовать в газонаполненных детекторах, и показано, что наиболее подходящими для этих целей являются ацетилацетонат и трифторацетилацетонат бериллия; измерен фон и эффективность счета 7Ве в пропорциональном счетчике в режимах дискриминации фона по форме импульса и антисовпадений с внешним детектором NaI(Tl). Моделированием по методу Монте-Карло с использованием данных о фоновых характеристиках современных детекторов из сверхчистого германия определена продолжительность эксперимента, необходимая для измерения потока CNO-нейтрино с заданной точностью.
Показано, что если происходит перемешивание между внутренними и внешними слоями Солнца, то это может существенно увеличить поток 13N-нейтрино, в то время как другие потоки солнечных нейтрино останутся фактически неизменными. При этом параметры процесса перемешивания могут быть такими, что основные наблюдаемые переменные - содержание изотопов в фотосфере и средний молекулярный вес в ядре Солнца - не выйдут за существующие на настоящий момент пределы погрешности измерений. Данные о потоках CNO-нейтрино можно получить с помощью электронных детекторов, но ввиду малости сигнала от этих нейтрино относительно эффекта, производимого бериллиевыми нейтрино, для получения высокой точности необходимо иметь результаты независимых измерений этих величин. Литиевый детектор представляется весьма перспективным в этом отношении, поскольку он имеет более высокую, по сравнению с другими радиохимическими детекторами, чувствительность к CNO-нейтрино. Проблемы же фона для него менее критичны, чем для электронного, поскольку, как и во всех радиохимических детекторах, в нем регистрируются не отдельные события от прохождения нейтрино через рабочий объем, а измеряется активность изотопа, накопленного за длительный период экспозиции. Технология литиевого эксперимента к настоящему моменту разработана достаточно хорошо для того, чтобы приступить к созданию пилотной установки.
Результаты диссертации докладывались на международных конференциях «Solar Neutrinos: News About SNUs» (1997, Санта-Барбара, США), «Non-Accelerator New Physics» (2003, 2005, Дубна, Россия), «4th International Workshop on Low Energy and Solar Neutrinos» (2003, Париж, Франция), «Neutrinos and Dark Matter in Nuclear Physics» (2006, Париж, Франция) и «Physics of Massive Neutrinos» (2008, Милос, Греция), международной школе «Neutrinos in Cosmology, in Astro-, Particle- and Nuclear Physics» (2009, Эриче, Италия), а также на школе и семинарах ИЯИ РАН. Основные результаты диссертации опубликованы в [1-17]. Личный вклад автора. Все приведенные результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 158 страницах, включая 70 рисунков, 20 таблиц и список литературы, который включает 267 наименований.
Образование каскадных протонов от нуклонов космических лучей
Таким образом, результаты литиевого детектора могут существенным образом дополнить данные эксперимента BOREXINO и помочь в выборе между моделями с различным содержанием металлов. Общий вывод, который можно сделать из рассмотрения этого случая заключается в том, что совокупность результатов нескольких детекторов может дать нам более ясную картину процессов, происходящих внутри Солнца, чем один, даже очень точный, эксперимент.
В конечном итоге никто не знает, какие неожиданные результаты может принести новый опыт. Эксперимент на хлорном детекторе изначально не обещал больших сюрпризов; это был только тест термоядерной природы солнечной энергии, и никто не ожидал, что он приведет к обнаружению осцилляций нейтрино. Иногда даже малые отклонения от ожидаемого результата могут привести к серьезной коррекции используемой модели, поэтому всегда полезно провести все возможные измерения, чтобы увидеть реальную картину. Для детального изучения процессов в недрах Солнца мы должны провести его полную нейтринную спектроскопию, как было предложено В.А.Кузьминым, Г.Т.Зацепиным и Дж.Бакаллом в начале исследования солнечных нейтрино.
Любая ядерная реакция, приводящая к образованию в рабочем веществе радиохимического детектора такого же изотопа, какой образуется под действием нейтрино, является потенциальным источником фона такой установки. Другими словами, источником фона литий-бериллиевого детектора солнечных нейтрино являются реакции, приводящие к образованию атомов 7Ве в литии. Как и во всех радиохимических детекторах, расположенных глубоко под землей, можно выделить три основных канала фона: 1). Фон от радиоактивных примесей в литии и в конструкционных материалах, из которых изготовлен детектор. Он обусловлен ядерными реакциями от нейтронов деления 238U, а также от -частиц, излучаемых изотопами уранового и ториевого рядов. 2). Фон от горных пород и отделочных материалов подземной камеры, где располагается детектор. Его причиной являются: реакции от нейтронов деления 238U; реакции от нейтронов из (,«)-реакций, инициированными -частицами из распадов элементов уранового и ториевого рядов на легких ядрах, входящих в состав материалов пород (поскольку для тяжелых ядер сечение таких реакций мало из-за кулоновского барьера). 3). Фон от мюонов космических лучей. В инициированных ими каскадах образуется значительное количество ядерно-активных частиц, способных привести к образованию ядер 7Ве в литии. Для детектора, находящегося на поверхности, вышеперечисленные каналы являются пренебрежимо малыми по сравнению с фоном от адронов космических лучей.
Из-за значительного роста вероятности реакции 6Li(n,t)4He при замедлении нейтронов, в мишени из природного лития нарабатывается значительное количество трития, присутствие которого может создать трудности для последующей работы. Однако следует отметить, что тритий хорошо сорбируется титаном [123], из которого будет изготовлен корпус литиевого детектора. К тому же на стадии экстракции (см. Главу 4) происходит эффективная очистка бериллия от примесей. Еще один возможный канал фона, связанный с содержанием в атмосфере изотопа 7Be, можно не принимать во внимание, т.к. методика проведения эксперимента исключает контакт вещества мишени и извлекаемого образца с внешней средой на всех его этапах.
Очистка лития, находящегося в модуле литиевого детектора от атомов 7Be, образовавшегося под действием космических лучей во время его нахождения на поверхности, может дать дополнительную информацию об эффективности процесса извлечения. Поэтому мы должны рассчитать количество данного изотопа, наработанное во время экспозиции мишени на поверхности.
Вкладом мюонов на поверхности можно пренебречь, т.к. их средняя энергия на уровне моря слишком мала для развития ядерных каскадов, приводящих к образованию изотопа 7Be внутри литиевой мишени. Что касается адронной компоненты космических лучей, то, согласно [124], поток -мезонов на поверхности приблизительно на два порядка меньше, чем нуклонов. Поэтому для вычисления скорости образования 7Be в литиевом детекторе во время экспозиции на открытой площадке, мы принимаем во внимание только нуклонную компоненту космических лучей. Измерение количества наработанного 7Be в 20 литиевых модулях на поверхности даст нам дополнительную возможность оценить эффективность процесса извлечения бериллия из лития. Кроме того, по распределению массива из 20 коэффициентов извлечения мы можем оценить систематическую погрешность этой величины.
Лабораторная (тестовая) установка для проверки эффективности извлечения 7Be
Нами разрабатывается литий-бериллиевый метод детектирования солнечных нейтрино с использованием металлического лития в качестве мишени. Извлечение образовавшегося 7Be в этом методе происходит из расплавленного лития. Это делает конструкцию детектора более сложной, чем при использовании, например, раствора LiCl в воде [197], поскольку при этом требуется нагревание установки в процессе извлечения 7Be до температуры выше точки плавления лития (183С). Однако важное преимущество металлического лития заключается в том, что для металлической мишени некоторые каналы фона – фрагментация мишени ядерно-активной компонентой от космических лучей и фон от внутренней радиоактивности – либо отсутствуют, либо намного слабее, чем для соединений лития [198]. Кроме того, из-за достаточно большого сечения реакции 7Li + e 7Be + e- и высокого содержания изотопа 7Li в природном литии (93%) литий-бериллиевый детектор может быть самым компактным по массе мишени из всех ныне существующих радиохимических детекторов солнечных нейтрино. Например, для 1 захвата нейтрино в сутки по ССМ с ныне принятыми (см. Табл.4) параметрами осцилляций достаточно 6 т металлического лития. Для сравнения: соответствующая масса металлического галлия должна быть 20 т, а перхлорэтилена – 280 т.
Металлический литий используется в ряде технических приложений как хороший теплоноситель. По этой теме существует обширная литература, которая представлена как в монографиях, так и в трудах отраслевых конференций [199, 200]. Для данной работы существенны следующие моменты: o Идеология замкнутых жидкометаллических литиевых контуров, используемая в первых экспериментах по извлечению 7Be из металлического лития [201, 202] является весьма труднореализуемой для литиевого проекта ввиду конструктивной сложности подобных установок. Эксперимент на литиевом детекторе будет проводиться в течение длительного времени (5 - 10 лет), и при этом система должна работать без перебоев, чтобы минимизировать мертвое время детектора. Отсюда следует, что конструкция установки должна быть максимально простой и надежной. o Коэффициент извлечения бериллия из лития должен быть максимально высоким (не ниже 90%). o После каждой процедуры извлечения бериллия система должна вернуться в начальное состояние, т.е. характеристики детектора не должны меняться со временем. o Также необходимо минимизировать потери лития в результате процедуры извлечения. Таковы основные требования к разрабатываемому детектору. В работах [201, 202] было установлено, что при фильтрации жидкого лития при температуре, близкой к температуре плавления происходит эффективное концентрирование микроколичеств бериллия на фильтре из металлической стружки. Этим была показана возможность извлечения малых количеств бериллия из металлического лития путем фильтрации. Однако следует отметить, что изотоп 7Be для этого эксперимента нарабатывался путем облучения образца металлического лития протонами малой энергии (менее 10 МэВ). Поскольку пробег таких протонов в литии равен приблизительно 0.5 мм, практически весь образовавшийся бериллий содержался в поверхностном слое. Поэтому существует вероятность того, что после плавления лития бериллии не распределялся равномерно по всему объему образца, а сорбировался в окисной пленке, которая в конечном итоге и высаживалась на фильтре. Чтобы исключить такую возможность, мы использовали в качестве навески образец сверхчистого алюминия, облученного пучком протонов с энергией 100 МэВ на сильноточном протонном ускорителе ИЯИ РАН (п.3.3). Для изготовления образца использовалась полоса из алюминия высокой чистоты толщиной 4 мм.
В результате облучения в алюминии нарабатываются изотопы 7Be и 22Na. Эта пара изотопов очень удобна для изучения процесса извлечения бериллия из лития, поскольку натрий имеет высокую растворимость в литии, а бериллий – низкую. Таким образом, по активности натрия мы можем следить за равномерностью распределения вносимой сигнатуры, а по активности бериллия – за величиной коэффициента извлечения. Поскольку алюминий хорошо растворяется в расплавленном литии, образовавшиеся в навеске при облучении изотопы 7Be и 22Na равномерно распределяются в сливном баке №2 (Рис.50).Нужно отметить, что вносимое в установку в качестве носителя количество алюминия (для каждого опыта использовался образец массой около 50 мг) пренебрежимо мало по сравнению с полной массой мишени и не создает проблем даже при многократных (порядка сотни) циклах измерений. Кроме того, ввиду высокой растворимости алюминия в литии, он не осаждается на рабочей поверхности установки. Такая методика ввода трассера гарантировала его равномерное распределение по объему лития и поэтому позволила получить доказательную базу в обоснование выбранной методики.
Видно, что активность 22Na в образце намного выше активности 7Be. Это создает определенные сложности для наблюдений, т.к. высокая активность 22Na затрудняет работу и, кроме того, спектр 22Na при дальнейших измерениях может маскировать спектр 7Be. Нужно было очистить образец алюминия от излишней активности 22Na, так, чтобы линии этих изотопов были примерно одинаковой интенсивности. Это было достигнуто путем отгонки 22Na
Оптимизация параметров и режима работы пропорционального счетчика в одноэлектронной области
Разработка низкофоновой системы регистрации бериллия сопряжена со значительными техническими трудностями, связанными как с созданием высокотемпературного пропорционального счетчика, способного стабильно работать в непрерывном режиме в течение 160 суток, так и с созданием низкофоновых детекторов антисовпадений, которые также должны работать при высокой температуре. Наблюдаемый фон в одноэлектронной области складывается из фона релятивистских частиц, образующих в счётчике несколько электронов, а также импульсов, образующихся в результате вторичных процессов в газе и на катоде при прохождении через счётчик таких частиц. Кроме того, когда счётчик будет находиться в нагретом состоянии, возможен вклад процессов, связанных с термоэмиссией электронов с поверхности катода и токами утечки по поверхности изоляторов.
Для исследования фона в одноэлектронной области нами были проведены измерения с пропорциональными счётчиками, помещенными в колодец 010 мм кристалла Nal(Tl) 0200x200 [248]. Кристалл, в свою очередь, располагался в защите из свинца толщиной 100 мм. Детали счетчиков Fe41 и Fe5 соединялись при помощи эпоксидного клея, счетчик Ynl, изготовленный В.Э.Янцем -кварцевый, с катодом из углеродной пленки [247]. Фоновые измерения в области одноэлектронных импульсов без применения специальных методов отбора событий дают скорость счёта от 12 до 180 отсчетов в сутки. Также фон измерялся в режимах с отбором событий по времени нарастания импульса (ADP) и антисовпадений с NaI(Tl), а также на совпадение с -квантом (478 кэВ). Заметим, что наблюдается уменьшение скорости счета при повышении давления газа. Это объясняется тем, что релятивистские частицы, пересекающие объем детектора по коротким хордам, образуют в этом случае больше пар ионов и вносят меньший вклад в одноэлектронную область (что заставляет искать компромисс между улучшением фона и ухудшением формы спектра). К тому же, как отмечалось ранее, при низком давлении возрастает вероятность фотоэффекта на катоде.
Отметим также, что фон в счетчике зависит от материала катода (особенно при повышенном давлении). Можно предположить, что это явление связано с особенностями катодной электронной эмиссии и формой спектра поглощения рабочего газа. Хотя минимальный фон в режиме Nal +ADP (9,8 сут1) значительно выше ожидаемой полной скорости счета (0,6 сут1), улучшение защиты счетчика (в частности, помещение его в подземную лабораторию, что уменьшит поток релятивистских частиц) может привести к снижению фона до приемлемого уровня.
Также из таблицы видно, что в режиме е -у совпадений для счетчика Fe41 (катод из сплава FeCr зонной плавки), наполненного изобутаном под давлением 350 Торр фон составляет порядка 0,1 - 0,2 сут 1, что сопоставимо с ожидаемой скорость счёта от распада 7Ве по ССМ в 10 т Li - 0,06 сут"1 (с учётом 10% вероятности излучения -кванта).
В рабочем режиме регистрации счётчик должен находиться в нагретом состоянии внутри сцинтилляционного детектора. Мы использовали кристалл NaI(Tl) размером 0150x150 мм с колодцем 060x100 мм. Для предохранения кристалла от нагрева служил тонкостенный кварцевый сосуд Дьюара, помещенный внутрь счётчик нагревался с помощью нихромовой спирали. В качестве пассивной защиты служил слой вольфрама толщиной 24 мм и свинец 20 мм. Для регистрации распадов атомов 7Ве использовались кварцевые счётчики с металлическим и углеродным катодами. Длина счетчика равнялась 50 мм, диаметр катода - 5 мм, диаметр анода (вольфрам) - 20 мкм. Объём счётчика - 1 см3. Ацетилацетонат бериллия при температуре 150С возгонялся в счетчик, частично охлаждаемый жидким азотом, после чего заполнялся изобутаном, снова охлаждался и отпаивался от системы наполнения. Для калибровки счетчика служила кварцевая УФ-лампа. На Рис.60 приведены спектры одноэлектронных импульсов от ультрафиолетовой лампы и от распада 7Be при совпадение с у-квантом 478 кэВ. Левая граница одноэлектронной области определяется как граница электронных шумов предусилителя, а размер - как удвоенная ширина спектра на половине его высоты (Рис.60а).
Измеряя скорость счёта в пропорциональном счетчике, можно определить эффективность регистрации (которая равна отношению этой скорости к известной из предварительных измерений на сцинтилляционном детекторе -активности образца). Для счётчика, содержащего 10 мкг ацетилацетоната бериллия в качестве носителя, при давлении изобутана 200 Торр и температуре 200С она достигает 60% в одноэлектронной области. Эту величину можно улучшить, понизив уровень шумов предусилителя и увеличив отношение рабочего объема счетчика к его полному объему. В режиме е-у совпадений эффективность счета на порядок меньше, однако фон значительно ниже.
Существует принципиальная возможность существенного уменьшения фона в области малых энерговыделений в счетчике. Эта возможность связана с изменением геометрии счетчика [251]. Известно, что в фон пропорциональных счетчиков значительный вклад дают релятивистские частицы, ионизирующая способность которых мала, и пробеги в веществе значительно превышают размеры счетчика. Поставим теперь такой вопрос: каков спектр энергий, затраченных такой частицей на ионизацию газа при пересечении ею рабочего объема счетчика, и нельзя ли создать условия, при которых в области минимальных энерговыделений, соответствующих ионизации в один или несколько электронов, фоновые события происходили достаточно редко? В тонких слоях газа (т.е. в нашем случае) распределение энергетических потерь будет описываться формулой Ландау [249]:
