Создание и исследование экспериментальной аппаратуры для регистрации частиц проникающих космических излучений Дробышевский, Михаил Эдуардович

Введение к работе

Актуальность темы диссертации

Тема диссертации актуальна, поскольку вторичные электронные умножители (ВЭУ), - включая фотоэлектронные умножители (ФЭУ), находят широкое применение в современной науке (особенно в ядерной физике и астрофизике) и технике. Без них сегодня немыслимо существование многих экспериментальных направлений. Обусловлено это тем, что многокаскадная вторичная электронная эмиссия обеспечивает в компактных приборах коэффициенты усиления, доходящие до ~10⁹, что делает повседневностью реальное использование их для регистрации даже отдельных квантов и частиц - электронов, ионов, элементарных частиц и т.п.

Представляется поэтому, что любое усовершенствование ВЭУ, как и углубленное понимание различных аспектов их работы, будет способствовать расширению областей их применения.

Исследование свойств ВЭУ в данной работе было стимулировано их использованием в экспериментальных установках, в которых наряду с регистрацией космического излучения (КИ) предпринята попытка поиска объектов скрытой (темной) массы Вселенной. Проблема обнаружения таких объектов и выяснение их природы является одной из актуальных и фундаментальных проблем современной науки [1, 2].

В Приложении 1 кратко изложено содержание развиваемой в ФТИ идеи о том, что темная материя (ТМ) содержит "даемоны" (DArk Electric Matter Objects - daemons), - предположительно, сверхмассивные планковские частицы, несущие отрицательный (до 10e) электрический заряд. Согласно рассматриваемой рабочей гипотезе, можно ожидать в потоке КИ наличие таких частиц, детектирование которых возможно благодаря захвату ими ядер атомов, например Al, с эмиссией большого числа электронов, регистрируемых ВЭУ. Мы называем такие частицы ядерно-активными частицами (ЯАЧ).

Далее под ядерно-активными излучениями мы будем понимать как частицы атмосферных ливней космических лучей (КЛ), так и рассматриваемые в рамках рабочей гипотезы ЯАЧ движущиеся с нерелятивистскими астрономическими скоростями (V ~ 10 км/с).

Использование ФЭУ в экспериментальной установке для регистрации частиц КИ в ФТИ РАН выявило два взаимосвязанных аспекта их реакции на ядерно-активные излучения, послуживших основанием для выполнения данной работы:

Во-первых, была зафиксирована реакция ФЭУ-167 (фотокатод 0100) на КЛ. Эффект этот известен более полувека [3], но многие его детали оставались не до конца понятными.

Во-вторых, было найдено [4], что некоторые экземпляры ФЭУ-167-1, по- видимому, непосредственно сами, без сцинтилляторов и т.п. дополнительных элементов, реагируют на пролет через них низкоскоростных (V ~ 10 км/с) ЯАЧ.

Работа по созданию приборов для детектирования КИ велась в рамках и на базе рабочей гипотезы, предполагающей существование ЯАЧ, в том числе на основе ряда экспериментальных данных, полученных на довольно высоком уровне достоверности (см. Приложение 1).

Цели работы

Основной целью диссертационной работы была разработка и исследование приборов для регистрации частиц КИ, имея в виду их возможное применение и для регистрации ЯАЧ. В соответствии с общей целью исследований были поставлены следующие основные задачи:

1. Исследование реакции ВЭУ (и ФЭУ) на КИ.

2. Формулирование на этой основе практических рекомендаций по применению и усовершенствованию ВЭУ.

3. Создание рабочих образцов усовершенствованных ВЭУ для детектирования ЯАЧ.

4. Практическое применение и испытание новых приборов для детектирования ЯАЧ.

Научная новизна

В диссертации проведено систематическое исследование процессов возникновения сигналов в ВЭУ (и в ФЭУ) под действием КИ с выдачей практических рекомендаций.

Среди новых научных результатов, полученных в диссертации, отметим следующие:

4. 1. Результаты изучения реакции ФЭУ на КЛ показывают, что часть фоновых сигналов ФЭУ обязана своим появлением сцинтилляционным процессам в их стекле, а не в фотокатоде или в динодной сборке.

   2. Исследования сцинтилляционной реакции боросиликатных стеклянных входных светоприемных окон (экранов) ФЭУ-167 и К-содержащих экранов ФЭУ-167-1 показали, что экран ФЭУ действительно работает как сцинтиллятор (в ~ 10 раз менее чувствительный, чем пластмассовый (полистирол + 2% терфенил + 0.06% РОРОР)) вне зависимости от состава испытанных стекол.

   3. По мере выявления новых аспектов реакции детектирующих элементов на частицы КИ проводилась целенаправленная модернизация экспериментального стенда.

   4. На основе физических принципов взаимодействия ЯАЧ с веществом, изученных в ФТИ (эмиссия частиц в результате захвата атомного ядра ядерно-активной частицей), разработаны Темные вторичные

   Электронные Умножители ТЭУ-167, чувствительные к пролету (и

   направлению пролета - ТЭУ-167 д) через них ЯАЧ.

   5. Применение ТЭУ-167 и ТЭУ-167д позволило более чем на порядок

   уменьшить вклад фоновых КЛ в регистрируемые события, что повысило

   эффективность регистрации ядерно-активной компоненты (частиц) в КИ.

   В процессе испытаний разработанных приборов удалось

   зарегистрировать в КИ поток ЯАЧ до f ~ 1.5х10^- см^- с^- .

   Научная и практическая значимость

   Разработан вакуумный Темный вторичный Электронный Умножитель ТЭУ-167 (оформлен в виде Заявки на патент Российской Федерации №2008145004/28 «Вакуумный электронный умножитель для регистрации частиц»). Приборы ТЭУ-167 изготовлены малой серией ЗАО «Экран- оптические системы» (г. Новосибирск).

   С помощью приборов ТЭУ-167 проведены исследования КИ. Зарегистрирован поток низкоскоростных (V ~ 10-15 км/с) ЯАЧ частиц

   космического излучения f ~ 1.5х10^- см^- с^- с умеренным уровнем достоверности (C.L. = 84%).

   Разработан вакуумный электронный умножитель ТЭУ-167 д (оформлен в виде Заявки на патент РФ №2009148557/28 «Вакуумный электронный умножитель для регистрации направленного движения ядерно-активных частиц»). Приборы изготовлены малой серией ЗАО «Экран-оптические системы».

   С помощью приборов ТЭУ-167д проведены исследования КИ. На хорошем уровне достоверности (C.L. = 99.8%) в КИ зарегистрирован поток низкоскоростных (V ~ 10-15 км/с) ЯАЧ.

   Два прибора ТЭУ-167д отправлены в феврале 2010 г. для проведения совместного эксперимента в Университет Тор Вергата (Рим) заинтересовавшейся в них международной коллаборации DAMA, занимающейся экспериментальными поисками объектов ТМ. Приборы установлены и проходят испытания в детекторе Nemesis. В ноябре 2010 г. DAMA высказала заинтересованность в получении еще 14 экземпляров ТЭУ- 167 д.

   Результаты исследования реакции ФЭУ на КЛ показывают, что часть фоновых сигналов ФЭУ обязана своим появлением сцинтилляционным процессам в их стекле.

   Выявленные свойства ФЭУ-167 необходимо учитывать при выполнении любых прецизионных измерений с использованием также других типов ФЭУ и иных светочувствительных датчиков и приборов.

   Практическое следствие: Предложено (и оформлено в виде Заявки на патент РФ №2009145046/28 «Устройство для регистрации ядерных и фотонных излучений») изготавливать ФЭУ, и более общо - фоточувствительные электронные приборы, с входными окнами, выполненными из сцинтилляционно-активных стекол (материалов).

   Основные положения и результаты, выносимые на защиту

   4. 4. 1. Создание стенда для исследования реакции ФЭУ-167 и ФЭУ-167-1 на КЛ и у-^-излучения ⁶⁰Co источника. Подтверждено, что основной причиной сигналов является генерация сцинтилляций в стеклах ФЭУ. Выявлено, что содержание в них калия не влияет на эффект. Дан ряд рекомендаций по уменьшению фоновых сигналов ФЭУ. Предложено создавать фотоэлектрические приборы с входными окнами из сцинтилляционно-активных материалов (Заявка на патент РФ №2009145046/28 «Устройство для регистрации ядерных и фотонных излучений»).

         2. Создание прибора, предназначенного для регистрации отрицательно заряженных ядерно-активных частиц, вызывающих эмиссию многих электронов в результате захвата частицами Al ядер в его внутреннем покрытии (с выделением энергии до ~ 60 МэВ на акт). На базе ФЭУ-167 разработан (Заявка на патент РФ №2008145004/28 «Вакуумный электронный умножитель для регистрации частиц»), изготовлен в виде малой серии на заводе ЗАО «Экран - оптические системы» (г. Новосибирск) и испытан Темный вторичный Электронный Умножитель (ТЭУ-167) со сплошным толстым (~0.5 мкм) алюминиевым покрытием внутренней поверхности прикатодной секции стеклянной колбы, включая лицевой экран.

         3. Создание прибора для регистрации, преимущественно, ЯАЧ, движущихся через вакуум его колбы в определенном направлении - от цоколя к экрану. Разработан (Заявка на патент РФ №2009148557/28 «Вакуумный электронный умножитель для регистрации направленного движения ядерно-активных частиц»), изготовлен в виде малой серии на заводе ЗАО «Экран - оптические системы» и испытан новый тип Темного вторичного Электронного Умножителя ТЭУ-167д с толстым (~ 0.5 мкм) алюминиевым покрытием внутренней поверхности только лицевого экрана.

         4. Создание многомодульного (до восьми модулей) компьютер-управляемого детекторного стенда для регистрации частиц КИ, в частности, для поиска гипотетических медленных (~10-30 км/с) ЯАЧ. Различные модификации модулей, использующие детектирующие элементы (сцинтиллятор ZnS(Ag), ФЭУ и ТЭУ), чувствительные к ЯАЧ, успешно испытаны как на высокой широте 60^oN в ФТИ РАН в Санкт-Петербурге, так и в подземном низкофоновом эксперименте на низкой широте 40^oN в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.

         Личный вклад автора

         Основные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор общего направления исследований, обсуждение и постановка рассмотренных задач осуществлялась совместно с научным руководителем и соавторами работ.

         Апробация результатов и публикации

         Результаты, вошедшие в диссертацию, были получены в период с 2002 по 2010 гг. и опубликованы в 7 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК, а также в тезисах 11 конференций. Список статей приведен в конце автореферата. Результаты работы представлялись на международных конференциях: «6th International Workshop on the Identification of Dark Matter (IDM2006)» (Греция, 2004), «Analytical Methods of Celestial Mechanics. Satellite Meeting for Festival to 300th birthday of Leonard Euler» (Санкт-Петербург, 2007), «6th Intnl. Heidelberg Conference "Dark Matter in Astroparticle and Particle Physics (Dark 2007)"» (Австралия, 2007), «Intnl. Conference "Problems of Practical Cosmology"» (Санкт-Петербург, 2008), «Международная научная конференция Астрономическая школа молодых ученых» (Украина, 2009), «7th International Workshop "Ultra Cold & Cold Neutrons. Physics & Sources"» (Санкт-Петербург, 2009), «X-th International Conference "Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology"» (Украина, 2010), «LX International Conference on Nuclear Physics "Nucleus 2010. Methods of Nuclear Physics for Femto- and Nanotechnologies"» (Санкт-Петербург, 2010), на отечественных конференциях: «Всероссийской астрономической конференции ВАК-2004 «Горизонты Вселенной»» (Москва, 2004), «Всероссийская Астрономическая Конференция (ВАК-2007)» (Казань, 2007), «Конференция (школа-семинар) по физике и астрономии для молодых ученых Санкт- Петербурга и Северо-Запада "Физика. СПб"» (Санкт-Петербург, 2009), а также докладывались на семинарах в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, ГАО РАН (Пулково) и ИАП РАН.

         Структура и объем диссертации

         Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения, списка цитируемой литературы (включает 57 наименований) и двух Приложений. Основной текст содержит 112 страниц, в том числе 17 рисунков и 8 таблиц.

         Похожие диссертации на Создание и исследование экспериментальной аппаратуры для регистрации частиц проникающих космических излучений

         

         Позиционно-чувствительные детекторы на основе чистых благородных газов для регистрации слабоионизирующих частиц и полей ядерных излученийБолоздыня, Александр Иванович

         Разработка и создание детектирующей аппаратуры для эксперимента сфера, исследование ядро-ядерных взаимодействий на пучках ускорительного комплекса ЛВЭ ОИЯИАфанасьев, Сергей Владимирович

         Разработка и создание измерительной аппаратуры для спектрометра СФЕРАРусанов, Иван Русалинов

         

         Генерация параметрического рентгеновского излучения умеренно релятивистскими заряженными частицамиГоголев Алексей Сергеевич

         

         Радиометрия нуклонов в полях излучений, генерируемых ускорителями тяжелых заряженных частицТимошенко Геннадий Николаевич

         

         Моделирование процессов ионизации газов быстрыми заряженными частицами в газонаполненных детекторах ядерных излученийСмирнов Игорь Борисович

         Метод ионно-лучевого распыления и создание новых детекторов ионизирующего излученияНегодаев Михаил Александрович

         

         Создание LIGA-технологического комплекса на источнике синхронного излучения ВЭПП-3Гольденберг, Борис Григорьевич

         Исследование, создание и применение комплексов газоразрядных трековых детекторов частиц в экспериментальных установках на синхрофазотронеМатюшин, Валентин Тарасович

         Исследование, создание и применение детекторов с искровыми и стримерными камерами в физике частиц высоких энергийМатюшин, Александр Тарасович