Исследование методов регистрации нейтрино низких энергий с помощью металлосодержащих жидких органических сцинтилляторов

• Автор: Янович, Евгений Александрович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 158 с. : ил.

Солнце и ядерный реактор, как мощные источники нейтринного излучения низких энергий < 10 МэВ, используются во многих
фундаментальных исследованиях, проводимых в различных областях современной физики. Измерение потока и спектра солнечных нейтрино в области < 1 МэВ (особенно рр-нейтрино < 0.4 МэВ) с погрешностью < 2 %, является важной задачей, решение которой связано как с физикой элементарных частиц, так и с общей теорией эволюции звёзд. Современная экспериментальная нейтринная программа, реализуемая на ядерных реакторах, посвящена исследованию осцилляций нейтрино и ставит своей целью измерение или получение более низкого предела на величину угла смешивания ©13. Другая задача современной физики, которая в последнее время приобрела особенно большое значение, - это исследование двойного бета распада. На вопросы природы нейтрино, майорановское или дираковское, а также абсолютной величины массы нейтрино могут дать ответы эксперименты по поиску безнейтринной моды 2(]0v двойного бета распада.
Детекторы, которые могут быть созданы с применением металлосодержащих (Yb/In, Gd, Nd) жидких органических сцинтилляторов, являются одними из наиболее перспективных инструментов экспериментальной нейтринной физики низких энергий. Следующее
поколение экспериментов, таких как регистрация нейтрино от Солнца по реакции vc(Z,Z+l)e', измерение осцилляционных параметров с использованием антинейтринных потоков от ядерных реакторов, поиск безнейтринной моды двойного бета распада на ядре Nd-150, связано с разработкой стабильных, крупномасштабных жидких органических сцинтилляторов, содержащих в своём составе один из металлов (Yb,In,Gd,Nd).
В проекте LENS (Low Energy Neutrino Spectroscopy) Yb или In являются мишенью для регистрации солнечных нейтрино. Большая масса детектора (десятки тонн), обусловленная малой вероятностью нейтринных событий, предполагает разработку сцинтиллятора с высоким содержанием растворённого элемента. Эффективная дискриминация фоновых событий и измерение спектра
солнечных нейтрино требуют от сцинтилляционного детектора высокого энергетического, пространственного и временного разрешения, а также крайне низкого уровня содержания радиоактивных примесей < 10'15 г/г U,Th.
Будущие крупномасштабные гадолиний-содержащие сцинтилляционные детекторы Double Chooz, Daya Bay, RENO разрабатываются с целью достичь более высокой чувствительности в измерении угла смешивания ©із <0.01. В этих экспериментах основной акцент сделан на разработку сцинтилляционного детектора, характеризующегося долговременной стабильностью оптических характеристик. Измерение спектра антинейтрино от реактора на расстоянии ~ 1 км (скорость счёта ~ 50 v/день, Double Chooz) предполагает, что Gd-сцинтиллятор должен иметь хорошее энергетическое разрешение и низкий уровень фона.
Разрабатываемый детектор на основе неодим-содержащего сцинтиллятора предназначен для постановки крупномасштабного (~ 12 тонн) эксперимента для поиска 2ß(0v) бета распада ядра Nd-150. Одновременно, в этом же эксперименте с высокой точностью будет измерен и 2v спектр от ßß-распада Nd-150.
Данная работа посвящена разработке детекторов на основе Yb-,In-,Gd-,Nd-содержащих жидких органических сцинтилляторов и измерению их характеристик.
В первой части 2 главы, посвящённой Yb, приводятся результаты измерений характеристик сцинтиллятора на основе псевдокумола (PC) с растворённым карбоксилатом иттербия Yb(IVA), (IVA- изовалериановая кислота). Анализируется внутренний фон детектора, связанный с примесью Lu-176 и демонстрируется возможность очистки от Lu.
Во второй части 2-ой главы описаны исследования, связанные с разработкой In-содержащего сцинтиллятора. Представлены результаты, демонстрирующие увеличение световыхода сцинтиллятора в зависимости от изменения молекулярного состава соли In. Приведены результаты измерений интенсивности сцинтилляционной вспышки в зависимости от энергии гамма

кванта в диапазоне 60 кэВ-835 кэВ. В низкофоновых условиях на прототипе In детектора измерена концентрация 14С в РХЕ, бета спектр от распада П51п, уровень фона в области > 0.7 МэВ, а также энергетическое разрешение и эффективная прозрачность ячеек с индиевым сцинтиллятором.
В 3-ьей главе, посвящённой Gd, продемонстрированы оптические характеристики и возможность создания стабильного крупномасштабного сцинтилляционного Gd-содержащего детектора (Double Chooz) на основе растворителей РС-Додекан и РХЕ-Додекан. С помощью двух баков (1.5 м3) установки LVD исследована возможность создания антинейтринного детектора для мониторинга работы ядерного реактора. Проведены калибровочные измерения с нейтронным источником Cf-252. Для каждого из баков измерены эффективность регистрации и время захвата нейтронов. Проведены тестовые испытания стабильности сцинтиллятора в течение 700 дней.
В 4-ой главе, посвящённой Nd, показаны результаты по разработке неодим-содержащего сцинтилляционного детектора. Измерены его сцинтилляционные и временные характеристики. На кварцевой оптической ячейке длиной 1 м получена эффективная прозрачность сцинтиллятора. Измерено содержание радиоактивных примесей в Nd и сделана оценка фона детектора. Разработан метод очистки сцинтиллятора. Сделана оценка ожидаемого эффекта на массу < mv > для сцинтилляционного детектора массой 12 тонн.

относительно небольших по своим размерам (несколько кубических метров) антинейтринных детекторов. Предварительный опыт в реализации такого проекта был получен в ходе проведения экспериментов с нейтринными осцилляциями на реакторах в Ровно[45] и Буже [46 ].
Рассчитанная скорость нейтринных событий, отнесённая к единичному акту деления, существенно отличается для двух основных изотопов и-235 и Ри-239 (1.92 и 1.45 среднее число антинейтрино на одно деление соответственно). По мере работы реактора относительные концентрации 11-235 и Ри-239 изменяются, что отражается в изменении числа регистрируемых антинейтринных событий. Эффект, обусловленный выгоранием, может служить в качестве диагностики рабочего состояния реактора. Ниже приведена формула, которая связывает скорость регистрации антинейтрино детектором и тепловую мощность реактора,
N(1) = у(1 + к(0)Р(1), где N(1) - скорость регистрации антинейтрино детектором,
у — коэффициент, учитывающий такие параметры, как размер детектора, расстояние детектора от центральной зоны реактора и т.д.,
кД) — коэффициент, отражающий изменение потока антинейтрино, связанный с изменением состава ядерного топлива,
РД) — тепловая мощность реактора.
Обычно у реакторов с водяным охлаждением, работающих под давлением, тепловая мощность в течение всего рабочего цикла остаётся постоянной и не зависит от соотношения скоростей деления изотопов. Длительность цикла составляет в среднем 1-2 года, по завершению которого следует перезагрузка топлива. Перезагрузке подлежит около 1/3 от объёма центральной зоны реактора. Во время рабочего цикла, между сеансами перезагрузки, происходит наработка делящегося изотопа Ри-239, за счёт реакции захвата нейтрона ядром и-238,. Работа в таком режиме характеризуется уменьшением к(0 и, соответственно, падением скорости регистрации антинейтрино (~ 0.1 за рабочий цикл реактора).