Исследование методов регистрации нейтрино низких энергий с помощью металлосодержащих жидких органических сцинтилляторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

094607259

На правах рукописи

Янович Евгений Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРИНО НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ

С ПОМОЩЬЮ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 2 ИЮЛ ?т

004607259

На правах рукописи

Янович Евгений Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРИНО НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ

С ПОМОЩЬЮ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерных исследований РАН, Москва

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Л.Б. Безруков (ИЯИ РАН) Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ю.В. Рябов (ИЯИ РАН) доктор физико-математических наук Л.А.Кузьмичёв (НИИЯФ МГУ) Ведущая организация: ОИЯИ ЛЯП, Дубна

Защита диссертации состоится « у> ^^^^2010 г.

)1

в « ' ^—?гчзсов на заседании диссертационного совета Д002.119.01

Учреждения Российской академии наук

Института ядерных исследований РАН.

Адрес: 117312, г. Москва, проспект 60-летия Октября, д. 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН.

Автореферат разослан « »

Учёный секретарь диссертационного совета ИЯИ РАН Кандидат физико-математических наук Б.А. Тулупов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Регистрация солнечных нейтрино низких энергий (рр, 7Ве, CNO), измерение угла смешивания 013 с помощью реакторных антинейтрино и поиск безнейтринного двойного бета распада 2ß(0v) являются одними из центральных задач современной экспериментальной нейтринной физики. Вся имеющаяся современная информация о потоке низкоэнергетических (< 0.42 МэВ) рр-нейтрино связана только с результатами радиохимических детекторов (GALLEX/GNO, SAGE). Однако, радиохимический метод детектирования, основанный на интегральном измерении потока нейтрино выше определённого энергетического порога (71Ga 0.24 МэВ), не позволяет точно идеенти-фицировать вклад основной ядерной реакции, протекающей в недрах Солнца. Измерение потока рр-нейтрино с погрешностью < 2% будет являться фундаментальной проверкой, подтверждающей общую теорию эволюции звёзд. Наблюдаемое расхождение экспериментальных данных с предсказаниями солнечной модели, нашедшее подтверждение в экспериментах с космическими лучами, привело к открытию нейтринных осцилляции и как, следствие, наличию у нейтрино массы. В реакторном эксперименте KamLAND было установлено, что нейтринные осцилляции соответствуют LMA варианту, согласно которому параметры осцилляций лежат в области больших углов смешивания, tan2©i2 ~ 0.45. Вариант LMA предсказывает для области энергий нейтрино <1-2 МэВ преобладание вакуумного механизма осцилляций, что нашло своё подтверждение в результатах эксперимента Borexino, (Ev = 0.862 МэВ). Для дальнейшего подтверждения теории нейтринных осцилляций необходимо измерение в области рр-нейтрино, Ev < 0.42МэВ. Для измерения потока рр-нейтрино были предложены реакции с ядрами П51п и 176Yb, Низкий порог реакции 114 кэВ (1151п) и характерная сигнатура распада 115Sn* должны позволить зарегистрировать рр-нейтрино в условиях большого внутреннего радиоактивного фона детектора. Открытие нейтринных осцилляций привело к выходу за рамки стандартной модели электрослабых взаимодействий. Уточнение параметров осцилляций является следующим направлением исследований. Два угла смешивания ©i2,

023 измерены в экспериментах с солнечными и атмосферными нейтрино. Третий угол 0в ещё не измерен. Эксперимент CHOOZ даёт только предел на величину Sin2(2©)3) < 0.2. В будущих реакторных экспериментах Double Chooz, RENO планируется достичь чувствительности Sin2(2@i3) < 0.03.

Вопросы, связанные с природой и массой нейтрино, не могут найти своего объяснения в осцилляционных экспериментах. Проблема природы нейтрино, а именно, является ли нейтрино майорановской (v=£) или дираковской тесно связана с вопросом сохранения полного

лептонного числа. С экспериментальной точки зрения одним из самых чувствительных способов проверки закона сохранения лептонного заряда и идентичности нейтрино и антинейтрино является исследование безнейтринного двойного бета распада (2j30v). Нейтринные осцилляции не дают информации и об абсолютной массе нейтрино, они связаны только с разностью квадратов массовых состояний нейтрино. В случае майорановской природы нейтрино, наилучшее ограничение на массу < может быть получено в экспериментах по поиску 2p0v. В настоящее время имеется публикация, в которой часть коллаборации Н-М заявляет о регистрации <Щу> ~ 0.5 - 1.3 эВ при исследовании распада ядра 76Ge. Эксперименты нового поколения рр-распада призваны проверить и в дальнейшем улучшить современные ограничения на <т,>.

Одним из перспективных методов исследования нейтрино низких энергий в экспериментах с солнечными, реакторными нейтрино, а также поиском 2P(0v) распада, является детектирование, основанное на использовании металлосодержащих жидких органических сцинтил-ляторов. Специфика нейтринных экспериментов, связанная с регистрацией редких событий, делает необходимым разработку крупномасштабных, низкофоновых и стабильных жидких сцинтилляционных детекторов. Для измерения спектра нейтрино и эффективной дискриминации фона, характеристики новых сцинтилляторов должны иметь хорошее энергетическое разрешение. Помимо этого, сцинтиллятор должен также удовлетворять возросшим требованиям пожарной и экологической безопасности.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является:

• разработка металлосодержащих (Yb, In) жидких органических сцинтилляторов для регистрации солнечных нейтрино и исследование их характеристик.

• разработка гадолиний-содержащего сцинтиллятора для нейтринных реакторных экспериментов (©13 ,Double Chooz и RENO) и исследование его стабильности.

• разработка Nd-содержащего органического сцинтиллятора для поиска безнейтринного двойного бета распада и исследование его характеристик.

Научная новизна

• Впервые разработан и исследован In-содержащий жидкий органический сцинтиллятор с высоким содержанием металла (5- 10%), отвечающий требованиям эксперимента для регистрации потока солнечных нейтрино.

у

• Исследованы источники фона, влияющие на регистрацию рр и Be нейтрино. Проведён анализ различных вариантов конструкций детектора.

• Впервые разработан и создан низкофоновый прототип индиевого детектора солнечных нейтрино.

• На прототипе In детектора исследованы оптические и фоновые характеристики сцинтиллятора.

• Разработан Gd-содержащий сцинтиллятор для реакторных экспериментов (Double Chooz). На двух счётчиках LVD (2.4 т. сцинтиллятора), в течение 2-х лет, продемонстрирована стабильность Gd-содержащего сцинтиллятора на основе уайтспирита.

• Впервые разработан Nd-содержащий жидкий органический сцинтиллятор для поиска 2(30v. Измерены его оптические и сцинтил-ляционные характеристики. Измерено содержание радиоактивных примесей в Nd, определено их допустимое содержание для достижения чувствительности эксперимента на современном уровне.

Практическая ценность работы

Разработанные в рамках проектов LENS (176Yb) и поиска 2p(0v) на изотопе 150Nd технологии очистки Yb от Lu и Nd от U(238)/Th(232) могут быть использованы в различных отраслях промышленности, связанных с применением сверхчистых веществ, в частности электронике, ядерной энергетике, оптике и т.д. Разработка стабильного гадолиний-содержащего сцинтиллятора находится в рамках программы создания системы контроля за работой ядерных реакторов.

Основные результаты, представленные к защите

1. Разработка сцинтилляторов на основе Yb/In содержащих жидких органических сцинтилляторов для регистрации солнечных нейтрино с высоким (вплоть до 10%) содержанием металла и измерение их характеристик.

2. Создание низкофоновой установки прототипа In детектора. Результаты измерений на прототипе детектора.

3. Исследование источников внутреннего фона Yb/In детекторов солнечных нейтрино.

4. Разработка нового Gd-coдержащего сцинтиллятора (проект Double Chooz) и исследование его характеристик.

5. Разработка новой модификации Gd-содержащего (Gd 0.1%) сцинтиллятора на основе уайтспирита. Исследование стабильности сцинтиллятора с помощью двух счётчиков LVD.

6. Разработка Nd-содержащего сцинтиллятора и измерение его характеристик.

7. Измерение содержания радиоактивных примесей и оценка фона Nd детектора.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и представлялись на следующих конференциях: Нейтрино-2004 (Париж, Франция), TAUP-2007, (Сендай, Япония), Нейтрино-2008 (Кристчёрч, Новая Зеландия), семинары ИЯИ РАН.

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 18 публикациях, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объём диссертационной работы. Работа состоит из введения, 4 глав и заключения. Объём составляет 158 страниц, включая 92 рисунка и 26 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 110 наименований.

Личный вклад диссертанта. Автор участвовал в разработке и создании экспериментальных установок для измерения характеристик детекторов на основе металлосодержащих (Yb,In,Gd,Nd) жидких органических сцинтилляторов. Автор участвовал в создании низкофонового прототипа In детектора для регистрации солнечных нейтрино. Автором выполнены исследования параметров сцинтилля-ционных (Yb,In,Gd,Nd) детекторов в зависимости от состава сцинтил-лятора. Автором выполнен расчёт чувствительности In детектора к рр-нейтрино в зависимости от энергетического разрешения сцинтил-лятора. При участии автора выполнены измерения содержания радиоактивных примесей в Yb, Gd, Nd, и разработана технология их очистки с целью создания жидких сцинтилляционных детекторов.

И. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении формулируется цель работы, обосновывается актуальность разработки металлосодержащих жидких органических сцинтилляционных детекторов для экспериментов с нейтрино низких энергий.

В первой главе рассматривается современное состояние нейтринной спектроскопии Солнца. Детектирование солнечных нейтрино даёт информацию о процессах, протекающих в центральных областях звезды, и позволяет проверить точность расчётов, выполненных по стандартной солнечной модели (ССМ). Даются описания установок и приводятся результаты измерений потоков нейтрино разных энергий. Показана важность фундаментальной проверки основной теории эволюции звёзд, путём измерения потока рр нейтрино с погрешностью < 2 %.

Результаты радиохимических и черенковских детекторов продемонстрировали дефицит солнечных нейтрино, вызванный MSW эффектом осцилляции. Последующие эксперименты SNO и KamLAND

установили параметры осцилляции ©п , , соответствующие

области больших углов смешивания (LMA): - 7-591о :о 10 5эЯ", tan2 2ви = 0.47 ^о os. Главным следствием варианта LMA-MSW является зависимость вероятности конверсии Рее от энергии нейтрино. В области < 1 МэВ величина Рее постоянная (~ 0.65) и определяется вакуумными осцилляциями. Малая неопределённость (0.5%) в предсказании потока рр нейтрино позволит значительно увеличить точность параметров осцилляции.

Обсуждается метод детектирования рр, 7Ве нейтрино с помощью реакции ve(Z,Z+l)e~, где в качестве мишеней рассматриваются 176Yb, 160Gd, 82Se, 115In (проект LENS). В табл.1 приведены характеристики этих изотопов и их продуктов реакции с нейтрино.

Табл.1. Изотопы, которые могут быть использованы, в качестве мишеней детекторов солнечных нейтрино низких энергий

Изотоп Т1/2 Сод ер. Продукт Реакции Q [кэВ] Е" [кэВ] Т 1/2

1151п (9/2+) 4.4-1014г 95.7% 1lbSn (7/2+) 114 116+498 3.26 мкс

176Yb (0+) Стаб. 12.7% l,tiLu(1+) 301 72 35 не

lbUGd (0+) Стаб. 21.9% lbuTb(1+) 244 75+64 6+60 не

B2Se (0*) 1•1020г 9.4% И2Вг (1+) 173 29 7 не

Открытие нейтринных осцилляций явилось экспериментальным подтверждением несовершенства стандартной модели электрослабых взаимодействий. На основании современных теоретических представлений предполагается, что собственные состояния нейтрино |ve>, |v|t>, |vT> являются линейными комбинациями массовых состояний. Смешивание массовых состояний может быть выражено через три угла смешивания ©12 , ©23, ©13 и фазовый множитель 5. Из измерений с солнечными и атмосферными нейтрино были вычислены углы смешивания ©i2 , ©23 , в то время, как величина ©i3 оказалась исключительно малой и был установлен только её предел Sin220u < 0.2 (Chooz). Следующее поколение осцилляционных экспериментов на реакторах (Double Chooz, RENO, Daya Bay) планирует достичь чувствительности Sin22©n < 0.03. Во всех этих экспериментах будут использованы детекторы на основе гадолиний-содержащих сцинтил-ляторов с массой более 10 тонн.

Всестороннее изучение свойств массивных нейтрино возможно только при проведении разных экспериментов, направленных на изучение, как нейтринных осцилляций, так и двойного бета распада. Ответы на вопросы, связанные с абсолютной массой нейтрино и её природы (майорановское или дираковское), могут быть получены из экспериментов по поиску безнейтринного двойного бета распада, 2ß(0v). Наиболее перспективными для 2ß(0v) экспериментов являются изотопы с большой энергией перехода. Кроме того, в этом случае реализуются более благоприятные фоновые условия от внешней естественной радиоактивности. Изотоп ISÜNd (Ерр = 3.368 МэВ) является одним из наиболее интересных кандидатов по поиску 2ß(0v) распада. Последний, наиболее точный результат на предел 2ß(0v) моды распада для ядра 1S0Nd , был получен в эксперименте NEMO-3:

Ту^ >1.8x1022лет В проекте SNO+, для поиска 2ß(0v), рассматривается возможность создания жидкого сцинтилляционного детектора массой 1000 тонн, содержащего растворённое соединение неодима.

Вторая глава посвящена разработке детекторов на основе Yb и 1п-содержащих жидких органических сцинтилляторов для регистрации солнечных нейтрино. Отдельный раздел главы посвящен Yb-содержащему сцинтилляционному детектору. Детектирование основано на реакции ve + 1 Yb —>1 6Lu + е".

Порог реакции 301 кэВ, позволяет регистрировать рр нейтрино от Солнца. Для идентификации нейтринных событий и подавления фона планируется использовать метод задержанных совпадений. Пространственное и временное совпадение сигналов от электрона, рождённого в результате реакции с ve, и задержанного на 50 не гамма кванта 72 кэВ, являются характерной особенностью реакции.

Для измерения световыхода Yb-содержащего сцинтиллятора, (а в дальнейшем и для In-, Gd-, Nd-) использовался источник 137Cs (Er 662 кэВ). Стеклянный бюкс, с пробой сцинтиллятора ~ 5 мл, с помощью оптической смазки Bicron 630 устанавливался на фотокатод ФЭУ, 3" (Philips ХР3462РВ). Сигнал с ФЭУ через предусилитель (ORTEC142) и атеньюатор (10 dB) поступал на спектрометрический усилитель (ORTEC672) и затем на вход платы АЦП, установленной в ПК. Набор и анализ амплитудного спектра осуществлялся с помощью программы Gamma Vision версия 6. Для вычисления относительного

9

световыхода металлосодержащих сцинтилляторов в качестве стандарта использовались ВС505, а также сцинтилляторы на основе псевдокумола (PC) с сцинтилляционными добавками РРО (1.5 г/л) или ВРО (4г/л). Световыход ВС505 ~ 80% относительно антрацена, РС(РРО-1.5 г/л) ~ 11200 фотон/МэВ. По результатам исследований с различными композициями Yb-содержащего сцинтиллятора был сформулирован состав, который в наилучшей степени удовлетворял требованиям жидкого сцинтилляционного детектора солнечных нейтрино. Основой сцинтиллятора являлся псевдокумол, в котором растворены карбоксилат иттербия (соль изовалериановой кислоты, IVA), стабилизирующая добавка (TiAPO) и активатор ВРО. На рис.1 для Yb сцинтиллятора (Yb 10%) приведены примеры спектров от гамма источников разной энергии.

1000 800 И 600 U 400 200 0

0 1000 2000 3000 500 1000 1500 2000

Channels Channels

Рис.1. Примеры спектров от гамма источников. Состав Yb-сцинтиллятора: Yb(IVA)3-3TiAPO в PC (Yb-10%, ВРО-4г/л)

Зависимость амплитуды импульса от энергии электрона в диапазоне [60 кэВ — 835 кэВ] для Yb-сцинтиллятора (10% Yb) изображена на рис. 2. Для построения графика были использованы пики от фото-

электронов 835 кэВ (Мп-54), 662 кэВ (Cs-137), 122 кэВ (Со-57), 60 кэВ (Аш-241) и максимальные энергии комптоновских электронов 639 кэВ(Мп-54), 477 кэВ (Cs-137).

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Е , keV

е

Рис.2. Зависимость между амплитудой импульса и энергией электрона для Yb-сцинтиллятора (10% Yb)

Из графика видно, что в пределах точности измерения (6 %) наблюдается линейная зависимость между энергией гамма кванта и амплитудой импульса в энергетическом диапазоне [60 кэВ - 835 кэВ].

Величина световыхода сцинтиллятора зависит от содержания растворённого Yb. Была исследована зависимость световыхода от концентрации Yb. Результаты измерений изображены на рис. 3. Для сцинтиллятора PC (ВРО-4 г/л), содержащего Yb(IVA)3x3TIAPO (Yb~10%) , величина световыхода составила ~ 30% относительно незагруженного иттербием РС(ВРО-4 г/л), что соответствует ~ 4000 фо-тон/МэВ

Измерение прозрачности (длины поглощения света, при которой её интенсивность уменьшается в е раз) всех образцов сцинтиллятора (Yb, In, Gd, Nd) проводилось на двух спектрофотометрах UV/VIS Perkin Elmer Lambda 18 и Cary 300 SCAN VARIAN. Двулучевые приборы позволяли сканировать свет в диапазоне длин волн от 185 до 900 нм. Измерения проводились в кварцевых кюветах, длиной от 1 см до 30 см. Измеренная на спектрофотометре прозрачность Yb(IVA)3-3TiAPO в PC (10% Yb), составила -2.5 м на длине 430 нм.

ЮС

80

г-

-о

> 60

.с

.5"

I 40

15

о

ос

20 0

0 2 4 6 8 10 12 14 Yb concentration, %

Рис.3. Зависимость световыхода РС(ВРО-4 r/л) от концентрации Yb

Был исследован внутренний фон Yb сцинтиллятора, связанный со случайными и коррелированными совпадениями. Показано, что секционирование позволяет эффективно подавить фон, вызванный случайными совпадениями от распада 14С. Присутствие примесей 235U, 176Lu, 169Yb в иттербии является основным источником коррелированных цепочек распада.

Долгоживущий изотоп I76Lu (3.6-1 01ü лет) содержится в природном лютеции на уровне 2.6%. Бета распад l76Lu (Ер 0.6 МэВ) на возбуждённый уровень 176Hf (т = 2 не) с последующим испусканием у = 88 кэВ будет имитировать нейтринные события. Чтобы вклад этого

Yb(IVA)*TiAPO in PC, (ВРО 4 g/1)

-I_L_

канала фона не превышал 10 %, концентрация лютеция в иттербии должна быть на уровне 10~15 г/г. В образцах оксида иттербия, выпускаемых промышленностью, концентрация Ьи колеблется от 1 ррт до 300 ррт.

Была разработана методика очистки УЬ от Ьи с помощью хромато-графического разделения на сорбционной колонке. Эффективность разделения была продемонстрирована с помощью радиоактивных изотопов 171Ьи (Тш = 8.2 дня) и 172Ьи(Тш = 6.7 дня), которые были получены на циклотроне (НИЯФ МГУ) при облучении мишени (-50 мг УЬ203) протонами Ер - 7 МэВ. Активность Ьи в пробах иттербия после разделительной колонки измерялась с помощью германиевого детектора НРСе объёмом 200 см . Результаты представлены на рис.4. По результатам измерений был определён фактор разделения УЪ и Ьи. Для случая, когда выход иттербия составляет 65%, фактор разделения равен 350.

[Lu], Бк-'мл [Yta], мг-мл

73 60' 50 40

за-

23130-

2CS 300 400 500 600 700 800 SOO

V, ил

Рис.4. Кривые распределения активности Lu и концентрации Yb в пробах после разделительной колонки

Отдельный раздел 2 главы описывает разработку 1п-содержащего сцинтилляционного детектора. Детектирование ve основано на реакции:

n5In + ve 115Sn*(613 кэВ) + е-115Sn + yi(1 16 кэВ) +уг(497 кэВ) 13

Низкий порог реакции (114 кэВ) и высокое содержание изотопа ш1п (95%) делают индиевый детектор наиболее перспективным для детектирования солнечных нейтрино низких энергий, \'рр, идущих по каналу заряженных токов.

Реакция уе + П51п имеет характерные особенности, которые позволяют подавить многие источники фона и идентифицировать нейтринные события. Кратко эти особенности могут быть представлены следующим образом:

1. электрон еГ от реакции с уе + 1151п (несёт информацию о энергии нейтрино)

2. временная задержка (т = 4.76 мкс) ш8п* (7/2+,612.8 кэВ)

3. переход 1158п*(7/2+—>3/2+, 497.3кэВ) с энерговыделением 116 кэВ (е"/у)2 , пространственно локализован с еГ

4. последующий одновременный переход на основной уровень п58п* (3/2+ —» 1/2+) с вылетом у3 (497 кэВ).

Для 1п сцинтиллятора, по сравнению с УЬ, удалось значительно (~ в 2 раза) увеличить световыход. Для состава на основе РС(ВРО-4 г/л), содержащего 10% 1п в виде растворённой соли карбоксилата 1п(2МУА), (2МУА-2 метилвалернановая кислота), световыход составил -7000 фотон/МэВ. Влияние концентрации растворённого 1п на световыход сцинтиллятора показано на рис.5. 1009590 * 85

* 75 ■с

I 70-

t 65

О

□ 60-| 5S-5045

а

—I

120

о го до so «о к III COIIC., g 1

Рис.5. Влияние концентрации растворённого индия на световыход сцинтиллятора. Сцинтиллятор - псевдокумол (ВРО - 4 г/л)

Зависимость амплитуды импульса от энергии в диапазоне 60 кэВ, 835 кэВ, была измерена с помощью калибровочных гамма источников 241 Ат, э7Со, 22Ыа, ШС5, 54Мп Спектры электронов от этих источников, показаны на рис.6.

лее до; ессс

403 :

1

£ 4

ИКС 4933 с-зсс

Рис.6 Спектры от источников з7Со, 241Ат, 22Ыа, '"Сэ, 54Мп для 1п сцинтиллятора на основе РС(1п -80 г/л, ВРО - 4 г/л)

Влияние концентрации 1п на прозрачность сцинтиллятора было исследовано с помощью спектрофотометра. Результаты измерений на длине волны 430 нм составили: 2.5 м (1п - 80 г/л), 2.9 м (1п -75 г/л) и 3.9 м (1п - 55 г/л).

Измерения, проведённые с помощью оптических кварцевых ячеек длиной 30 см и 100 см, позволили оптимизировать состав сцинтиллятора (концентрация 1п, концентрации активатора ВРО и шифтера Ыз-МБВ), а также оценить светосбор в условиях одномерной геометрии детектора. Схема ячейки с фотоумножителями (3" ХР3462РВ), установленными по торцам, изображена на рис.7. Источник в коллиматоре мог перемещаться вдоль длины ячейки и позволял измерять

количество собранного света в зависимости от места сцинтилля-ционной вспышки. Ячейка была обёрнута зеркальной отражающей плёнкой VM2000. Сигналы с двух ФЭУ усиливались с помощью двух быстрых усилителей (LeCroy 612АМ), а затем, в случае превышения порога дискриминатора (CAEN N224), поступали на вход АЦП (LeCroy ADC 2249W), где интегрировались в течение 100 не. Когда источник находился в середине ячейки, амплитудные характеристики сигналов с двух ФЭУ уравнивались.

100 cm

Ячейки, 5 см х ? с м ^ Сщштиллятор

L Источник Ч I > Коллиммтор {РЪ)

ФЭУ

Cs-137

Рис. 7. Схема оптической ячейки с In сцинтиллятором

Для трёх точек, соответствующих трём положениям источника относительно фотоумножителя: 30 см, 50 см (центр) и 70 см, был измерен спектр от гамма источников разной энергии. Линейная зависимость между энергией у кванта и амплитудой импульса изображена на рис.8. Положение края комптоновского спектра определялось с точностью ~ I % по результатам аппроксимации с использованием специальной программы. Для вычисления разрешения были использованы спектры, построенные для суммы зарядов с двух каналов АЦП.

Энергетическое разрешение было аппроксимировано выражением о(Е)=0.97+98.0*Е" '/з, где Е - энергия в кэВ. Для энергий 662 кэВ (Cs-137) и 120 кэВ (Со-57) энергетическое разрешение было равно ~ 5% и ~ 10% соответственно. Измеренные с помощью 1 м ячейки эффективные длины поглощения составили: РС(ВРО-4 г/л, bisMSB-15 мг/л) ~ 5 м , 1п сцинтиллятор (1п-55 г/л, ВРО-4 г/л, bisMSB-15 мг/л) ~ 1.5 м.

-800 &

700

<3

600

500

400

300

200

100

*эоигсе а!. -20 ст с зоигсе а( 0 ст дзоигсе а1 +20 ст

^/пЯЗ.В080Е+05/ 5 Р1 -26, ад

Р2 0.-1100

200 400 600 800 1000

1200 1400 1600 1800 АОС сЬ

Рис.8. Зависимость между энергией у кванта и каналом АЦП. У( сцинт.) - 2 л. Состав - Тп(2МУА) в РС. 1п - 55 г/л. ВРО-4 г/л, ЫбМБВ-15 мг/л

Отдельный раздел посвящен разработке и созданию прототипа индиевого детектора в подземной лаборатории Гран-Сассо на глубине 3800 м.в.э. Прототип представлял модуль, состоящий из 9 одинаковых кварцевых ячеек, расположенный внутри пассивной защиты. Эскиз одной ячейки в сборке с световодами и фотоумножителями (2" ЕТЬ9954В) по торцам, показан на рис.9.

ФЭУ

50 см

100 см

50 см

±

ФЭУ

1п сцинтиллятор световод

Рис.9. Эскиз ячейки, входящей в состав модуля

17

Герметичная трёхслойная пассивная защита (полиэтилен 20 см, железо 23 см, медь 15 см) обеспечивала замедление и поглощение нейтронов от окружающих горных пород, ослабление потока гамма квантов в ~106 раз (2.6 МэВ) и предотвращала проникновение внутрь 222Ш1.

о >

Ь

та.

Ъ

с

л о о

1/"\

"4J

Lu4iiagt

О SJO 400 SCO ЗОО !CC»iaD0 1«O)e0Oia03ÎSX»££C»&»(5Ei!OD

energy [keV]

Рис. 10. Спектр фона вне и внутри пассивной защиты прототипа In детектора

На рис.10 изображён спектр фона, набранный с помощью HPGe детектора (0.9 кг) вне и внутри пассивной защиты прототипа In детектора. Время набора статистики внутри защиты 525 часов.

Калибровка ячеек с сцинтиллятором проводилась с помощью двух капсулированных у источников, Cs и 232Th (208Т1). Источники вводились внутрь сцинтилляционного модуля через 4 специально установленные фторопластовые трубки. Источник 137Cs использовался для калибровки в области низких энергий, a 232Th для калибровки в высокоэнергетической области спектра, линия 2.6 МэВ (208Т1).

Первые измерения были проведены в условиях, когда все 9 ячеек были заполнены сцинтиллятором на основе фенилксилилэтана (РХЕ) с сцинтилляционными добавками р-Тр-2 г/л, bis-MSB-20 мг/л (без индия). Были измерены оптические и фоновые характеристики сцин-

тиллятора. По результатам сканирования 137Сэ вдоль ячейки (+УМ2000) эффективная прозрачность ячейки с РХЕ составила - 4.2 м. Вычисленное энергетическое и пространственное разрешение для энергии 477 кэВ составило (5.4 ± 0.2)% и ~ 3 см. Измерения были сделаны для расстояний: 10, 30, 50 и 70 см относительно ФЭУ.

В течении 22 дней был измерен фон в ячейках с РХЕ. Скорость счёта в ячейках, при пороге 35 кэВ, составляла 5-7 mBq/ ячейка. В области меньше 200 кэВ основным источником фона в сцинтилляторе является распад 14С. Для центральной ячейки модуля, с порогом 20 кэВ, фон в области [20 кэВ,200кэВ] составил (4.92±0.07) п^. Вычисленная по результатам измерении для этой ячеики концентрация С составила Л(14С/ 12С) = (12.6±0.4>10-18.

Затем 4 ячейки из 9 вместо РХЕ были заполнены индиевым сцинтиллятором. Две ячейки были залиты сцинтиллятором на основе карбоксилата 1п в РС(ВРО-4 г/л, ЫзМ8В-15 мг/л). Две другие — сцинтиллятором на основе ацетилацетоната 1п в анизоле и смеси анизол + РХЕ. Спектры, набранные при облучении ячеек 137Сз, изображены на рис. 11.

Рис.11. Комптоновские спектры электронов от источника 137Сб, измеренные в ячейках с сцинтилляторами: РХЕ; 1п(2МУА) (карбоксилат 1п); 1п-асас (ацетилацетонат 1п)

Измеренные характеристики сцинтилляторов в ячейках, входящих в состав модуля, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики 1п-содержащих сцинтилляторов в ячейках, входящих в состав модуля прототипа детектора

Ячейка # In Сцинт. In (конц.) г/л Растворитель Световыход, % (отнисительно РХЕ ) Эффекгивн. длина поглощения, м

2 In(acac) 48 Анизол -30 1.2

4 In(acac) 1 Анизол +РХЕ -70 2.8

6 ln(2MVA) 54 PC -70 1.7

8 ln(2MVA) 51 PC -70 1.2

Был измерен фон сцинтилляционных ячеек модуля прототипа детектора. В ячейках с индием, фон в области низких энергий связан с распадом 1151п. В течение 1 дня был набран бета спектр от распада и51п. В диапазоне энергий [0.7 МэВ, 4 МэВ] фон составил: In(2MVA) - 300 отс./кг день; In(acac) - 80 отс./кг день; РХЕ - 40 отс./кг день.

В течение 1 года измерялись характеристики РХЕ и 1п-содержащих сцинтилляторов и была продемонстрирована их стабильность. Для оценки стабильности использовался параметр R90/iü, представляющий собой отношение амплитуд сигналов для двух расстояний 90 см и 10 см между источником I37Cs и ФЭУ. Для ячеек с индием стабильность контролировалась также измерением бета спектра распада 1151п.

Расчёт, выполненный по методу Монте Карло, показал, что основная проблема дискриминации фоновых событий в секционированном детекторе, обусловлена внутренним тормозным излучением от распада 1151п. В случае применения "гибридной" конструкции детектора (светосбор 410 фэ/МэВ) можно получить отношение S/N ~1, при эффективности регистрации рр нейтрино 25.7%.

В третьей главе представлены результаты исследований, связанные с разработкой Gd-содержащего сцинтиллятора для реакторных осцилляционных экспериментов (©13, Double Chooz). Изучено влияние на характеристики сцинтиллятора (световыход и прозрачность) таких

факторов, как тип растворителя, формула соединения Gd, концентрации Gd, стабилизирующих добавок, активатора и сместителя спектра, а также совместимость с конструкционными материалами. Наилучшие результаты были получены для Gd (0.1%) сцинтилляторов на основе растворителей РС(20%)-Додекан(80%) и РХЕ(20%)-Додекан(80%). Прозрачность ~ 15 м (420 нм), световыход - 95% относительно сцинтиллятора без Gd. Стабильность характеристик была продемонстрирована периодическим измерением проб сцинтиллятора в течение ~ 1000 дней (лаборатория Гран-Сассо) и ~ 400 дней (лаборатория Saclay), рис.12.

С помощью ICP-MS измерено содержание радиоактивных примесей 238U, 232Th в гадолинии: 238U - 7.6 ppb, 232Th - 4.4 ppb. Разработанный метод очистки позволил уменьшить концентрации U, Th до: 238U < 2.4-10"13 г/г , 232Th - 8.7-10"13 г/г (измерения с помощью HPGe детектора), что соответствует фону на уровне 1 % от нейтринного сигнала. 100

90 80 70 | 60

| 40 Ь-

30' 20 10

$00 400 500 600 700 800

л ¡rim)

Рис.12. Измерение стабильности Gd сцинтиллятора на основе РХЕ(20%)-Додекан(80%), ВРО-2 г/л, Gd(0.1%). Тестовые испытания в Сакле (Saclay)

На базе двух счётчиков LVD (масса сцинтиллятора в одном счётчике - 1.2 тонны) исследована возможность создания стабильного

□¿-содержащего детектора для мониторирования работы ядерных реакторов. Для двух счётчиков Т40 и Т3131, с помощью источника 252СТ были измерены эффективность регистрации (т|) и время захвата (х) нейтронов.

о«в С! шита И450 1

® г.............................................................................................. 14-50 - & » >': > Я : ^<N30 ¡1 ; 1 яйкм Ш!»! Иях-г \ даш ът \

300; ;г

250 Щ :■}! I.

200: Г Н :

(50 ЦД: |

100:. Г

■ Ь ■ ■ '' ■ \ . - * V ' И

°Т.......а............4..........Ъ............8..........Те..........5....."1л

ь | тщ

Рис.13. Спектр у квантов от захвата нейтронов в Ос1- сцинтилляторе (Т-40). Источник 252Cf

На рисунках 13,14 для одного из баков (Т-40) приведены спектры гамма квантов от захвата нейтронов и времени захвата нейтронов, полученные с помощью нейтронного источника Ь2С1'.

сттш ажамг { Шрв -алмш

to-

Ws

w т

Рис.14. Спектр времени захвата нейтрона в Gd-сцинтилляторе (Т-40). Источник b2Cf

Для счётчика Т40: ц - (92.0 ± 0.7) %, х - (25.0 ± 1.0) мкс; ТЗ13!: г] -(88.7 ± 0.9) %, х - (27.6 ± 0.8) мкс. Стабильность характеристик двух счётчиков периодически контролировалась в течение ~ 2 лет. Эффективность регистрации и время захвата нейтронов оставались постоянными с погрешностью 4%. Величина световыхода в течение первого месяца наблюдения, уменьшилась на 25% (счётчик Т40) и на 15% (счётчик Т3131). В дальнейшем эти значения не менялись. Измерения прозрачности сцинтиллятора на спектрофотометре в 10 см кювете показали, что для счётчика Т3131 не наблюдается уменьшения прозрачности (на длине волны 415 нм), в то время как для счётчика Т40 в течение первых 150 дней наблюдалось небольшое падение (на уровне ~ 2%).

Четвёртая глава посвящена результатам исследований неодим-содержащего жидкого органического сцинтиллятора, предназначенного для поиска 2P(0v).

Отдельный раздел посвящен влиянию концентрации Nd, его чистоты, а также типу и количеству сцинтилляционных добавок (активатор, шифтер) на характеристики (световыход, прозрачность) сцинтиллятора. Определён состав сцинтиллятора на основе РС(РРО-1.5 г/л,

bisMSB-30 мг/л), который при концентрации Nd- 6.5 г/л, имеет световыход ~ 9500 фотон/МэВ. Приводятся результаты измерений времени высвечивания сцинтиллятора РС(РРО-1.5 г/л) с неодимом (10 г/л), полученные с помощью флуоресцентного спектрометра (Edinburgh Instruments 199S) в режиме единичного счёта фотонов и в условиях, когда оптическая длина d = 0 (так называемая FF геометрия). Время высвечивания составило т =3.6 не.

С помощью квадратной кварцевой ячейки 5 см х 5 см х 100 см была измерена эффективная прозрачность сцинтилляторов РС(РРО-1.5 г/л) и РС(РРО-1.5 г/л, bis-MSB - 30 мг/л) с Nd (6.5 г/л). Для

137

измерений был использован источник Cs (100 KBq) в свинцовом коллиматоре с диаметром отверстия 5 мм. Источник перемещался вдоль длины ячейки с шагом ~ 10 см. Фотоумножители (3" Philips ХР3462), установленные по торцам ячейки, регистрировали сцинтилляционную вспышку. Анодные сигналы с ФЭУ поступали на усилитель PS777 (К 0-^-50), а затем на разветвитель PS740. Откуда, задержанные на ~ 200 не, подавалась на два входа АЦП (LeCroy 2249А). Другая часть после разветвителя использовалась для формирования временного окна 100 не. Вычисленная на основании этих измерений эффективная прозрачность Nd-сцинтиллятора составила 210 ± 10 см. На рис.15 изображены кривые, отражающие количество собранного света в зависимости от положения источника 13 Cs.

Отдельный раздел главы посвящён анализу внутреннего фона Nd-сцинтиллятора. Энергия рр распада l50Nd - 3.37 МэВ, и поэтому основной источник фона связан с p-распадом 208Т1 (Emax ~ 5 МэВ, т = 3.1 мин). С помощью HPGe детектора и ICP-MS измерено содержание радиоактивных примесей в различных образцах коммерческого оксида неодима. Результат измерений (HPGe) одного из образцов неодима показан в таблице 3. Полученный результат согласуется с данными ICP-MS анализа.

Таблица 3. Содержание радиоактивных примесей в оксиде неодима. ТТР-Ое детектор. Масса оксида неодима 50.2 г. Время измерения 37.3 дня

--'■н.м Pa "'K

ppli PPb ррь ppb PPb PPb ml>'t I: iiiBq/kg

6.(Ш ,8 8,5 ±1.1 0,ii9±0.23 <22 <9.3 <9.1 9.7±'j.7

Чтобы фон от распада 208Т1 в области 3.37 МэВ составлял ~ 10 событий в год, допустимая концентрация 232ТЬ в неодиме должна быть <10 рр!;. Ожидаемый эффект от распада РР(Оу) для варианта <т№> = 100 мэВ и использования неодима с 60% обогащением по составляет ~ 30 событий в год.

В и

"!......... I—..........I...............I"

Л^15е^=210 ± 10 ст

I. 11

1 -1" Г Т

ь

и Н |г

0.2

1111 !|Л11Л-Д11!11.Л.1. 11.11.1.1../.!.;..!. л±1.11 I I 11л

" 8 и Я) 3» ■» 55 ¡.0 (0 59 I»

<ИгошРМ2 (ст)

Рис.15. Количество собранного света в зависимости от положения источника Ь7Сз вдоль ячейки с Ш-сцинтиллятором

С помощью установки СЛТ(Вогехто) были проведены фоновые измерения И(1-сцинтиллятора (V ~ 400 мл) и измерено содержание радиоактивных примесей. Измерялся уровень фона в области 2.6 МэВ (± За) вокруг ампулы с сцинтиллятором в радиусе 40 см. Измерения показали, что концентрация ТЬ в Ш-сцинтилляторе меньше 1 ррЬ ( при содержании 1 ррЬ ТЬ скорость счёта - 0.33 события/день).

Был исследован фон, связанный с 20(2у) модой распада 150Ш. Конечное энергетическое разрешение сцинтиллятора и относительно высокая скорость 2(](2у) распада делают этот канал фона исключи-

тельно опасным. Была сделана оценка энергетического разрешения сферической конструкции детектора, содержащего 12 тонн Nd-содер-жащего сцинтиллятора. В случае использовании ФЭУ типа Hamamatsu R6233 (Q.E 0.34) с коэффициентом покрытия 0.8 и сцинтиллятора на основе РС(РРО-1.5 г/л, bis-MSB-ЗО мг/л), Nd-6.5 г/л, со световыходом 10000 фотон/МэВ и прозрачностью 2.1 м энергетическое разрешение FWHM может составить 3.5%. Ожидаемый фон, вызванный 2ß(2v) распадом, был оценён по формуле.

rp2v

7QA Т

где Q - энергия ( 3.367 МэВ), А - разрешение (3.5%), T2v - период полураспада 150Nd (8-Ю18 лет).

Для <mv> = 100 мэВ отношение сигнала к фону S/N = 23; для <mv> = 50 мэВ S/N = 5.7. В таблице 4, для детектора с 12 тонн сцинтиллятора (Nd-6.5 г/л, 60% изотопное обогащение по

15üNd) и

разрешением 3.5% для случая mv=l00(50) мэВ, представлены ожидаемый эффект SC4' от 2ß(0v) распада и вклад различных источников фона.

Таблица 4. Ожидаемое число событий от 2ß(0v) распада и различных фоновых каналов (lc, Qpß). Сцинтиллятор, масса 12 тонн, (Nd-6.5 г/л), 60% обогащение по

150Nd . Разрешение детектора 3.5%.

Концентрация Th в неодиме — 1 ppt

М (Nd) M(Ndl50) tnv S0v s2v »bv 208л S/Vb

Кг кг мэВ соб/г соб/г соб/г соб/г

92 55 100 23 1.0 0.3 10.6 6.6

92 55 50 5.7 1.0 0.3 10.6 1.7

Предел на период полураспада, который может быть получен после 5 лет измерений, был вычислен по формуле:

1/2 А-па V В-А

7]%(т ЗЛО25 лет

В заключении сформулированы следующие результаты

работы:

1. Для регистрации солнечных нейтрино низких энергий (рр, 7Ве) разработаны Yb- и In- содержащие жидкие органические сцинтилляторы на основе соединений Yb(IVA)3 и In(2MVA)3 в PC, с содержанием металла вплоть до 10%. Технология получения позволила достичь стабильных характеристик (более 1 года) сцинтиллятора.

2. Измерено влияние концентраций Yb и In на оптические характеристики сцинтиллятора. Для концентрации (10%) металла характеристики сцинтиллятора составили:

Световыход-

• Yb-сцинтиллятор (10% Yb) ~ 4000 фотон/МэВ.

• 1п-сцинтиллятор (10% In) ~ 7000 фотон/МэВ.

Прозрачность (без сцинтилляционных добавок) -

• Yb-сцинтиллятор (10% Yb) ~ 2.5 м (430 нм)

• 1п-сцинтиллятор (10% In) ~ 2.2 м (430 нм)

3. Исследован фон Yb детектора. Разработана методика очистки иттербия от 176Lu до неооходимого уровня концентрации, 10"15 г/г Lu.

4. На модуле с кварцевой ячейкой, 5x5 хЮО см3; с помощью источника 137Cs измерены характеристики In-сцинтиллятора. Для ячейки с PC (In-55 г/л, ВРО-4 г/л, bisMSB- 30 мг/л) энергетическое и пространственное разрешения составили: аЕ (477 кэВ) = 6.5% и ох(477кэВ) = 4 см. Полученные характеристики удовлетворяют требованиям, необходимым для создания полномасштабного детектора солнечных нейтрино.

5. Впервые разработан и создан низкофоновый прототип индиевого детектора (сборка из 9 кварцевых ячеек, заполненных сцинтилля-тором) солнечных нейтрино, на котором были измерены:

• Бета спектр распада 1151п

• Фон в области 0.7МэВ-4.0МэВ

6. В рамках проекта Double Chooz разработан новый сцинтиллятор на основе смеси РХЕ(20%)-додекан(80%) с добавкой Gd (0.1%) для измерения 0j3 в эксперименте с реакторными антинейтрино. Были

измерены характеристики сцинтиллятора и показана долговременная (-400 дней) стабильность его свойств.

7. Разработаны две модификации Gd-содержащего сцинтиллятора (Gd 0.1%) на основе уайтспирита. В течение 2-х лет, на двух счётчиках LVD (М 2.4 т), продемонстрирована стабильность их оптических характеристик. С помощью нейтронного источника 252Cf измерены эффективность регистрации и время захвата нейтронов.

8. Для поиска 2P(0v) распада на изотопе 150Nd разработан неодим-содержащий жидкий органический сцинтиллятор (Nd(2MVA) в PC) и измерены его характеристики.

137

9. На модуле с ячейкой длиной 1 м, с помощью источника Cs, измерены оптические характеристики сцинтилляторов РС(РРО-1.5 г/л) и PC(Nd-0.65%, РРО-1.5 r/n,bisMSB-30 мг/л). Определена эффективная прозрачность Nd-сцинтиллятора -2.1 м.

10. Измерено содержание радиоактивных примесей 218U, 232Th в неодиме (ICP-MS). Сделана оценка внутреннего фона Nd-сцинтил-лятора и показана возможность достижения предела Т1/2 = 1.3-1025 лет для 2(3(Ov), в случае создания 12 т сцинтилляционного детектора.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. I.R.Barabanov, .., E.A.Yanovich et al., Rare-earth loaded liquid scintillator (for LENS experiment), Preprint INR-1037/2000.

2. E.A.Chuveleva, .., E.A.Yanovich et al.," LENS: Purification of Ytterbium from Lutetium by sorption chromatographic technique", Preprint INR RAS 1042/2000.

3. I.R.Barabanov, L.BJBezrukov, .., E.A.Yanovich et al.. Possibility of Yb-loaded scintillation detector with one volume for registration of the solar neutrino. Preprint INR-1091/2002

4. Данилов H.A., Барабанов И.Р., Безруков Л.Б., Янович Е.А и др., Сцинтилляторы для детектирования солнечных нейтрино на основе соединений хлорида иттербия с нейтральными фосфороргани-

ческими экстрагентами (для эксперимента LENS - спектроскопия низкоэнергетических нейтрино). Радиохимия, 2003, Т45, №2, с.128.

5. C.Cattadori, C.Salvo,.., E.A.Yanovich et al., A novel formulation for an indium loaded organic liquid scintillator based on indium extraction by C6-C8 carboxilic acids. Preprint LNGS/EXP-06/04-September 2004.

6. C.Cattadori,C.Salvo, E.A.Yanovich et al., Formulation of an indium loaded liquid scintillator by means of indium extraction in trimethyl-benzene by C3-C5 carboxylic acids and NOPS. Preprint LNGS/EXP-07/04-September 2004.

7. I.Barabanov, L.Bezrukov, V.Gurentsov,V.Kornoukhov, E.Yanovich Search for antineutrino-neutrino transitions in reactor antineutrino flux witli Indium detector. Preprint INR-1155/2005

8. C.Buck, I.Barabanov, O.Besida, L.Bezrukov, E.Yanovich et al., Development of In-loaded liquid scintillators for solar neutrino detectors. Nuclear Physics В (Proc.Suppl.)143 (2005) 487.

9. I.Barabanov, O.Besida, C.Buck, C.M.Cattadori, E.Yanovich et al., Results of the LENS pilot experiment at Gran Sasso. Nuclear Physics В (Proc.Suppl.) 143 (2005) 559.

10. Барабанов И.Р, Безруков Л.Б, Данилов H.A, Янович E.A и др., "Экстракционные методы в процессах создания жидких Gd-содержащих сцинтилляторов для детектирования низкоэнергетических антинейтрино. 1 .Исследование экстракции гадолиния кар-боновыми кислотами", "Радиохимия", т. 49, вып 3 (2007)

11. И.Р. Барабанов, Безруков Л.Б., .., Янович Е.А и др., "Экстракционный метод в процессах изготовленииндийсодержащих жидких органических сцинтилляторов для детектирования солнечных нейтрино (для эксперимента LENS - спектроскопия низкоэнергетических нейтрино)",Радиохимия, 50 (2008) 236-24

12. I.Barabanov, L.Bezrukov, C.Cattadori, E.Yanovich et al., Nd loaded liquid scintillator to search for 150Nd neutrinoless double beta decay. Journal of Physics: Conference Series 136(2008) 042088.

13.I.R.Barabanov,L.B.Bezrukov,C.Cattadori, E.A.Yanovich, et al., Updated results from the 3-ton Gd loaded liquid scintillator target after 2 years of data taking at LNGS. J.Pliys.Conf.Ser. 120:052035, 2008.

14. И. P. Барабанов, H. А. Данилов, E. А. Янович, и др., "Экстракционные методы в процессах создания жидких органических Gd-содержащих сцинтилляторов для детектирования антинейтрино. 2. Сцинтилляторы на основе растворов 2-метилвалериата гадолиния" Радиохимия, 2009, т. 51, N 3, с. 239-246

15.И.Р.Барабанов, Г.Я Новикова, В.В.Синев, Е.А.Янович. "Исследование природных потоков нейтрино при помощи сцинтилляцион-ного детектора большого объема на Баксане", препринт ИЯИ РАН, 1228/2009, июнь 2009.

16.I.Barabanov, L.Bezrukov, C.Cattadori, E.Yanovich et al., Characterization of a Nd-loaded organic scintillator for neutrinoless double beta decay search of 150Nd with a 10-ton scale detector. arXiv: 0909.2152vl[physics.ins-det] 11 sep.2009.

17. И.Р. Барабанов, Л.Б. Безруков, E.A. Янович и др., Индий-содержащий жидкий органический сцшггиллятор для регистрации потока солнечных нейтрино. ПТЭ, 2010, №4, с.1-7.

18. I.R.Barabanov, L.B.Bezrukov, С.М. Cattadori, E.A.Yanovich et al. Performances and stability of a 2.4 ton Gd organic liquid scintillator target for vt detection // Journal of Instrumentation, 2010, 5, P04001.

Ф-т 60x84/16 УЧ.-изд.л. 1,1 Зак. № 22081 Тираж 100 экз.

Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

Выводы. п

1. Для регистрации солнечных нейтрино низких энергий (рр, Be), проект LENS, разработаны Yb- и In- содержащие жидкие органические сцинтилляторы на основе соединений УЬ(1УА)з и 1п(2МУА)з в РС, с содержанием металла вплоть до 10%. Технология получения позволила достичь стабильных характеристик (более 1 года) сцинтиллятора.

2. Измерено влияние концентраций УЬ и 1п на оптические характеристики сцинтиллятора. Для концентрации 10% металла характеристики сцинтиллятора составили: световыход

• УЬ-сцинтиллятор (10% УЬ): световыход ~ 4000 фотон/МэВ.

• 1п-сцинтиллятор (10 % 1п): световыход ~ 7000 фотон/МэВ. прозрачность (без сцинтилляционных добавок)

• УЬ-сцинтиллятор (10% УЬ): ~ 2.5 м (430 нм).

• 1п-сцинтиллятор (10 % 1п): ~ 2.2 м (430 нм).

3. Исследован фон УЬ детектора нейтрино. Продемонстрирована возможность очистки до необходимого уровня (10"15 г/г) от наиболее опасной примеси Ьи-176, которая может полностью имитировать нейтринный сигнал.

4. На модуле с кварцевой ячейкой 5 х 5 х 100см3 с помощью источника 137Сз измерены характеристики 1п-сцинтиллятора. Для ячейки с РС(1п-55 г/л, ВРО-4 г/л, ЫбМБВ-ЗО мг/л) энергетическое и пространственное разрешения составили: аЕ(477 кэВ) = 6.5% ах(477 кэВ) = 4 см. Полученные характеристики удовлетворяют требованиям, необходимым для создания полномасштабного детектора солнечных нейтрино.

5. Разработан и создан низкофоновый прототип 1п детектора солнечных нейтрино (сборка из 9 кварцевых ячеек, заполненных сцинтиллятором) в подземном помещении Гран Сассо. Используемая пассивная защита детектора обеспечила —106 кратное подавление от окружаещего гамма фона.

6. На прототипе 1п детектора были измерены:

• Фон сцинтилляционных ячеек, заполненных сцинтиллятором РХЕ (р-Тр 2 г/л, ЫбМБВ 20 мг/л). Средняя скорость счёта (Е> 35 кэВ) ~ 3x10"3 расп/сек кг.

• Концентрация 14С/ 12С в РХЕ. R(14C/ 12С) ~ 12.6 ± 10"18

• Сцинтилляционные характеристики In ячеек. Световыход In(IVA) ~ 500 фэ/МэВ, In(acac) ~ 220 фэ/МэВ. Эффективная прозрачность ~ 1.5 м.

• Бета спектр от распада In-115.

• Фон в In ячейках в области ( 0.7 МэВ - 4.0 МэВ): ~ 300 расп/день кг In(2IVA), ~ 80 расп./день кг In(acac), ~ 40 расп./день кг РХЕ.

• Стабильность In сцинтиллятора (4 месяца).

7. В рамках проекта Double Chooz разработан новый сцинтиллятор на основе смеси РХЕ(20%)-додекан(80%) с добавкой Gd(0.1%) для измерения ©i3 в эксперименте с реакторными антинейтрино. Были измерены характеристики сцинтиллятора и продемонстрирована их стабильность в течение ~ 400 дней.

8. Разработаны две модификации Gd-содержащего сцинтиллятора (Gd 0.1%) на основе уайтспирита. В течение 2-х лет на двух счётчиках LVD (общая масса 2.4 тонн) продемонстрирована стабильность их оптических характеристик. С помощью нейтронного источника Cf-252 измерены эффективность регистрации (96%) и время захвата нейтрона (28 не).

9. Для поиска 20(Ov) распада на изотопе 150Nd разработан неодим-содержащий жидкий органический сцинтиллятор на основе PC (неодим в виде соединения Nd(2MVA)) и измерены его характеристики.

10. На модуле с ячейкой длиной 1 метр с помощью источника 137Cs измерены оптические характеристики сцинтилляторов РС(РРО-1.5 г/л) и PC(Nd-0.65%, РРО-1.5 г/л, bisMSB-30 мг/л). Вычислена эффективная прозрачность Nd-сцинтиллятора -2.1м.

11. Измерено содержание радиоактивных примесей U-238, Th-232 в неодиме (ICP-MS). Сделана оценка внутреннего фона Nd-сцинтиллятора. Показан ожидаемый эффект для mv=100 мэВ в случае создания 12 т. сцинтилляционного детектора.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность своему научному руководителю Л.Б.Безрукову за внимание, поддержку и помощь в работе, И.Р.Барабанову за постоянное большое внимание и плодотворное многолетнее сотрудничество, О.Г.Ряжской за многие ценные советы, замечания и поддержку. Я признателен ближайшим коллегам, сотрудникам отдела ЛВЭНА Абдурашитову Д.Н., Веретёнкину Е.П., Гуренцову В.И., Мальгину A.C., Новиковой Г .Я., Петухову

B.В., Петрову Е.П., Янцу В.Э. за дискуссии, советы и помощь, сотрудникам института Физической химии РАН Данилову H.A., Крылову

Ю.С., за многолетнее сотрудничество в исследованиях металлосодержащих жидких органических сцинтилляторов,

В.С.Березинскому, К.Катадори (C.Cattadori), Р.Рагавану (R.Raghavan),

C.Шонерту (S.Schonert), В.Фульджиони (W.Fulgione), А.Яни (A.Ianni), О.Смирнову и всем коллегам итальянской и немецкой групп коллабораций LENS, MetaLS за сотрудничество в области исследований метода регистрацации нейтрино с помощью металлосодержащих жидких органических сцинтилляторов.

1. Yao W М et al. (Particle Data Group) 2006 J.Phys.G33,l

2. Kraus Ch, Bornschein В, Bornschein L, Bonn J, Flatt B, Kovalik A, Ostrick В, Otten E W, Schall J P,Thümmler Th, Weinheimer С 2005 Eur. Phys. J. С 40, 447.

3. Lobashev V. M. et al. 1999 Phys. Lett. В 460 227

4. L. Wolfenstein, Phys. Rev. D 17 (1978) 2369

5. СЛ. Михеев, А.Ю. Смирнов, Ядерная Физика 42(1985) 1441

6. J.N. Bahcall, М.Н. Pinsonneaut, S. Basu, Astrophys.Journ. 555 (2001) 990

7. R. Davis, D.S. Harmer, K.C. Hoffman, Phys. Rev. Lett. 20(1968) 1205

8. B.T. Cleveland, T.Daily, R.Davis, Jr., J.R. Distel, K.Lande, C.K.Lee, P.S. Wildenhain and J. Ullman, Astrophys. J. 496 (1998) 505

9. J.N.Bahcall, M.H.Pinsonneaut, S.Basu, J. Christensen-Dalsgaard, Phys. Rev. Lett, 78 (1997) 171

10. GALLEX Collaboration, Phys.Lett. В 447(1999) 127

11. GNO Collaboration, Phys.Lett. В 490 (2000) 16

12. SAGE Collaboration, Nucl.Phys.B (Proc.Suppl.) 118 (2003) 3946

13. Kamiokande Collaboration, Phys.Rev.Lett. 77 (1996) 1683

14. Super-Kamiokande Collaboration, Phys.Rev.Lett. 86 (2001) 5651

15. Super-Kamiokande Collaboration, Phys.Rev.Lett. 85 (2000) 3999

16. SNO Collaboration Nucl.Phys.B (Proc. Suppl.) 118 (2003) 3-14.

17. B. Aharmim et al. Phys. Rev. С 75, 045502 (2007)

18. BOREXINO Collaboration, Astroparticle Physics, 16 (2002) 205-234

19. BOREXINO Collaboration, Phys.Rev.Lett. 101 (2008) 091302

20. M.H.Ahn et al. (K2K), Phys.Rev. D 74, 072003 (2006) ; K.Abe et al. (Super-Kamiorande), Phys.Rev.Lett. 97, 171801 (2006).

21. P. Adamson et al. (MINOS), Phys. Rev. Lett. 101, 131802 (2008).

22. K.Abe (for the XMASS Collaboration) 2008 J.Phys.: Conf.Ser. 120 042022

23. M.G.Boulay, A.Hime, J.Lidgard, arXiv: nucl.ex/0410025vl

24. Y.H.Huang, R.E.Lanou et al., Astropart.Phys., 30, 1-11 (2008)

25. R.S.Raghavan, Phys.Rev.Lett. 37 (1976) 259

26. R.S.Raghavan, Phys.Rev.Lett. 78 (1997) 3618

27. LENS Collaboration: Letter of Intent to the LNGS (01/1999)

28. MOON Collaboration, Phys.Rev.Lett. 85 (2000) 2917

29. KamLAND Collaboration, Phys.Rev.Lett. 90 (2003) 021802

30. M.Fujiwara et al., Phys. Rev. Lett., 85 (2000), 4442

31. M.Bhattacharya et al., Phys.Rev.Lett., 85 (2000), 4446

32. Dapnia CEA/Saclay LENS group (M. Cribier et al.), LENS internal report

33. J. Rappaport et al., Phys.Rev.Lett., 54 (1985), 2325

34. F. Reines, C.L. Cowan Jr., Phys. Rev. 113, (1959) 852

35. F.Reines, C.L. Cowan Jr., Phys. Rev. 92, (1953) 830.

36. B. Achkar et al., Nucl.Phys. B424, 503 (1995)

37. CHOOZ-Collaboration, Phys.Lett. B 466 (1999) 415-430.

38. PALO VERDE-Collaboration, Phys.Rev. D 64 (2001) 112001.

39. KamLAND-Collaboration, Phys.Rev.Lett. 90 (2003) 021802.

40. M Apollonio et al. Eur. Phys. J. C27, 331 (2003)

41. F.Ardellier et al., Double Chooz proposal, arXiv: hep-ex/0606025v4.

42. Day Bay proposal, arXiv: hep-ex/0701029vl

43. RENO proposal, arXiv: hep-ex/1003.139lvl

44. L.A.Mikaelian, Proc. Int. Conference Neutrino-77, v. 2, p. 383.

45. Yu. V. Klimov, et al., Atomic Energy, 76 (1994) 123

46. Y. Declais, et. al., Nucl. Phys. B434 (1995) 503

47. B.chheb http://www.apc.univ-paris7.fr/AAP2007/Talks/Sinev.ppt

48. N. S. Bowden, et al., Nucl. Instr. and Meth. A. 572 (2007) 985

49. A. G. Piepke, et al., Nucl. Instr. and Meth. A. 432 (1999) 392

50. A. Bernstein, et. al., J. Appl. Phys. 103 (2008) 074905

51. A. Porta, et. al., "Reactor antineutrino detection for thermal power measurement and non-proliferation purposes" in Proc. Int. Conf. Physics of Reactors: "Nuclear Power: A Sustainable Resource" (2008)

52. J. C. Anjos, et al., Nucl. Phys. Proc. Suppl. 155 (2006) 231

53. F. Suekane, http://www.apc.univ-paris7.fr/AAP2007/Talks/Suekane.pdf

54. K. Zuber, arXiv:nucl-ex/0004010vl 28 Apr 2000

55. M.J. Hwang, Y .J. Kwon et al Development of tin-loaded liquid scintillator for the double beta decay experiment. NIM A570(2007) 454-458

56. F. Piquemal, Phys. Atom. Nucl. 69, 2096 (2006).

57. K. Zuber, AIP Conf. Proc. 942, 101 (2007).

58. R. Arnold et al., Nucl. Instrum. Methods A 536, 79, (2005).

59. A. Huffman. Nuclear matrix elements in the double beta decay 130Te —>130Xe. Phys. Rev., C2:742, 1970.

60. V. A. Rodin et al. Assessment of uncertainties in QRPA Ovßß-decay nuclear matrix elements. Nucl. Phys., A766:107, 2006.

61. J. Argyriades et al., hep-ex/0810.0248

62. A.S.Barabash. arXiv:0908.4173vl

63. Y. Shitov. SuperNEMO: A next generation project to search for neutrinoless double beta decay. arXiv:nucl-ex/0807.3078, 2008.

64. M.C. Chen, SNO+ coll., 34th Conference on High Energy Physics, Philadelphia, 2008.; M. Chen. The SNO liquid scintillator project. Nucl. Phys. B, (Proc. Supp.), S154:65, 2005.

65. Proc. IV Solar Neutrino Conf. Heidelberg, Ed. W. Hampel, p.248 (1997)

66. G.V.Korpusov, ISEC'88, Moscow, July 18-24, 1988, Proceedings the Conf. Vol.III, Moscow,Nauka, 1988,120-126.

67. G.V.Korpusov, Y.S.Krylov, N.A.Danilov, N.K.Evseeva, ISEC'88, Moscow, July 18-24, 1988, Proceedings the Conf. Vol.III, Moscow,Nauka, 1988, 191-194.

68. V.Korpusov, Y.S.Krylov, N.A.Danilov, N.K.Evseeva, ISEC'74, Lyon, France, September,8-14,1974, Proceedings of the Conf. Vol.II, London, Society of chemical industry, 1974,1109-1128

69. Данилов H.A., Крылов Ю.С., Корпусов Г .В., Костикова Г.В., Барабанов И.Р., Безруков Л.Б., Корноухов В.Н., Нестерова Н.П., Янович Е.А., Якшин В.В., Царенко Н.А.Катадори К., Феррари Н., Фальджани А. Радиохимия, 2003, Т45, №2, с.128.

70. R.Barabanov, V.I.Beresnev, V.N.Kornoukhov, E.A.Yanovich, О.Т.2а18ер1п,У.У.Уак8Ып,К.А.Ват1оу,О.У.Кофи80У,О.У.Ко8йкоуа,У.8.ЬСгу1оу, preprint Rare-earth loaded liquid scintillator (for LENS experiment)

71. G.Dietze and Klein, Gamma-calibration of NE 213 scintillation counters, NIM 193 (1982) 549-556

72. G.Alimonti et al., Astrop. Phys., 8, 141 (1998) ; G.Alimonti et al., Nucl. Instr. Meth. A 406 (1998), 411 ; G.Alimonti et al., Phys.Lett. В, 422 (1998), 349

73. M. Cribier, LENS Internal note, 2001

74. R.Barabanov, E.A.Chuveleva, L.A. Firsova, V.M. Gelis, V.I.Gurentsov, V.N. Kornoukhov, E.A.Kozlitin, E.A.Yanovich " LENS: Purification of Ytterbium from Lutetium by sorption chromatographic technique", Preprint INR RAS 1042/2000.

75. Raghavan R. // preprint. 2001. arXiv: hep-ep/0106054

76. Pfeiffer L., Mills A.P., Raghavan R., et al. // Phys. Rev. Lett. 1978.V.41.P. 63.

77. Payne A.G.D., Booth N.E. //Nucl. Instr. and Meth. 1990. V. A228. P. 632.

78. Suzuki Y., Inoue K., Nagashima Y. et al. // Nucl. Instr. and Meth. 1990. V. A293. P. 615

79. Cattadori C., Salvo C., di Vacri A., N.Danilov et al. //preprint. 2004. LNGS/EXP-06/04.

80. Cattadori C., Salvo C., di Vacri A., N.Danilov et al.//preprint. 2004. LNGS/EXP-07/04.

81. Данилов H.A., Крылов Ю. С., Цивадзе А.Ю. и др. // Радиохимия. 2008. Т. 50. № 3. С. 236.

82. С. Buck, I.Barabanov, O.Besida, L.Bezrukov, C.Cattadori, N.Danilov, A.diVacri, F.X.Hartmann, D.Motta,S.Schonert, U.Schwan, E.Yanovich Nucl. Physics B(Proc.SuppL) 143 (2005) 487

83. J.B.Birks, The Theory and Practice of Scintillation Counting, Pergamon Press, Oxford, 1964.

84. Motta D., Buck C., Hartmann F.X. et al. // Nucl. Instr. and Meth. 2005. V. A547. P. 368.

85. F.Elisei et al., Nucl. Instr. and Meth. A400(1997), P.53.

86. I. Barabanov, O.Besida, C.Buck, C.M.Cattadori, N.Danilov, A.diVacri, F.X.Hartmann, Th.Lasserre, D.Motta, L.Pandola, S.Schonert, U.Schwan, E.Yanovich Nucl.Phys.B(Proc.Suppl), 143 (2005) 559.

87. M. Ambrosio et al., Astr.Part.Phys., 10 (1999), 11.

88. Neder, Kupfer-Probe für LENS-"CuHD", Auswertung der ersten Messperiode, memo, 2002.

89. M. Laubenstein, частное сообщение, 2003.

90. LENS, MPIK, внутренний отчёт, 2002.

91. M. Cribier et al., DAPNIA/Saclay report, 1984

92. J-P. Meyer, LENS Internal note, 2002.

93. J-P. Meyer, LENS Internal note, 2003

94. Физические величины. Справочник. Под редакцией И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. Москва.Энергоатомиздат. 1991 г.

95. О.Г. Ряжская и др. Труды всесоюзной конференции по физике космических лучей. Ташкент, 4.1, в.З, стр.110, 1968г. О.Г.Ряжская и др. Монокристаллы, органические сцинтилляторы и люминофоры. Харьков, в.5, 4.1, стр. 140, 1969 г.

96. Ю.Я.Марков, О.Г.Ряжская, ПТЭ, 1970,№4,50;

97. Л.Б.Безруков, Р.Е.Еникеев, 97.В.Б.Корчагин, О.Г.Ряжская, ПТЭ, 1975,№3, 66

98. H.O.Back et al., arXiv:physics/0408032v2100. SNO collaboration.

99. A.G.Piepke, S.W.Moser, V.M.Novikov, Nucl. Inst, and Meth. A432 (1999) 392-398.

100. C.Buck. (Double Chooz).2008.

101. G.Bari et al., Nucl.Inst and Meth. A277 (1989) 11-16

102. LRJBarabanov, L.B.Bezrukov, C.Cattadori et al., J.Phys.:Conf.Ser. 120 052035, 20081051.R.Barabanov, L.B.Bezrukov, C.Cattadori et al., Journal of Instrumentation, 2010, 5, P04001.

103. GeMPI at LNGS, M.Laubenstein.

104. A.Faessler et al., J.Phys. G35: 075104,2008.

105. H.Klapdor-Kleingrothaus and L.V.Krivosheina, Mod.Phys.Lett.A21:1547-1566, 2006.

106. S.Elliott and P.Vogel. Double Beta Decay. Annu.Rev.Nucl.Part.Sci.52 (2002)

107. A.P.Babichev et al., Quantum Electronics, 35, 10,(2005), 879-890.