Исследование параметров сцинтилляционных кристаллов CaMoO4 для поиска двойного бета-распада изотопа 100Mo тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

0034У1Ьо°

Вересникова Анна Васильевна

Исследование параметров сцинтилляционных кристаллов СаМо04 для поиска двойного бета-распада изотопа 100Мо

01.04.01- Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 2009

1 1 ®ЕВ 2010

003491636

На правах рукописи

Вересникова Анна Васильевна

Исследование параметров сцинтилляционных кристаллов СаМо04 для поиска двойного бета-распада изотопа 100Мо

01.04.01- Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 2009

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

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук И. Р. Барабанов (ИЯИ РАН) Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук С. П. Михеев (ИЯИ РАН)

кандидат физико-математических наук А. А. Клименко (ОИЯИ ЛЯП)

Ведущая организация: Федеральное Государственное

унитарное предприятие "Государственный Научный Центр Российской Федерации -Институт теоретической и экспериментальной физики", Москва

Защитадиссертации состоится « ' » .¿6^3^2010 г.

в « часов на заседании диссертационного совета Д 002.119.01

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

Ученый секретарь

диссертационного совета ИЯИ РАН, БА. Тулупов

кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Поиск безнейтринного двойного бета-распада ядер (Оурр) является в настоящее время одной из центральных задач экспериментальной физики. Положительное наблюдение ОуРР дало бы ответ на вопрос является ли нейтрино дираковской или майора-новской частицей, как предполагается в большинстве теорий с расширением Стандартной модели. Однако окончательный ответ может быть дан только в случае положительного наблюдения процесса ОуРР на нескольких изотопах с хорошей статистической точностью. Таким образом, регистрация безнейтринного двойного бета- распада будет означать открытие "новой физики".

Для выполнения экспериментов по поиску ОуРР - распада требуется большое количество (десятки и сотни килограмм) дорогостоящих обогащенных изотопов. Выбор рабочего изотопа для поиска 0урр определяется как возможностью его масштабного производства при относительно невысокой стоимости, так и возможностью создания на его основе экспериментальной установки с высокой эффективностью регистрации полезных событий и низким значением внутреннего фона, вызванного присутствием долгоживущих радионуклидов.

Высокая эффективность регистрации (~ 100%) может быть достигнута только в случае, когда источник безнейтринного двойного бета распада одновременно является и детектором («источник = детектор»). Эта ситуация воспроизводится в исследуемом в настоящей работе монокристалле молибдате кальция СаМо04, в кристаллической решетке которого молибден природного изотопного состава заменен на изотоп |00Мо. Преимущество выбора 100Мо в качестве кандидата для поиска Оурр связано с тем, что его энергия распада (3.07 МэВ) является одной из наибольших. Большая энергия распада с одной стороны увеличивает вероятность ОуРР, и с другой стороны существенно упрощает проблему дискриминации как внешнего, так и внутреннего фона. Неорганические монокристаллические сцинтилля-ционные детекторы СаМо04 требуют разумных усилий на свое создание (относительная дешевизна выращивания монокристаллов большого объема). При этом детекторы на основе СаМо04 могут работать как сцинтилля-ционные детекторы от комнатных до криогенных температур.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является:

• исследование параметров сцинтилляционных кристаллов СаМо04, предназначенных для поиска двойного бета-распада изотопа 100Мо.

• измерение содержания радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах СаМо04 и определение их допустимого содержания для достижения чувствительности эксперимента на современном уровне.

Научная новизна

• Впервые детально исследованы временные параметры сцинтил-ляционного свечения кристалла СаМо04 и обнаружен ее сложный многоэкспоненциальный характер.

• Впервые обнаружена быстрая компонента сцинтилляционного свечения кристаллов СаМо04 при комнатной температуре.

• Исследован абсолютный световой выход и альфа/бета отношение кристалла СаМо04.

• Исследована температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла СаМо04.

• Измерено содержание радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах СаМо04 и определено их допустимого содержания для достижения чувствительности эксперимента на современном уровне.

Основные результаты, представленные к защите

1. Результаты измерения временных параметров сцинтилляцион-ной вспышки кристалла СаМо04.

2. Сложный многоэкспоненциальный характер сцинтилляционного свечения СаМо04 при облучении а-частицами и у-квантами в диапазоне (0-120мкс).

3. Открытие быстрой компоненты сцинтилляционного свечения кристаллов СаМо04 при комнатной температуре, при облучении а-частицами и у-квантами в области времен 12-46 не.

4. Спектр излучения кристалла СаМо04.

5. Показатель преломления кристалла СаМо04.

6. Абсолютный световой выход кристалла СаМо04.

7. а/р-Отношение для кристалла СаМо04

8. Температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла СаМо04 в диапазоне температур от - 100 °С до +23 °С. Возрастание длительности вспышки в 2 раза и увеличение светового выхода в 2,5 раза.

9. Зависимость ожидаемого предела на периода безнейтринного двойного бета распада 100Мо от содержания радиоактивных примесей в кристалле СаМо04. Показано, что для достижения индекса фона 0,01 отсчета/год/кг/ кэВ допустимое содержание изотопов В1 и 208Т1 (от 238и и 232ТЬ рядов) в кристалле не должно превышать 20 мкБк/кг.

10. Результаты измерений содержания радиоактивных изотопов ^К, ^Ас (232ТЬ), 208Т1 (232ТЬ),214В1 (238и) в исходных материалах кристалла и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМо04.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и представлялись на следующих конференциях: Школа-семинар студентов и молодых учёных «Фундаментальные взаимодействия и космология» (Москва, 2007), международной конференции 8С1ЫТ (2009), семинарах ИЯИ РАН.

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 6 публикациях, в их числе 3 публикации в ведущих научных журналах перечня Высшей аттестационной комиссии.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 102 страницы текста, 34 рис., 15 табл., список литературы из 110 названий.

Личный вклад диссертанта. Автор участвовал в разработке экспериментальных установок, для измерения временных и амплитудных параметров сцинтилляционного кристалла СаМо04. Автором разработана и создана установка для измерения температурной зависимости параметров кристалла СаМо04. Автором выполнено исследование сцинтилляционных и временных параметров кристалла СаМо04. Автором разработано программное обеспечение для обработки полученных результатов. Автором выполнен расчет зависимости чувствительности эксперимента от содержания радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах СаМо04. При участии автора выполнены измерения содержания радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах СаМо04.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показывается, что исследование процессов двойного бета-распада является одной из центральных задач экспериментальной физики. Обосновывается актуальность, формулируется цель и основные направления исследования. Изложена научная новизна полученных результатов диссертационной работы.

В первой главе проведен всесторонний анализ проблемы двойного бета распада. Рассмотрена история вопроса. Изложены основы теории двойного бета распада. Сделан обзор экспериментальных методов для исследования процессов двойного бета-распада. Рассмотрен современный статус экспериментов по поиску двойного бета-распада. Обосновывается преимущество 100Мо для поиска двойного бета-распада.

Во второй главе описана установка и приведены результаты измерения временных параметров сцинтилляционных кристаллов СаМо04 при облучении Y-квантами от радиоактивного изотопа Cs (Еу » 0.662 МэВ) и а-частицами (Еа« 5.5 МэВ) от изотопа 238Ри. Исследования кинетики сцин-тилляционного свечения кристаллов СаМо04 проводились на измерительном стенде, функциональная схема которого приведена на рис. 1.

Измерения велись методом счета коррелированных во времени фотонов (Time-Correlated Single Photon Counting - TCSPC). Метод основан на регистрации одиночных фотонов от периодического светового сигнала, измерении времен регистрации отдельных фотонов и реконструкции формы сигнала. Необходимым условием последнего является такое ослабление потока фотонов, попадающих на СТОП ФЭУ, чтобы за одну сцинтилляцию с его катода эмитировался только один фотоэлектрон. Таким образом, измеряется интервал времени между началом вспышки и одним из фотонов из этой же вспышки. Когда фотон регистрируется, измеряется время прихода импульса от соответствующего детектора. События собираются в памяти с добавлением номера в ячейки памяти с адресом пропорциональным времени регистрации. Многократное повторение этого процесса позволяет измерить спектр интервалов или распределение фотонов сцинтилляций во времени. На основе этих данных строится гистограмма времен регистрации, т.е. форма сигнала оптического импульса.

Рис.1.Функциональная схема измерительного стенда для исследования кинетики свечения кристаллов СаМоОф

РИ - радиоактивный источник; Сц - сцинтилляционный кристалл СаМо04; Ф - набор оптических фильтров нейтральной плотности;

ОД- оптическая диафрагма; ФЭУ1, ФЭУ2 - фотоэлектронные умножители Я1398 и Я1450 соответственно;

ОК- оптический контакт; У1 У2 - быстродействующие усилители ЬеСгоу 612АМ; Д1, Д2 - дискриминаторы импульсов ЬеСгоу 621АЬ; ЛЗ - блок кабельной линии задержки;

ВЦП1, ВЦП2 - времяцифровые преобразователи БПТ-12А1 и БПВ-15 соответственно; КК- крейт-контроллер КК-009; ПК- персональный компьютер 1ВМ-РС/АТм486

Оптический контакт ОК исследуемого кристалла с фотокатодом фотоэлектронного умножителя ФЭУ1 осуществляется с помощью оптической смазки Вгсгоп 630. Противоположная грань кристалла через набор оптических фильтров Ф и оптическую диафрагму ОД просматривается ФЭУ2, а все боковые стороны кристалла покрыты светоотражающей пленкой УМ2000 (на рисунке не показана) с высоким коэффициентом отражения в широком диапазоне длин волн. Толщина пленки составляет -100 мкм. ФЭУ1 и ФЭУ2 - это фотоумножительные модули Н3171-03 и Н3167, основными элементами которых являются ФЭУ соответственно Ш398 и Ш450 производства фирмы Наталии. Спектральная чувствительность используемых ФЭУ охватывает область длин волн 300-650 нм, хорошо перекрывая спектр излучения кристалла СаМо04, который лежит в основном в области длин волн 400 -700 нм, более подробно измерения описаны в

главе 3 диссертации. Облучение производилось а-частицами с энергиями ~5.5 МэВ от изотопа 238Ри и у-квантами с энергиями у~662 кэВ от изотопа шСв. Радиоактивные источники устанавливаются на боковой грани исследуемого кристалла. Для измерений с а-частицами в пленке УМ2000 сделано отверстие диаметром ~1 мм. Анодные сигналы ФЭУ1, усиленные быстродействующим усилителем У1 с коэффициентом усиления »10, поступают на вход дискриминатора с фиксированным порогом Д1 выходные сигналы которого подаются на входы «Старт» времяцифровых преобразователей ВЦП1 и ВЦП2.

В описываемых измерениях использовались ВЦП двух типов (быстродействующий и медленный) для детальных измерений соответственно быстрых и медленных компонент сцинтилляционного свечения кристалла. В качестве быстродействующего преобразователя ВЦП1 использовался блок БПТ-12А1 - широкодиапазонный ВЦП с шагом 75пс и полным диапазоном измеряемых временных интервалов 5 мкс. Для измерения медленных компонент сцинтилляций использовался медленный преобразователь ВЦП2 - блок БПВ-15 с шагом 67 не и диапазоном 274 мкс. Анодные сигналы ФЭУ2 используются для выработки сигналов Стоп для ВЦП! и ВЦП2 с помощью быстродействующего усилителя У2, дискриминатора с фиксированным порогом Д2 и блока кабельной линии задержки ЛЗ.

Диафрагма используется для обеспечения однофотоэлектронного уровня засветки фотокатода ФЭУ2. Уровни дискриминации сигналов для обоих ФЭУ. устанавливаются равными 0.25а1, где а| - средний заряд одно-фотоэлектронного импульса каждого ФЭУ. При этом скорости счета импульсов темнового тока обоих ФЭУ при таком уровне дискриминации сигналов не превышают ~ 200 с"1. Влияние темновых токов ФЭУ на результаты проведенных измерений кинетики сцинтилляционного свечения кристалла практически отсутствует. Оцифрованные преобразователями интервалы времени считываются через крейт-контроллер КК (КК-009) в персональный компьютер ПК.

В ходе измерений обнаружено, что кинетика сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04 при облучении а-частицами и у-квантами имеет сложный многокомпонентный характер. На рис. 2 и 3 показана кинетика сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04 при облучении а-частицами и у-квантами в диапазоне (0-120мкс), измеренная при помощи медленного и быстрого времяцифровых преобразователей.

Число событий, отн. ед.

о 20 40 60 80 100 120

Время, мкс

Рис. 2. Кинетика сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04 в широком временном диапазоне (0-120 мкс) при его облучении а-частицами от радиоактивного источника ^'Р^а) и у-квантами от источника '"Се (у).

1 и 3 - фитирующие кривые с постоянными времени соответственно 4.6 и 15.2 мкс для спектра, полученного при облучении а-частицами;

2 и 4 - 5.0 и 15.8 мкс, при облучении у-квантами

Время, мкс

Рис. 3. Кинетика высвечивания быстрых компонент сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04 в диапазоне 0-3,2 мкс при его облучении а-частицами от радиоактивного источника 238Ри (а), у-квантами от источника 137Сз(у). 1,3 и 5 -фитирующие кривые с постоянными времени соответственно 36 не, 1 и 4.6 мкс для спектра, полученного при облучении а-частицами; 2, 4 и 6 - 46 не, 1.4 и 5.0 мкс, при облучении у-квантами

Основные результата измерений приведены в таблице 1. Таблица 1. Временные компоненты кинетики высвечивания

т, мкс; А, % а-частицы у-кванты

12-10"3 ± 1.2 15-КГ3 ±1.5

Ъ 36-10"3 ±0.004 46-10"3 ±0.0042

А!+А2 1 ± 0.06 0.5 ±0.03

ь 1 ± 0.04 1.4 ± 0.12

Аз 6 ±0.2 5.1 ±0.5

4.6 ±0.2 5.0 ±0.4

А4 35 ±0.6 29 ± 1.2

ь 15.2 ±0.3 15.8 ±0.5

а5 58 ± 2.5 65 ±2.7

Примечание т - постоянная времени высвечивания, А, - вклад разных компонент в общий световыход; А!+А2-суммарный вклад быстрых компонент.

Как видно из этих рисунков, основной вклад в полный световыход кристалла вносят медленные компоненты с т ~ 1.4 ± 0.12 мкс и амплитудой А = (5.1 ±0.5)%, -5.0 +0.4 мкс (29+1.2) % и -15.8 ±0.5 мкс (65 ±2.7) % для у-квантов и -1.0 ±0.04 мкс (6 ±0.2) %, 4.6 ±0.2 мкс (35 ± 0.6)% и 15.2 ± 0.3 мкс (58 ± 2.5) % для а-частиц.

Интересным фактом является впервые обнаруженное в данной работе существование при комнатной температуре быстрых компонент сцинтил-ляционного свечения кристаллов СаМо04. Для более детального изучения быстрых компонент были использованы данные, полученные с помощью быстродействующего времяцифрового преобразователя.

Кинетика высвечивания быстрых компонент сцинтилляций представлена на рис. 3 и 4.

Число событий, отн. ед.

КГ2 г

_|_1_I_1_I_1_I_I

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Время, не

Рис.4. Кинетика высвечивания быстрых компонент сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04 в диапазоне 0-450 не при его облучении а-частицами от радиоактивного источника 238Ри (а), у-квантами от источника П7Сз(у). 1 и 3- фитирую-щие кривые с постоянными времени соответственно 12 и 36 не для спектра, полученного при облучении а-частицами; 2 и 4-15 и 46 не, при облучении у-квантами

Как видно из рис.4, можно выделить две составляющие с временами высвечивания -15 не и ~46 не для у-квантов и ~12 не и ~ 36 не для ос-частиц. Вклад быстрых компонент в общий световыход кристалла незначителен -~1% от общего световыхода кристалла.

В третьей главе представлены результаты измерения светового выхода сцинтилляционных кристаллов СаМоС>4. Измерение светового выхода данного кристалла представляет определенные технические трудности, поскольку характерная постоянная времени световой вспышки составляет -15 мке и реальный сцинтилляционный импульс, зарегистрированный фотодетектором, представляет собой набор выходных импульсов фотодетектора с амплитудами близкими к однофотоэлектронным.

Пример импульса с кристалла СаМо04 на на1рузке от ФЭУ 50 Ом, представлен на рис.5.

0,008 0,007

ÚJ 0,006 в 3

5 0,005 §

£ 0,004 J 0,003 0,002 0,001 0,000

0 20 40 60 80 100

Время, мкс

Рис. 5. Пример импульса с кристалла СаМоОц

Предварительно были измерены спектр излучения и показатель преломления кристалла CaMoCU. Исследуемый кристалл имел размеры 24,7x24,7*26,7 мм3. Все грани кристалла тщательно отполированы. Измерения спектра излучения кристалла СаМо04 были выполнены при облучении кристалла световыми импульсами от ультрафиолетового светоизлучающего диодом (светодиода) UVT0P255-FW-T039 с максимумом спектра излучения на длине волны X = 255 нм. Спектр излучения кристалла определялся с помощью набора интерференционных фильтров и измерений отклика хорошо прокалиброванного фотодиода (МРП ЛФД). Результаты измерений спектра излучения данного кристалла представлены на рис. 6.

Таким образом, кристалл СаМо04 характеризуется довольно широким спектром излучения, который простирается от 400 нм до 700 нм и более, с максимумом в диапазоне длин волн 540-570 нм. По сравнению с другими кристаллами (Nal) сдвинут в красную область.

Длина волны, нм

Рис.6. Спектр излучения кристалла СаМо04

Другим важным параметром кристалла является его показатель преломления. Прямые измерения показателя преломления кристалла СаМо04 были выполнены по схеме, основанной на измерении угла отклонение в от первоначального направления пучка света после прохождения через кристалл. Для измерений использовались узкие коллимированные пучки света диаметром <0,5 мм от источников на основе светодиодов и лазерного диода, излучающих в диапазоне длин волн 520-655 нм.

Значения показателя преломления п определялись из следующей формулы:

0= Ч/+агс5'т{п *51п[а-агс51п($1п(Ч//п))]}-а (1)

где в — угол отклонения светового пучка от первоначального направления после прохождения кристалла; ¥ - угол падения светового пучка на грань кристалла; а - угол, образованный гранями кристалла. В нашем случае а =90°. Получено, что кристалл имеет довольно высокий показатель преломления в диапазоне длин волн 520-650 нм: п = 2,10± 0,10.

Функциональная схема измерительной системы для исследования световыхода кристалла СаМо04 показана на рис. 7.

Рис.7. Функциональная схема измерительной системы для исследования световы-хода кристалла СаМо04

РИ- радиоактивный источник;

Сц - сцинтилляционный кристалл СаМо04;

ФЭУ-фотоэлектронныйумножительХР5301В фирмы Photonis;

OK - оптический контакт;

О - отражатель;

ОД- оптическая диафрагма;

У - усилитель- формирователь CANBERRA 2010;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь POLON 712;

КК - крейт-контроллер КК-009;

ПК - персональный компьютер IBM- РС/АТ4486

Кристалл просматривается со стороны одной из граней фотоэлектронным умножителем марки ХР5301В производства фирмы Photonis. Остальные грани кристалла покрыты диэлектрической пленкой VM2000 производства фирмы ЗМ с высокой отражательной способностью (-100%) в диапазоне длин волн сцинтилляционного излучения кристалла. Оптический контакт между исследуемым кристаллом и ФЭУ осуществляется с помощью оптической смазки Bicron ВС-600 с показателем преломления п =1,58. Анодные импульсы ФЭУ. поступают на вход спектрометрического усилителя-формирователя У (CANBERRA 2010) с постоянными времени интегрирования и дифференцирования равными -12 мкс. Выходные импульсы усилителя подаются на вход многоканального анализатора импульсов, выполненного на основе 10-разрядного аналого-цифрового преобразо-

вателя POLON 712, крейта КАМАК, крейт-контроллера КК-009 и персонального компьютера IBM-PC/AT-486L Кристалл облучается у-квантами с энергиями 662 кэВ от радиоактивного источника n7Cs или a-частицами с энергиями -5,5 МэВ от источника 241Ага.

Значение абсолютного световыхода кристалла в единицах [фотон/МэВ] находится по формуле:

Y = Npe/ (S*rjх£хк-в /? x^J, (2)

где f - эффективный коэффициент сбора фотоэлектронов на динодную систему ф.э.у.; ц - квантовая эффективность фотокатода ФЭУ, усредненная в диапазоне длин волн 400- 720 нм; е - коэффициент сбора сцинтилля-ционных фотонов на фотокатод ФЭУ; к^р - параметры, показывающие какая доля сцинтилляционных фотонов собирается за время интегрирования усилителя т = 12 мкс при облучении кристалла а-частицами (ка) либо у-квантами (кр)\ <¡> - коэффициент, нормирующий энергию на 1 МэВ.

Для определения абсолютного световыхода кристалла необходимо хорошо знать зависимость эффективной квантовой эффективности ФЭУ, использовавшегося в измерения (ХР5301В), от длины волны света.

Измерения этой зависимости проводились с помощью наборов интерференционных фильтров и светодиодов, излучающих на длинах волн от 400 нм до 700 нм, и калиброванного ФЭУ ХР3112В. Значение эффективной квантовой эффективности ФЭУ ХР5301В, усредненной по спектру излучения кристалла (см. кривую на рис.6), составляет tj ~ 20%. Следует отметить, что данный ФЭУ характеризуется высокой эффективностью сбора фотоэлектронов на динодную систему - i =¡100%. Измерения зарядового спектра однофотоэлектронных импульсов данного ФЭУ показывает, что квадрат относительной дисперсии коэффициента усиления G этого ФЭУ равен (ffa/G)2-0,2. Прямые измерения коэффициента сбора фотонов s в данном кристалле на фотокатод ФЭУ, проведенные с использованием зелено-желтого светодиода с X^ = 560 нм, показывают, что эта величина равна приблизительно -0,85.

Кинетика сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04 имеет сложный многоэкспоненциальный характер, при этом основной вклад вносят медленная компонента с постоянной времени порядка 15.2 мкс для а-частиц и 15.8 мкс для у-квантов. Таким образом, при времени интегрирования усилителя т = 12 мкс собирается только k¡¡ ~ 66% сцинтилляционного света кристалла при облучении у-квантами, а для а-частиц - к ~ 71%. Значение коэффициента <р для у-квантов от 137Cs равен 0,662.

На рис. 8 показаны энергетические спектры при облучении у-квантами и а-частицами. Фитирующие кривые были использованы для выделения пика полного поглощения для у-квантов от ,37Сз.

Заряд, номер канала

Рис. 8. Энергетические спектры кристалла СаМо04 при облучении у-квантами от '"Се (Е,- 661 кэВ) и а-частицами 241 Аш (Еа-5500 кэВ)

Аппроксимирующие кривые были использованы для выделения пика полного поглощения. Значение ^ определяется из известной формулы:

А4/А=[2.36(1+(<Тс/С)2)'/2М^е)'/2 , (3)

где (Л4/А) - разрешение пика; (ас/С) - относительная дисперсия коэффициента усиления ФЭУ- <7. Разрешение этого пика составляет 22,6%, что соответствует числу фотоэлектронов (ф.э.) Ир,, = 153,7 ф.э.. Соответственно, абсолютный световыход сцинтилляционного кристалла СаМо04, вычисленный по формуле (2) с учетом всех измеренных параметров, равен У

= 2200 фотонов/МэВ при облучении у-квантов при комнатной температуре 22°С.

Сравнение пика полного поглощения и пика, обусловленного а-частицами, позволяет определить а/р-отношение для этого кристалла. Это отношение с учетом различий в кинетике сцинтилляционного свечения (коэффициенты и энергий у-квантов и а-частиц составляет а/р=0,25.

В процессе последующей работы были получены новые образцы кристаллов, выращенные по более совершенной технологии. Световыход этих кристаллов был на 30 % выше полученного в первоначальных измерениях. Результаты представлены на рис. 9

80

70

3

I 60

сг

т 50 Ф л

5 40 С £

£ 30 о о

н 20

О

10 о

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Номер канала

Рис.9. Сравнение светового выхода различных образцов кристаллов СаМо04

И окончательно световой выход составляет ~ 2600 фотонов/МэВ.

В четвертой главе исследована температурная зависимость формы импульса и светового выхода сцинтилляционных кристаллов СаМо04.

Поскольку форма импульса изменяется с изменением температуры, примененный ранее метод измерения световыхода (Глава 3) неприменим в

виду используемого формирователя импульса. В данном случае был использован метод прямого интегрирования токового импульса, регистрируемого диджитайзером. Для обработки импульсов было разработано специальное программное обеспечение.

Эта зависимость вместе с исследованием световыхода была исследована на установке рис. 10

Рис.10. Функциональная схема измерительного стенда для исследования зависимости формы импульса и амплитуды кристалла СаМоС>4 от температуры 1 - медные хладопроводы; 2 - сосуд Дьюара заполненный жидким азотом; 3- Радиоактивный источник 238Ри; 4 - низкотемпературный термометр; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель ХР5301В фирмы Photonis; У - интегральный усилитель ORTEC model 450; Д - диджитайзер Acqiris Digitizer; ПК - персональный компьютер Pentium 3

Температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла исследовалась в промежутке — 100 +23 °С. Кристалл и ФЭУ были помещены в сосуд Дьюара в области паров жидкого азота. Температура в точке нахождения кристалла измерялась низкотемпературным термометром. При помощи медных хладопроводов, изменяя их количество, положение и погружение до определенного уровня в жидкий азот, регулировалась температура в точке нахождения кристалла. Оптический контакт исследуемого кристалла с фотокатодом фотоэлектронного умножителя ФЭУ осуществляется без оптической смазки, т.к. при низких температурах смазка замерзает и может изменять свои свойства. Все боковые стороны кристалла покрыты светоотражающей пленкой VM2000 (на рисунке не показана) толщиной

д

ПК

2

-100 мкм. Измерения проводились при облучении а-частицами с энергиями ~5.5 МэВ от изотопа 238Ри. Радиоактивный источник устанавливается на боковой грани исследуемого кристалла. Для измерений с а-частицами на торцевую грань помещается тефлоновая пластинка с коллимирующим отверстием диаметром 1 мм. ФЭУ - фотоэлектронный умножитель ХР5301В производства фирмы РИоинш.

Для правильной работы диджитайзера (правильного стробирования импульсов) между диджитайзером Д и выходом ФЭУ включен интегрирующий усилитель У. Оцифрованные диджитайзером данные считывали«» в персональный компьютер ПК. Результаты измерения зависимости формы импульса кристалла СаМо04 от температуры представлены на рис.11

80

3

X 60 X

0)

3 40

X

-О

I

о 20

о

X

ь О

о

о 100 200 300 400 500

Время, мкс

Рис. 11. Зависимость формы импульса кристалла СаМо04 от температуры при облучении а-частицами от радиоактивного источника 238Ри (Ец ~ 5,5 МэВ)

Как видно из рисунка длительность импульса при изменении температуры от +23 С до - 100°С изменяется приблизительно в 2 раза.

На рис. 12 и 13 показана зависимость световыхода кристалла СаМо04 при облучении а-частицами от радиоактивного источника 238Ри в диапазоне температур от +23 до -100 градусов.

5

«

ъ

х

л §

ё о

о £

40 80 120 160 200 240 Амплитуда

Рис.12. Зависимость амплитуды импульса кристалла СаМо04 от температуры при облучении а-частицами от радиоактивного источника 238Ри (Еа ~ 5,5 МэВ)

200

Температура

Рис.13. Зависимость светового выхода кристалла СаМо04 от температуры при облучении а-частицами от радиоактивного источника 238Ри (Еи ~ 5,5 МэВ)

Из рисунков видно, что световыход при изменении температуры от +23 до -100 градусов увеличивается в 2,5 раза без учета зависимости квантовой эффективности от температуры, которая при уменьшении температуры, как правило, уменьшается, и увеличение световыхода при понижении температуры может быть еще выше.

Таким образом, окончательно максимальный световой выход составляет не менее 6500 фотонов/МэВ. Что обеспечивает достаточно высокое разрешение для измерения двойного бета-распада 100Мо.

В пятой главе выполнен расчет ожидаемой чувствительности полномасштабного эксперимента в зависимости от концентрации радиоактивных примесей. Вклад фона принято характеризовать величиной индекса фона равного фону в единицу времени на единицу энергии и на единицу массы детектора. Индекс фона имеет размерность (отсчет/кэВ/кг/год) в исследуемой области.

Для определения индекса фона в зависимости от сцинтилляционных характеристик кристалла и чистоты материалов по отношению к радиоактивным примесям были проведены детальные расчеты методом Монте-Карло спектров фона от различных естественных радиоактивных источников (214В1 и 208Т1). На основе этих результатов получена искомая зависимость индекса фона для одиночного кристалла и сборки кристаллов СаМо04 общей массой 20 кг.

Современные требования для установок нового поколения для измерения двойного бета-распада требует индекса фона порядка 0,01(кэВкггод)"'. Показано, что для достижения индекса фона 0,01 отсчет/год/кг/ кэВ допустимое содержание изотопов 214В1 и 208Т1 (от ти и 232ТЬ рядов) в кристалле не должно превышать 20 мкБк/кг.

Измерения содержание радиоактивных изотопов в исходных материалах и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМо04 было проведено на подземном низкофоновом полупроводниковом спектрометре.

Спектрометр расположен в подземной низкофоновой камере БНО ИЯИ РАН на глубине 660 м в.э. Фон космических лучей на данной глубине снижен толщей земли в -2000 раз. Фон гамма-квантов естественной радиоактивности в рабочем помещении снижен в 200 раз по сравнению с голой выработкой путём использования при строительстве низкофонового бетона на основе дунита и засыпки из дунитового гравия. В рабочем помещении размещена дополнительная низкофоновая защита, состоящая из 8 см бори-рованного полиэтилена + 23 см РЬ + 12 см Си. В центре медного блока защиты имеется прямоугольная полость размерами 30x30x30 куб. см, в которой располагаются головные части трёх низкофоновых полупроводнико-

вых детекторов из сверхчистого германия. Масса каждого детектора около 1 кг.

Измерено содержание радиоактивных изотопов 40К,228Ас=(232П1), [(232ТЬ)]*208Т1 ,214ВН238и> в исходных материалах кристалла и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМо04.

В табл.2 представлены результаты определения удельной активности радиоактивных изотопов в различных компонентах материалов кристалла СаМо04 на разных стадиях очистки.

Таблица 2.Активность радиоактивных изотопов в исследованных образцах (Бк / кг) Пределы установлены на 95% уровне достоверности (у.д.)

Образец, материал Изотопы

% 228Лс=(232ТЬ) [(232ТЬ)]*208Т1 214вк238и)

Активность радиоактивных изотопов

1. Шихта А1. ~СаМо04 (2,7±0,5)10-' (5,3±1,9)10-2 (1,3±0,3)-10'2 {(3,6±0,8)-102| 3,07±0,05

2. Шихта А2. ~СаМо04 (4,7*0,5)10"' (2,6±1,4)-10'2 (1,9±0,3)10'2 1(5,3±0,8)-10'г| 3,51±0,04

3. Шихта В. ~СаМо04 (3,б±0,4)-10*' <7, МО'3 (2,8±1,5) -10'3 1(7,8±4ДУЮ"3| (7,8±1Д)10' 2

4.Монокристалл СаМо04 из В. (2,0±0,8)-10'2 <5,6-10"3 <1,4-10"3 |<3,9-10_3] <2,2-Ю"3

5.Формиат кальция Са(НСОО)2 <7,0-10'3 <3,0 ю-3 <8,9- Ю-4 [<2,5 -10'3| <1,7-10'3

б.Оксид молибдена '""МоОт (5,3±0,8)-10"2 <3,8-10"3 <1,0-10"3 [<2,8-10"3] <2,3-10'3

7.40СаСО3 (7,3±3,1)-10-2 (1,6±0,2)-10"' (4,4±3,6)10"3 |(1Д±1,0)-10"2] 2,6±0,2)-10-1

Из сравнения образцов шихты для выращивания кристаллов (№ 1-3) и кристаллов, изготовленных из исходных материалов, очищенных разными способами, видно, что правильный подбор процедуры предварительной очистки компонентов шихты позволяет получить существенное снижение содержания радиоактивных изотопов в продукте. Достигнуто снижение содержания 40К не менее 10 раз; 232ТЬ - не менее, чем в 2 раза; 238и - не менее, чем в 30 раз.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результата, полученные в диссертации следующие:

• , При участии диссертанта разработаны и созданы измерительные установки для исследования временных и амплитудных параметров сцинтилляционных кристаллов СаМо04.

• Разработана установка для измерения параметров кристалла СаМо04 вплоть до -100 градусов Цельсия.

• Создано программное обеспечение для оцифровки и обработки полученных результатов.

Получены следующие физические результаты:

1. Измерены временные параметры сцинтилляционной вспышки кристалла СаМо04.

2. Впервые обнаружен сложный многоэкспоненциальный характер сцинтилляционного свечения СаМо04 при облучении а-частицами и у-квангами в диапазоне (0-120 мкс), измеренная при помощи медленного и быстрого время-цифровых преобразователей. Основной вклад в полный световыход кристалла вносят медленные компоненты с постоянными временами высвечивания: от 1 мкс до 15,8 мкс для у-квантов и а-частиц.

3. Впервые обнаружены быстрые компоненты сцинтилляционного свечения кристаллов СаМо04 при комнатной температуре, при облучении а-частицами (238Ри) и у-квантами ('"Се) в области времен 12-46 не.

4. Измерен спектр излучения кристалла СаМо04. Показано что спектр простирается от 400 нм до 700 нм, с максимумом в диапазоне длин волн 540-570 нм.

5. Измерен показатель преломления кристалла СаМо04. Кристалл имеет довольно высокий показатель преломления в диапазоне длин волн 520-650 нм: п = 2,10± 0,10.

6. Исследован абсолютный световой выход кристалла СаМо04. Он составляет при комнатной температуре 22°С, ~2600 фото-нов/МэВ

7. Измерено а/р-отношение для кристалла СаМо04 а/р =0,25.

8. Исследована температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла СаМо04 в диапазоне температур от - 100 °С до +23 °С. При этом длительность импульса возрастает примерно в 2 раза, а световой выход увеличивается в 2,5 раза Таким образом, максимальный световой выход составляет не менее 6500 фотонов/МэВ.

9. Выполнен расчет зависимости ожидаемого предела на периода безнейтринного двойного бета распада J00Mo в зависимости от содержания радиоактивных примесей в кристалле СаМо04 Показано, что для достижения индекса фона 0,01 отсчет/год/кг/ кэВ допустимое содержание изотопов 2,4Bi и 208Т1 (от 238U и 232Th рядов) в кристалле не должно превышать 20 мкБк/кг.

10. Измерено содержание радиоактивных изотопов

208jj (232-j-^ 5214bí (23SU) в исходных материалах кристалла и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМо04. Показано, что правильный подбор процедуры предварительной очистки компонентов шихты позволяет получить существенное снижение содержания радиоактивных изотопов в продукте не менее чем в 50 раз.

11. Показано, что полученные результаты обеспечат верхний предел для времени жизни измеряемого двойного бета-распада порядка Т in = 7,3-1025 лет для первой фазы полномасштабного эксперимента.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Барабанов И.Р., Вересникова А. В. и др. " Измерение кривой высвечивания сцинтиллятора СаМо04" Препринт ИЯИ-1184/2007.

2. Veresníkova А. V., et al., "Large volume scintillation crystals" Nuclear Science, IEEE Transactions on Volume 55, Issue 3, 2008, p. 1473 -1475.

3. Барабанов И. P.,Вересникова А. В., и др "Исследование кинетики сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04" ПТЭ, №1, 2009, с.41-45

4. Veresnikova A.V., et al., "Fasts scintillation light from CaMo04 crystals" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 603, Issue 3,21 May 2009, p. 529-531

5. Барабанов И.Р., Вересникова А. В. и др " Содержание радиоактивных изотопов в исходных материалах и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМо04 по данным подземного низкофонового полупроводникового спектрометра " Препринт ИЯИ- 1237/2009.

6. Барабанов И.Р., Вересникова А. В, и др " Регистрация безнейтринного двойного ,бета - распада 100Мо с помощью сцинтилляцион-ных кристаллов СаМо04" Препринт ИЯИ- 1238/2009.

Ф-т 60x84/8. Уч.-изд.л. 1,0 Зак. № 22033 Тираж 100 экз.

Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований РАН Проспект 60-летия Октября, 7а, Москва, 117312

Введение.

1 Современная ситуация в области экспериментального поиска двойного бета-распада.

1.1 История вопроса.

1.2 Элементы теории двойного бета-распада.

1.3 Современный статус экспериментов по поиску двойного бета-распада.

1.4 Преимущество 100Мо для поиска двойного бета-распада.

2 Измерение временных параметров сцинтилляционных кристаллов СаМо04.

2.1 Установка для измерения временных параметров.

2.2 Полученные результаты.

2.3 Наличие аномальной быстрой компоненты.

2.4 Перспективы дискриминации альфа излучения на основе полученных результатов.

3 Измерение светового выхода сцинтилляционных кристаллов СаМо04.

3.1 Особенности измерения светового выхода кристаллов с длинным временем вспышки.

3.2 Измерения спектра излучения кристалла СаМоС>4.

3.3 Измерения показателя преломления кристалла СаМо04.

3.4 Установка для измерения светового выхода.

3.5 Результаты измерения световыхода для альфа-частиц и гамма квантов.

3.6 Альфа/ бета отношение.

4 Температурная зависимость светового выхода сцинтилляционных кристаллов СаМо04.

4.1 Установка для измерения зависимости формы импульса и светового выхода от температуры.

4.2 Результаты измерения зависимости формы импульса кристалла СаМоС>4 от температуры.

4.3 Программное обеспечение.

4.4 Результаты измерения зависимости амплитуды импульса и световыхода кристалла СаМоС>4 от температуры.

5 Допустимое содержание естественных радиоактивных примесей в кристаллах СаМоС>4.

5.1 Расчет индекса фона экспериментальной установки от примеси радионуклидов Ra-226 (214Bi) и 208Т1 в кристалле СаМоС>4.

5.1.1 Индекс фона сборки детекторов от внешнего у- источника.

5.1.2 Индекс фона сборки СаМоС>4 от излучения изотопов " Bin" Т1, присутствующих в материале ФЭУ.

5.1.3 Обсуждение результатов.

5.2 Содержание радиоактивных изотопов в исходных материалах и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоС>4 по данным подземного низкофонового полупроводникового спектрометра.

5.2.1 Методика измерений.

5.2.2 Обсуждение результатов.

Актуальность темы диссертации

Последние 25-30 лет можно смело назвать триумфальными в истории экспериментальной физики нейтрино. Действительно, перечень достижений экспериментальной нейтринной физики за этот период впечатляет. В этом перечне достойные места должны занимать детектирование нейтринного сигнала от взрыва сверхновой звезды SN1987A и открытие нейтринных осцилляций. Существование же нейтринных осцилляций возможно только при наличии у нейтрино ненулевой массы, что в свою очередь делает возможным двойные Р-распады ядер без образования нейтрино. Такие процессы обозначаются как Ovpp. Поиск безнейтринных двойных Р-распадов ядер является в настоящее время одной из центральных задач экспериментальной физики. Положительное наблюдение Ovpp дало бы окончательный ответ на вопрос является ли нейтрино дираковской или майорановской частицей, как предполагается в большинстве теорий с расширением Стандартной модели. Однако окончательный ответ может быть дан только в случае положительного наблюдения процесса Ovpp на нескольких изотопах с хорошей статистической точностью. Таким образом, регистрация безнейтринного двойного бета- распада будет означать открытие "новой физики".

Для выполнения экспериментов по поиску Ov(33 - распада требуется. большое количество (десятки и даже сотни килограмм) дорогостоящих обогащенных изотопов. Выбор рабочего изотопа для поиска Ovpp бета-распада определяется как возможностью его масштабного производства при относительно невысокой стоимости, так и возможностью создания на его основе экспериментальной установки с высокой эффективностью регистрации полезных событий и низким значением внутреннего фона, вызванного присутствием долгоживущих радионуклидов.

Высокая эффективность регистрации 100%) может быть достигнута только в случае, когда источник безнейтринного двойного бета распада одновременно является и детектором («источник = детектор»). Эта ситуация легко воспроизводится в исследуемом в настоящей работе монокристалле молибдата кальция CaMoCU, в кристаллической решетке которого молибден природного изотопного состава заменен на изотоп 100Мо. Преимущество выбора 100Мо в качестве кандидата для поиска 0vP(3 связано с тем, что его энергия распада (3.07 МэВ) является одной из наибольших. Большая энергия распада с одной стороны увеличивает вероятность OvPP, и с другой стороны существенно упрощает проблему дискриминации как внешнего, так и внутреннего фона. Неорганические монокристаллические сцинтилляционные детекторы CaMoCU требуют разумных усилий на свое создание (относительная дешевизна выращивания монокристаллов большого объема). При этом детекторы на основе СаМо04 могут работать как сцинтилляционные детекторы от комнатных до криогенных температур.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является:

• исследование параметров сцинтилляционных кристаллов CaMoCU, предназначенных для поиска двойного бета-распада изотопа 100Мо.

• измерение содержания радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах СаМоС>4 и определение их допустимого содержания для достижения чувствительности эксперимента на современном уровне.

Научная новизна

• Впервые детально исследованы временные параметры сцинтилляционного свечения кристалла СаМоС>4 и обнаружен ее сложный многоэкспоненциальный характер.

• Впервые обнаружена быстрая компонента сцинтилляционного свечения кристаллов СаМоС>4 при комнатной температуре.

• Исследован абсолютный световой выход и альфа/бета отношение кристалла СаМоС>4.

• Исследована температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла СаМо04.

• Измерено содержание радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах CaMoCU и определено их допустимое содержание для достижения чувствительности эксперимента на современном уровне.

Основные результаты, представленные к защите

1. Результаты измерения временных параметров сцинтилляционной вспышки кристалла СаМоО,*.

2. Сложный многоэкспоненциальный характер сцинтилляционного свечения СаМоС>4 при облучении а-частицами и у-квантами в диапазоне (0-120мкс).

3. Открытие быстрой компоненты сцинтилляционного свечения кристаллов СаМо04 при комнатной температуре, при облучении а-частицами и у-квантами в области времен 12-46 не.

4. Спектр излучения кристалла СаМоС>4.

5. Показатель преломления кристалла СаМоС>4.

6. Абсолютный световой выход кристалла СаМоС>4.

7. аУр-Отношение для кристалла СаМоС>4

8. Температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла СаМоС>4 в диапазоне температур от - 100 °С до +23 °С. Возрастание длительности вспышки в 2 раза и увеличение светового выхода в 2,5 раза.

9. Зависимость ожидаемого предела на периода безнейтринного двойного бета распада 100Мо от содержания радиоактивных примесей в кристалле СаМоО,*. Показано, что для достижения индекса фона 0,01 отсчета/год/кг/ кэВ допустимое содержание

214 ^08 -по изотопов Bi и ~ Т1 (от ~ U и ~ "Th рядов) в кристалле не должно превышать 20 мкБк/кг.

Ю.Результаты измерений содержания радиоактивных изотопов 40К,

228 л /232гг., N 208r-pi /232^,4 214та- /238тт\

Ас ( Th), Т1 ( Th) , Bi ( U) в исходных материалах кристалла и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМо04.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и представлялись на следующих конференциях: Школа-семинар студентов и молодых учёных «Фундаментальные взаимодействия и космология» (Москва, 2007), международной конференции SCINT (2009), семинарах ИЯИ РАН.

Публикации

Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 6 публикациях, в их числе 3 публикации в ведущих научных журналах перечня Высшей аттестационной комиссии.

Структура и объем диссертационной работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 102 страницы текста, 34 рис., 15 табл., список литературы из 110 названий.

Личный вклад диссертанта

Автор участвовал в разработке экспериментальных установок, для измерения временных и амплитудных параметров сцинтилляционного кристалла СаМо04 . Автором разработана и создана установка для измерения температурной зависимости параметров кристалла СаМо04. Автором выполнено исследование сцинтилляционных и временных параметров кристалла СаМо04. Автором разработано программное обеспечение для обработки полученных результатов. Автором выполнен расчет зависимости чувствительности эксперимента от содержания радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах CaMoCU. При участии автора выполнены измерения содержания радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах СаМо04.

Основные результаты, полученные в диссертации следующие:

При участии диссертанта разработаны и созданы измерительные установки для исследования временных и амплитудных параметров сцинтилляционных кристаллов СаМоО,*.

Разработана установка для измерения параметров кристалла СаМо04 вплоть до -100 градусов Цельсия.

Создано программное обеспечение для оцифровки и обработки полученных результатов.

Получены следующие физические результаты:

1. Измерены временные параметры сцинтилляционной вспышки кристалла СаМо04.

2. Впервые обнаружен сложный многоэкспоненциальный характер сцинтилляционного свечения СаМо04 при облучении а-частицами и у-квантами в диапазоне (0-120мкс), измеренная при помощи медленного и быстрого время-цифровых преобразователей. Основной вклад в полный световыход кристалла вносят медленные компоненты с постоянными временами высвечивания: от 1 мкс до 15,8 мкс для у-квантов и а-частиц (Табл 5).

3. Впервые обнаружены быстрые компоненты сцинтилляционного свечения кристаллов СаМо04 при комнатной температуре, при облучении а-частицами Ри) и у-квантами ( Cs) в области времен 12-46 не (Табл. 5).

4. Измерен спектр излучения кристалла СаМо04. Показано что спектр простирается от 400 нм до 700 нм, с максимумом в диапазоне длин волн 540-570 нм.

5. Измерен показатель преломления кристалла CaMoCV Кристалл имеет довольно высокий показатель преломления в диапазоне длин волн 520-650 нм: П = 2,10+ 0,10.

6. Исследован абсолютный световой выход кристалла СаМоС>4. Он составляет при комнатной температуре 22°С, ~2600 фотонов/МэВ

7. Измерено а/р-отношение для кристалла СаМоС>4 а/р =0,25.

8. Исследована температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла СаМо04В диапазоне температур от - 100 °С до +23 °С. При этом длительность импульса возрастает примерно в 2 раза, а световой выход увеличивается в 2,5 раза. Таким образом, максимальный световой выход составляет не менее 6600 фотонов/МэВ.

9. Выполнен расчет зависимости ожидаемого предела на периода безнейтринного двойного бета распада 100Мо в зависимости от содержания радиоактивных примесей в кристалле СаМоС>4 Показано, что для достижения индекса фона 0,01 отсчета/год/кг/ 1 А ^лп I^A л кэВ допустимое содержание изотопов " Bi и " Т1 (от ~ U и " Th рядов) в кристалле не должно превышать 20 мкБк/кг.

10.Измерено содержание радиоактивных изотопов 40К, 228

Ac (232Th),

208Т1 (232Th) ,214Bi (238U) в исходных материалах кристалла и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоС>4 . Показано, что правильный подбор процедуры предварительной очистки компонентов шихты позволяет получить существенное снижение содержания радиоактивных изотопов в продукте не менее чем в 50 раз.

11.Показано, что полученные результаты обеспечат верхний предел для времени жизни измеряемого двойного бета-распада порядка

Т i/2 = 7,3'10 лет для первой фазы полномасштабного эксперимента.

В заключении считаю необходимым выразить благодарность Л.Б. Безрукову, И.Р. Барабанову, Б.К, Лубсандоржиеву, В.В. Кузьминову, В.И. Гуренцову, В.Н. Корноухову за советы, консультации, критические замечания. Выражаю признательность своим коллегам, сотрудникам ИЯИ РАН за полезные обсуждения и дискуссии.

95

Заключение

1. Коваленко В. Э. «Исследование процессов двойного бета-распада 100Мо в эксперименте NEMO 3» : Дис. канд. физ.-мат. наук : 01.04.16 Дубна, 2006 116 с. РГБ ОД, 61:06-1/1205.

2. Боум Ф., Фогель П. Физика массивных нейтрино. М.: Мир, 1990.

3. Мое К. М. // Int. J. Mod. Phys. E., 1993, V. 2., p. 507.

4. Клапдор-Клайнгротхаус Г.В., Штаудт А. Неускорительная физика элементарных частиц. М.: Наука, 1997.

5. Zdesenko Yu. // Rev. Mod. Phys. 2002, V. 74, p. 663.

6. Bilenky S.M. // Phys. Atom. Nucl. 2006, V. 69, p. 2134.

7. Fermi E. Versuch einer theorie der P-strahlen. I // Z. Phys., 88, 1934, p. 161-177.

8. Lee T. D., Yang С N. // Phys. Rev. 104, 1956, p. 254; 1957, 105, p. 1671.

9. Klapdor-Kleingrothaus H.V. Sixty years of double beta decay // World. Sci., Singapore, 2001, p. 2-3.

10. Goeppert-Mayer M. Double beta-disintegration // Phys. Rev., 48, 1935, p. 512-516.

11. Majorana E. Nuovo cimento // 1937, 14, p. 171.

12. Racah G. Nuovo cimento // 1937, 14, p. 322.

13. Furry W. H. //Phys. Rev. 1939, 56, p. 1184.

14. Слив Л. A. // ЖЭТФ, 20, p. 1035.

15. Лазаренко В. P. Успехи физ. наук // т. 90, 1966, вып. 4, с. 601.

16. Fierman Е. Double beta decay // Phys. Rev., 1948, 74, p. 1238.

17. Fierman E. A measurements of the half-life of double beta-decay from 54Snl24 // Phys. Rev., 1949, 75, p. 323-324.

18. McCarthy J. Search for double beta-decay in Snl24 and Zr96 // Phys. Rev, 1953, 90, p. 492.

19. Reines F. Cowan C. // Phys. Rev., 1953, 90, p. 492.

20. Davis R. Attempt to detect the antineutrinos from a nuclear reactor by the 37C1( v,e)37Ar reaction//Phys. Rev., 1955, 97, p. 766-769.

21. Гангапшев A. M. Поиск двойного бета-распада 136Xe с помощью медных пропорциональных счетчиков высокого давления: Дис. . канд. физ.-мат. наук : 01.04.16 Москва, 2005 118 с. РГБ ОД, 61:05-1/1293.

22. Lee Т., Yang С. Question of perity conservation in weak interactions // Phys. Rev, 1956, 104, p. 254-258.

23. Wu C. et al. //Phys. Rev., 1957, 105, p. 1431.

24. Ландау Л. Об одной возможности для поляризационных свойств нейтрино // ЖЭТФ, 1957, 32, с. 407-408.

25. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика, т.1, Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.

26. Барабаш А.С. //Ядер, физ., 2008, № 7, с. 1230-1241.

27. Chikashige Y., Mohapatra R.N., Peccei R.D. // Phys.Lett., 1981, B98, p. 265.

28. Gelmini G.B., Robcadeli M. // Phys.Lett., 1981, B99, p. 131.

29. Barmet P., Burgess C.P., Mohapatra R.N. // Nucl.Phys, 1995, B449, p. 25.

30. Aulakh C.S., Mohapatra R.N. // Phys.Lett., 1982, BI 19,p. 136.

31. Doi M., Kotani Т., Nishiura H., E. Takasugi // Prog, of Theo.Phys., 1985, p. 85.

32. Burgess C.P., Cline J.M. // Phys.Lett., 1993, B298, p. 141.

33. Elliott S.R., Hahn A.A., Мое M.K. // Phys.Rev.Lett., 1987, 59, p. 2020.

34. Barabash A.S., Czech J. // Phys. 2006, 56, p. 437.

35. Klapdor-Kleingrothaus H.V. et al. // Eur.Phys.J, 2001, A12, p. 147.

36. Klapdor-Kleingrothaus H.V., Dietz A., Krivosheina I.V. // Mod.Phys.Lett. 2002, Al6, p. 2409.

37. Klapdor-Kleingrothaus H.V., Krivosheina I.V., Dietz A., Chkvoretz O. // Phys.Lett., 2004, B586 198; preprint (hep-ph/0404088.), p. 3121.

38. Aalseth C.E. et al. // Mod.Phys.Lett., 2002, A17, p. 1475.

39. Feruglio F., Strumina A. and Vissani // Nucl.Phys., 2002, B637, p. 345.

40. Zdesenko Yu.G., Danevich F. and Tretyak V.I. // Phys.Lett., 2002, B546, p. 206.

41. Беляев, доклад на конф-ции (NANP) 2003; Bakalyarov A.M. et al., preprint hep-ex/0309016.

42. Avignone F.T., Elliott S.R., and Engel J. // Rev. Mod. Phys., 2008, Vol. 80, No. 2.

43. Ogawa, I., et al. // Nucl. Phys., 2004, A730, p. 215.

44. Klapdor-Kleingrothaus H. et al. // Eur. Phys. J., 2001, A12, p. 147.

45. Klapdor-Kleingrothaus H. V., and Krivosheina I. V. // Mod. Phys. Lett., 2006, A21, p. 1547.

46. Aalseth С. E., et al. IGEX // Phys. Rev., 2002a, D65, 092007.

47. Barabash, A. S., NEMO // 2006b, e-print arXiv:hep-ex/ 0610025.

48. Danevich, F. A., et al. // Phys. Rev., 2003, C68, 035501.

49. Bernatowicz, Т., et al. // Phys. Rev., 1993, C47, p. 806.

50. Bernabei, R., et al. // Phys. Lett, 2002, B546, p. 23.

51. Barabash, A. S. // Phys. At. Nucl., 2005, 68, p. 414.

52. Umehara, S., et al. // J. Phys.: Conf. Ser., 2006, 39, p. 356.

53. Zdesenko, Yu. G., et al. // Astropart. Phys., 2005, 23, p. 249.

54. Zuber, К., // Phys. Lett., 2001, B519, p. 1.

55. Arnaboldi C., et al. // Phys. Rev. Lett., 2005, 95, 142501.

56. Ardito R., et al. // 2005, e-print arXiv:hep-ex/0501010.

57. Ishihara, N., et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., 2000, A443, p. 101.

58. Danilov M., et al. // Phys. Lett., 2000, B480, 12.

59. Zdesenko Yu. G., Ponkratenko O. A., and Tretyak V. I. // J. Phys., 2001, G27, p. 2129.

60. Klapdor-Kleingrothaus H., et al. // Eur. Phys. J., 2001, A12, p. 147.

61. Schonert, S., et al. //Nucl. Phys. B, Proc. Suppl., 2005, 145, p. 242.

62. Danevich F. A., et al. // Phys. Rev., 2000, C62, 045501.

63. Wang S. C., Wong H. Т., and Fujiwara M. //Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., 2002, A479, p. 498.

64. Gaitskell R., et al., Majorana E., 2003, e-print arXiv:nuclex/ 0311013.

65. Nakamura H., et al. // J. Phys. Soc. Jpn., 2007, 76, 11420.

66. Chen M. // Nucl. Phys. B, Proc. Suppl., 2005, 145, p. 65.

67. Barabash, A. S., NEMO // Phys. At. Nucl., 2004, 67, p. 1984.

68. Caccianiga В., and M. G. Giammarchi // Astropart. Phys., 2001, 14, p. 15.

69. Doi M. et al. //Prog. Theor. Phys. Suppl., 1985 , 83, p. 1.

70. Suhonen J. and Civitarese O. // Phys. Rep., 1998, 300, p. 123.

71. Tretyak V.I. and Zdesenko Yu.G. // At. Data Nucl. Data Tables, 61, 1995, p. 43; 80, 2002, p. 83.

72. Шашков Ю.М. Выращивание монокристаллов методом вытягивания. М.: Металлургия, 1982.

73. Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. М.: Высш. шк., 1983, с. 152-161.

74. Mikhrin S.B., Mishin A.N., Potopov A.S. et al. // Nucl. Instrum. and Methods, 2002, V. 486, p. 295.

75. Belogurov S., Kornoukhov V., Annenkov A. et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci., 2005, V. 52, №4, p. 1131.

76. Mikhailik КВ., Henry S., Kraus K, Solskii I. // Nucl. Instrum. and Methods, 2007, V. 583, p. 350.

77. Annenkov A.N., Bazunov O.A., Danevitch F.A. et al. // Nucl. Instrum. and Methods, 2008, V. 584, p. 334.

78. Mikhailik V.B., Kraus H., Itoh M. et al. // J.Phys.: Condens. Matter., 2005, V. 17, p. 7209.

79. Connor D.V., Philips D. Time-correlated Single Photon Counting. L.: Academic Press, 1984.

80. Becker W. Advanced Time-Correlated Single Photon Counting Techniques // Dortmund: Springer, 2006.

81. Бессонова H.A., Морозов А.Г. Препринт ИАЭ-4366/16. М., 1986.

82. Полещук Р.В. Магистерская диссертация. М.: МФТИ, 2005.

83. Георгиев А., Чурчин И.Н. Препринт ОИЯИ 10-88-381. Дубна, 19.

84. Mikhrin S.B., Mishin A.N., Potopov A.S. et al. //Nucl. Instrum. and Methods, 2002, V. 486., p. 295.

85. Belogurov S., Kornoukhov V., Annenkov A. et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci., 2005, V. 52. №4., p. 1131.

86. Mikhailik V.B., Henry S., Kraus H., Solskii I. // Nucl. Instrum. and Methods, 2007, V. 583., p. 350.

87. Annenkov A.N., Bazunov O.A., Danevitch F.A. et al. // Nucl. Instrum. and Methods, 2008, V. 584, p. 334.

88. Mikhailik V.B., Kraus H., Itoh M. et al. // J.Phys.: Condens. Matter, 2005, V. 17, p. 7209.

89. Mineev O., Afanasjev A., Bondarenko G. et al. // Nucl. Instrum. and Meth.,2007, V. 577, p.540.

90. Мусиенко Ю.В., Ахрамеев E.B., Афанасьев А.Ю. и др. // ПТЭ, 2008, №1, с. 111.

91. Kraus Н., Bauer М., Bavykina, et al. // Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), 2007, V. 173, p. 168.

92. Акимов Ю.К., Зрелов В.П., Пузынин А.И. и др. // ПТЭ, 2002, №5, с. 55.

93. Bellunato Т., Calvi М., Matteuzzi С. et al. // Nucl. Instrum. and Methods,2008, V. 595, p. 183.

94. Акимов Ю.К. Фотонные методы регистрации излучений. Дубна // ОИЯИ, 2006.

95. Вересникова А.В., Барабанов И.Р., Лубсандоржиев Б.К. и др. // ПТЭ,2009, №1, с. 41.

96. Veresnikova A.V., Barabanov I.R., Lubsandorzhiev В.К. et al // Nucl. Instrum. and Methods, 2009, V. 603., p. 529.

97. Ковальски E. Ядерная электроника. M.: Атомиздат, 1972, 855 с.

98. Калашников В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных частиц. М.: Наука, 1970.

99. Photomultiplier Handbook. BURLE INDUSTRIES INC. Tube Products Division. Lancaster USA, 2000.

100. Belogurov S., Kornoukhov V., Annenkov A. et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci., 2005, V. 52, №4, p. 1131.

101. Kraus H., Mikhailik V. B. and Wahl DM Nucl. Instr. Meth., 2005, A553, c. 522.

102. Mikhailik V.B., Henry S., Kraus H., Solskii I. // Nucl. Instrum. and Methods,2007, V. 583, p. 350.

103. Firestone R.B. Table of Isotopes. CD ROM Edition. Editor V.R.Shirley, CD-ROM Editor Frank S.Y., Chu, Assistant Editors Baglin C.M. and Zipkin J. Wiley-Interscience. Version 1.0., 1996.

104. R.B. Firestone, et al., Table of Isotopes, eighth ed.,Wiley, New York, 1996 and CD update, 1998.

105. Annenkov A.N., et all. Development of CaMo04 crystal scintillators for a double beta decay // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,2008, 584, p. 334-345.

106. Зацепин Г.Т., Ковальчук E.JL, Кузьминов В.В., Поманский А.А. Подземная низкофоновая камера // Сборник "Краткие сообщения по физике", ФИАН, Москва, 1975, N6, с. 20-23.

107. Справочник под ред. И.К. Кикоина. «Таблицы физических величин». М.: Атомиздат, 1976.110. «Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения». Часть вторая. Книга 2, М.: Энергоатомиздат, 1987.