Исследование свойств жидкостных ионизационных и кристаллических сцинтилляционных детекторов, содержащих в рабочей среде ядра-мишени D и 176Yb, с целью их применения для регистрации нейтрино тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Государственный научный центр РФ "Институт теоретической и экспериментальной физики"

На правах рукописи

Белогуров Сергей Геннадьевич

Исследование свойств жидкостных ионизационных и кристаллических сцинтилляционных детекторов, содержащих в рабочей среде ядра-мишени D и 176УЬ, с целью их применения для регистрации:

нейтрино,

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

(01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики)

Москва 2004 год

УДК 539.12

Работа выполнена в Государственном научном центре РФ "Институт теоретической и экспериментальной физики", г. Москва

Научный руководитель: доктор фаз.-мат. наук

А. С. Барабаш

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук профессор

кандидат физ.-мат. наук

Л. Б. Безруков (ИЯИ РАН) Д. Ю. Акимов (ИТЭФ)-

Ведущая организация:

НИИЯФ им, Д. В. Скобельцына при МГУ

Защита состоится "25" мая 2004 года в "11" часов на заседании диссертационого совета Д.201.002.01 при ИТЭФ по адресу: 117259, Москва, Б. Черемушкинская ул. д. 25 в конференц-зале Института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ.

Автореферат разослан "23я апреля 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационого совета Д.201.002.01^

кандидат физ.-мат. наук ' В. В. Васильев

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В последние годы в нейтринной физике были сделаны важные открытия. В экспериментах с солнечными и атмосферными нейтрино, а также в экспериментах с реакторными антинейтрино и нейтрино от ускорителей были обнаружены нейтринные осцилляции. Это открытие вызвало новый всплеск интереса к физике нейтрино

В настоящее время перед нейтринной физикой стоят следующие актуальные задачи:

- определение природы массы нейтрино: дираковская это частица или

майорановская, т.е. эквивалентны ли V и V;

- определение иерархии масс и, в дальнейшем, их абсолютных значений;

- определение параметров смешивания, включая проверку несохранения СР

четности в лептонном секторе.

Для решения этих фундаментальных задач, а также для исследования с помощью нейтрино недр Земли и Солнца, необходимы новые, более чувствительные эксперименты, способные измерять энергетические спектры и потоки нейтрино и антинейтрино различных ароматов.

Одним из направлений развития техники нейтринных экспериментов является внедрение в рабочее вещество детектора специфических ядер-мишеней, имеющих высокое сечение взаимодействия с нейтрино. Реакции нейтрино на ядрах должны обладать характерными особенностями (сигнатурами), позволяющими идентифицировать полезные события. Важна также способность детектора определять энергию нейтрино.

В данной диссертации исследуются свойства новых классов детекторов, содержащих в рабочей среде ядра D и 176УЪ. Дейтерий позволяет регистрировать солнечные нейтрино борного цикла и антинейтрино от реактора. Среди всех ядер-мишеней, дейтрон обладает наибольшим сечением, приходящимся на единицу массы вещества мишени. Характерной особенностью ядра дейтерия является наличие двух каналов взаимодействия с нейтрино — через заряженные токи (СС) и через нейтральные (N0). Причем, сечения взаимодействия по каждому из каналов и, особенно, их отношение могут быть расчитаны с высокой точностью, что очень важно для корректной интерпретации результатов измерений. 17eYЪ имеет низкий порог взаимодействия с нейтрино и позволяет регистрировать солнечные нейтрино рр-цикла. В обоих случаях имеются сигнатуры, позволяющие отличать нейтринные события от фоновых. В исследуемых детекторах возможно также определение энергии легких продуктов реакций - электронов и позитронов, которая пропорциональна энергии

Цель диссертационной работы I п2п?29/рг

«цд зооу«,, -ц I

Целью работы является исследование свойств двух новых классов детекторе костных ионизационных детекторов на дейтерометане (CD*) и аргон-дейтерометановых

смесях я 2) сцинтилляционных детекторов на основе Yb:YAG (иттрий-иттербиевый алюминиевый гранат) и других веществ, содержащих Yb, а также изучение возможности использования этих детекторов в нейтринной физике и других областях.

Научная новизна

Научная новизна работы определяется следующим.

Впервые исследованы свойства жидкостных ионизационных детекторов на дей-терометане и аргон-дейтерометановых смесях. Проведено сравнение характеристик метана и дейтерометана, и исследовано влияние изотопного замещения на электронные свойства веществ.

Изучены такие вопросы эксплуатации аргон-метанового (аргон-дейтерометанового) детектора, как радиационная стойкость и пожарная безопасность.

Впервые проведено систематическое исследование свойств сцинтиллятора Yb:YAG. Определен диапазон параметров, которые может иметь детектор на основе Yb:YAG и влияние на них таких факторов, как содержание иттербия, качество образца и рабочая температура.

Впервые изучен сцинтиллятор Yb:YAP (перовскит), и показано, что он имеет наибольший световыход среди всех известных сцинтилляторов, содержащих Yb. Показана перспективность материала Yb:LuAG (лютеций-алюминиевый гранат) для создания сцинтилляционных детекторов.

Впервые исследованы свойства инфракрасной (ИК) сцинтилляции Yb:YAG и Yb:YAP.

Практическая ценность работы

Полученные данные могут быть использованы для планирования и создания вового поколения детекторов нейтрино.

Проведенный анализ особенностей эксплуатации аргон-метановых детекторов позволяет оценивать безопасность и долговечность таких детекторов, как в условиях подземной лаборатории, так и при их использовании для регистрации нейтронов и в экспериментах на ускорителях.

Результаты измерений электронных свойств дейтерометана и аргон-дейтерометановых смесей представляют интерес для физики электронных и атомных столкновений и физики жидкости, а данные о люминесцентных свойствах Yb:YAG, Yb:YAP и YbгLuAG — для физической оптики.

Результаты, выносимые на защиту

1) Исследование электронных свойств газообразного дейтерометана: определение средней энергии образования электрон-ионной пары, измерение скоростей дрейфа электронов, анализ изотопных эффектов.

2) Исследование электронных свойств жидкого дейтерометана: измерение выхода ио-низационого заряда с треков релятивистских электронов, измерение скоростей дрейфа

электронов, обнаружение изотопного эффекта в скорости дрейфа.

3) Исследование электронных свойств жидких смесей дейтерометана с аргоном: измерение выхода иокизационого заряда с треков релятивистских электронов, измерение скоростей дрейфа электронов.

4) Анализ радиационных изменений в Ar-CD4/CH4 детекторах.

5) Изучение вопроса пожарной безопасности Ar-CD4/CH4 детекторов.

6) Исследование люминесцентных свойств новых сцитилляторов Yb:YAG и Yb:YAP: определение зависимостей относительного световыхода charge transfer (CT) и инфракрасной (ИК) сцинтилляции от температуры, содержания Yb я качества образцов, определение времен высвечивания СТ и ИК сцинтилляции.

7) Определение абсолютных световыходов сцитилляторов Yb:YAG и Yb:YAP.

8) Исследование спектрометрических свойств охлаждаемых сцитилляторов Yb:YAG и Yb:YAP при считывании ФЭУ и лавинным фотодиодом.

Апробация диссертации

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах [1-11] и доложены автором на заседаниях сессии ОЯФ РАН в ИТЭФ в 1998 и 2000 годах, на конференции SCINT2001 (Шамони, Франция), на рабочих совещаниях коллабораций LENS и ICARUS и на семинаре в лаборатории Леньяро (Италия).

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 98 наименований. Общий объем диссертации составляет 9S страниц, она включает 49 рисунков и 14 таблиц

Содержание работы

Во введения вкратце обрисовано состояние дел в экспериментальной физике нейтрино, сложившееся после открытия нейтринных осцилляции. Перечислены актуальные задачи требующие измерения потоков и энергетических спектров нейтрино. Обоснован интерес к введению в рабочую среду детекторов ядер-мишеней Б и 1,6УЬ. Дейтрон позволяет регистрировать солнечные нейтрино борного цикла и реакторные антинейтрино, а 1,6УЬ — солнечные нейтрино рр цикла. Обозначены экспериментальные предпосылки к изучению таких детекторов, как жидкостные ионизационные камеры на дейтерометане и аргон-дейтерометановых смесях и кристаллические сцинтилляционные детекторы на основе УЬгУЛО и других веществ, содержащих ион УЬ3+. Анализ имеющихся данных по каждому из рассмотренных свойств дан в соответствующих разделах.

Глава 1 целиком посвящена исследованию электронных свойств дейтерометана и аргон-дейтерометановых смесей.

Жидкий метан является достаточно хорошо изученной средой для ионизационных камер. Благодаря неполярности и сферичности молекул, метан по своим электрон-

ным свойствам приближается к сжиженным благородным газам. Однако, имеются -некоторые отличия,- связанные с наличием у молекулы метана колебательных степеней свободы. Ими же, в основном, обусловлены отличия свойств метана и дейтеро-метана (изотопные эффекты). С целью определения величины и выяснения природы изотопных эффектов, были выполнены исследования с газообразными метаном и дей-терометаном. Следует отметить, что если свойства метана описаны во многих работах, то данные по дейтерометану были чрезвычайно скудны.

В параграфе 1.1 описана экспериментальная установка с помощью которой выполнены, все измерения, обсуждаемые в данной главе. В основе установки лежит ионизационная камера с сеткой.

2.

1 ю

о

6 4

2 0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3: 3.5

Е/Р, kV/(cm*bar)

Рис. 1: Зависимость скорости дрейфа электронов от приведенной • напряженности поля в газообразных метане и дейтерометане при комнатной температуре. о-СН4 [2]; пунктир-СН4 [12]; A-CD< [2]; сплошная линия - CD4 [12].

Исследования выполненные в газовой фазе описаны в параграфе 1.2. Основные результаты этого параграфа таковы.

Впервые измерена средняя энергия образования электрон-ионной пары при ионизации альфа-частицами в дейтерометане: Wcd4=29.05±0.12 эВ, что несколько меньше, чем в метане = 1.008 ± 0.002). Приведено объяснение такого эффекта, связанное с существованием сверхвозбужденных состояний, для которых ионизация и диссоциация являются конкурирующими процессами. За счет большей приведенной массы нормальных колебаний, в дейтерометане диссоциация идет медленнее, и относительный выход ионизации увеличивается.

Выполнены измерения скорости дрейфа ионизационных электронов в метане и дейтерометане при Р=1 атм. Результаты измерений и литературные данные при Р=25 мм.рт.ст. показаны на рис. 1. В результате анализа этих данных на основании

см

о

- -15

О 10

10

/

-17

10

10

-2

10

•1

1

Е, е\/

Рис. 2: Энергетическая зависимость сечения столкновений с передачей импульса для электронов в метане (сплошная линия) и сечений неупругих взаимодействий электронов в метане (штриховая линия) и дейтерометане (пунктирная линия) [3, 12].

уравнения Больцмана, описывающего дрейф электронов, удалось установить, что изотопный эффект в скорости дрейфа обусловлен сечением неупругих столкновений, которое имеет в дейтерометане меньший порог и несколько меньшую абсолютную величину (рис. 2).

Параграф 1.3 посвящен изучению свойств жидких СН* и СБ^ В результате очистки с помощью адсорбента "никель на кизелЪЙуве"

удалось понизить содержание электроотрицательных примесей в жидкости до уровня Впервые измерен выход ионизационного заряда со следов релятивистских электронов в жидком СБ4 (рис. 3). Установлено, что в пределах точности измерений изотопный эффект отсутствует.

Используя оригинальный метод считывания сигнала с ионизационной камеры, измерена скорость дрейфа избыточных электронов при Т= 111 К. Обнаружен изотопный эффект (рис. 4). Показано, что в дейтерометане зависимость линейна во всем исследованном диапазоне полей, соответствующая подвижность: цд = 440 ± 30 см2/(В-с). В метане же зависимость линейна лишь до £е=1.8 кВ/см и подвижность в малых полях составляет

Для дейтерометана измерена зависимость подвижности в малых полях от температуры. Сравнение с литературными данными по метану обнаруживает большой разброс величины подвижности при сохранении формы зависимости (рис. 5). Для всей совокупности данных тенденция такова, что по мере повышения чистоты жидкости подвижность возрастает.

В параграфе 1.4 исследуются свойства Лг-СМ смесей, отмечены особенности экспериментальных процедур при работе со смесями. В частности, время термостаби-лизадии для смесей после заполнения камеры оказалось примерно на порядок выше,

Рис. 3: Выход заряда с треков релятивистских электронов в жидких метане и дейтеро метане в зависимости от напряженности электрического поля.

Метан: сплошная линия - [13], Т=125 К; *— [14], Т=125 К; наша работа [4], Т=120 К; дейтерометан: Д- наша работа [4], Т=120 К; о- наша работа [2], Т=120 К.

1.4

12.

03

06

0.4

02

I-

1

- .к-

1 1.1.1.1.

0.5

1.5

2.5

Е, кУ/сгп

Рис. 4: Скорость дрейфа ионизационных электронов в жидких метане (Д) и дейтерометане (*) при Т=111 К в зависимости от напряженности электрического поля.

чем для отдельных компонентов, и составило около 30 мин. Измерения выполнены со смесями содержащими 2%, 5%, 10% и 25 % CD4. Интересно отметить, что смесь,

Рис. 5: Температурная зависимость подвижности электронов в жидких метане и дейтеро-метане.

Метан: штриховая линия - [15], сплошная линия - [16], пунктирная линия - [17], о— [14], [18], А— [19], *— [20], о— наша работа [4]; дейтерометан: •— наша работа [4], *— наша работа [2].

Рве. 6: Выход заряда с треков релятивистских электронов в жидких смесях аргона и дейтерометана в зависимости от напряженности электрического поля.

»- Аг, Т=100 К; о- Аг+2%СЭ4, Т=95 К; Д- Аг+5%СЭ4, Т=95 К; *- Аг+Ю%С04, Т=95 К; □- Аг+25%С04, Т=95 К; СО,, Т=120 К; сплошная Ливия - Аг, Т=100 К [13].

содержащая 25% при температуре жидкого аюта находится в жидкой фазе. Исходные вещества были очищены до уровня (1.7±0.2)-10~9экв. Ог. Были выпол-

о —I_I_I_I_._I_I_I_I_I_I_I_._и

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Е. тот

Рис. 7: Скорость дрейфа ионизационных электронов в жидких Аг-СЭ4 смесях в зависимости от напряженности электрического поля.

о- СТ>4, Т=П1 К; Д- Аг+10%С04, Т=95 К; *- Аг+5%С04, Т=95 К; Аг+2%СТ)4,

нены измерения времени жизни избыточных электронов до захвата (г) в зависимости от содержания дейтерометана. Величина плавно меняете от 120 мкс в аргоне до 100 мкс в дейтерометане.

Измерен выход ионизационного заряда с треков релятивистских электронов (рис. б). Важно отметить, что аналогичные данные для смесей аргона и метана в литературе отсутствуют. При обсуждении зависимостей отмечается, что выход заряда с трека может быть ограничен не только парной рекомбинацией, но и прилипанием электронов к электроотрицательным радикалам, которые (гл. 3) образуются вблизи трека за счет радиолиза метана.

Измерены зависимости скорости дрейфа избыточных электронов: в исследованном диапазоне полей скорость дрейфа возрастает при увеличения содержания дейтерометана (рис 7). Для смеси Аг+25%СБ4 обнаружена аномальная зависимость скорости дрейфа в малых полях, что, вероятно, связано с особенностями структуры жидкости.

Таким образом, получена информация, необходимая для моделирования и разработки аргон-дейтерометановых детекторов.

Вклад автора в работы, описанные в первой главе, заключался в участии в изготовлении газовой системы, наладке камеры, организации и настройке электронного тракта. Автор внес основной вклад в работу на этапе проведения измерений и при подготовке статей и препринтов к печати.

Во второй главе рассмотрены физические и эксплуатационные характеристики

детекторов на основе Аг-СНч/СОч смесей. В параграфе 2.1 обсуждаются такие характеристики жидкостных ионизационных детекторов, как энергетическое разрешение, временное и пространственное разрешение и чувствительность к угловой направленности потоков гамма квантов или нейтрино.

В параграфе 2.2 впервые анализируется проблема радиационной стойкости детектора на аргон-метановой смеси. Этот вопрос интересен в связи с имеющимися предложениями по использованию таких детекторов не только в низкофоновых нейтринных экспериментах, но и в ускорительных экспериментах и для регистрации нейтронов. Рассмотрены основные ион-молекулярные реакции, которые имеют место при радиолизе чистого метана и аргон метановой смеси. Особое значение имеют реакции катионной полимеризации

СпН2„+1+СН4 -> Сп+1Н£,+3+Н2

Аг++СН4 АГ+СН^+Н

На основании анализа имеющейся информации дана картина радиационных изменений в детекторе. Выделены следующие основные моменты:

1. Основным продуктом радиолиза является водород, который выходит в газовую фазу, не оказывая влияния на электронные свойства детектора (что подтверждено выполненными автором специальными измерениями)..

2. При облучении в жидкости образуется равновесная концентрация электроотрицательных радикалов, которые захватывают дрейфующие электроны.

3. Конечные продукты радиолиза - стабильные тяжелые углеводороды образуют диэлектрическую пленку на стенках и электродах камеры.

Сделаны оценки радиационной стойкости: для детекторов с содержанием метана . более 1% максимальная мощность дозы составляет 10 рад/с. Поглощение дозы 1 Мрад в камере с зазором шириной 5 см приводит к образованию пленки толщиной несколько микрон. Отмечено, что влияние диэлектрической пленки на свойства детектора в случае жидкостной ионизационной камеры должно быть значительно меньше, чем, например, в случае пропорциональных счетчиков.

В параграфе 2.3 автором рассмотрена проблема пожарной безопасности аргон-метанового детектора. Рассмотрение выполнено на основании' теории гомогенного горения и опубликованных данных о концентрационных пределах воспламенения метана при истечении в смесь воздуха и различных газов флегматизаторов. Показано, что при эксплуатации детектора в атмосфере стандартного состава, максимальное безопасное содержание метана в аргон-метановой смеси составляет 8.5%. При понижения содержания кислорода в воздухе безопасное содержание метана возрастает. Например, при содержании кислорода 16%, безопасная смесь может содержать до 20% метана.

В результате выполненной работы, прояснены важные вопросы эксплуатации жидкостных детекторов на и их смесях с аргоном.

Автором был проведен поиск и анализ литературных данных, сделаны выводы и оценки, он внес основной вклад в проведение необходимых измерений и подготовку препринтов к печати.

В следующих двух главах рассматривается другой возможный тип детекторов нейтрино - кристаллические сцинтилляторы, содержащие иттербий.

В Главе 3 приведены результаты исследований люминесцентных свойств кристаллов, содержащих ион Yb3+. Особенностью выполненных работ было то, что впервые люминесценция возбуждалась не потоками УФ и рентгеновского излучения, а заряженными частицами и единичными гамма-квантами, и использовались высококачественные кристаллы объемом до десятков см3. Кроме того, исследования выполнены на большом количестве образцов Yb:YAG, что позволило сделать некоторые обобщения.

Рис. 8: Спектры катодолюминесценции трех образцов Yb:YAG.

Сплошные линии-комнатная температура; пунктир - Т=97 К для образна 7, Т=88 К для образца 1, Т=90 К для образца 3; штриховые линии - спектры пропускания при комнатной температуре. По вертикали — отн. единицы.

d 225

75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

T,K

Рис. 9: Зависимость относительного световыхода YbYAG и YbYAP от температуры при возбуждении а-частицами.

образец 14 (5%Yb:YAP), • - образец 3 (25%Yb:YAG), ♦ - образец 1 (10%Yb:YAG),

В параграфе 3.1 обсуждены система энергетических уровней этого иона и основные особенности процесса СТ (charge transfer) люминесценции.

Исследования выполнены с 13 кристаллами Yb:YAG а также с образцами Yb:YAP и Yb:LuAG. Образцы описаны в параграфе 3.2

В параграфе 3.3 исследуются свойства СТ сцинтилляции. Измерены спектры свечения и пропускания образцов. Лучшие образцы прозрачны в области свечения. Остальные имеют небольшое поглощение в коротковолновой части. Спектр СТ като-долюминесценции имеет два широких максимума: один - в УФ области, и другой -в видимой (рис. 8). Спектры слабо зависят от температуры.

Измерена температурная зависимость относительного световыхода сцинтилляции при возбуждении альфа-частицами (см., например, рис. 9). Имеет место тепловое и концентрационное тушение люминесценции. Кроме того, показано, что световыход сильно зависит от качества образцов (рис. 10).

Измерены характерные времена сцинтилляций, возбужденных гамма квантами. Измерения проводились путем оцифровки формы индивидуальных импульсов, что соответствует практике современных низкофоновых экспериментов. Сделано сравнение использованного метода с традиционным методом счета фотонов. Импульсы как правило неэкспоненпиальны, поэтому характерное время сцинтилляции (г) определялось как время необходимое для уменьшения величины сигнала в е раз относительно максимума.

6 225

го

+2 200

f" 175

о

£ 150

о)

125

со г 100

75

50

25

0

Г YAP

L О 1 3

в 2 " 4

8 . А 9 LuAG 1 ....!., . 10 I , , 1 1 , . . , 1 , . , ,

ю

20

30

40

50 60 Conc Yb, %

Рис. 10: Максимальный световыхоп CT сцинтилляция Yb:YAG в зависимости от содержания Yb.

• - образцы из Шанхая, ■ - образцы от "Scientific Materials", А - образец 1 (FEE), о - образец 11 (YAP), Д - образец 12 (LtiAG).

Т,к

Рис. 11: Время высвечивания СТ сцинтилляции Yb:YAG и Yb:YAP в зависимости от температуры.

А-образец 11 (YAP), * -образец 5 (YAG). Для сравнения приведен световыход (отн. ед.) СТ сцинтилляции в зависимости от температуры с рис. 9; пунктир - образец 11 (YAP), штриховая линия - образец 3 (YAG, вырезан из той же були, что и образец 5 ).

Время высвечивания при охлаждении возрастает, но не пропорционально све-товыходу (рис. 11). Для каждого образца имеется температура, при которой достигается максимальное отношение световыхода ко времени высвечивания, например, для образца (УЬ25%):УЛО (25% атомов иттрия замещены иттербием) эта температура равна 184 К. В этом же параграфе коротко обсуждены физические причины наблюдаемых зависимостей.

Т. К

Рис. 12: Время высвечивания ИК катодолюминесценпнн YbYAG и Yb:YAP в зависимости от температуры.

• - образец 9 (20%Yb:YAG), образец 3 (25%Yb:YAG), * - образец 11 (YAP).

В параграфе 3.4 описана ИК сцинтилляция (катодолюмилегценция) Yb:YAG. Обсуждены физические и технологические предпосылки, делающие интересными исследования ИК сцинтилляции; В частном случае сцинтилляторов, содержащих Yb, использование ИК сцинтилляции может расширить возможности детектора, а изучение ее особенностей может помочь в оптимизации характеристик сцинтилляторов данного класса. Измерен спектр ИК люминесценции Yb:YAG - максимум высвечивания находится на 1.03 мкм, что соответствует длине волны лазеров на основе иттербия. Произведена оценка абсолютного световыхода ИК люминесценции. Для образца (YblO%):YAG световыход достигает 8>10 фотонов/МэВ при комнатной температуре. Для исследованных образцов время высвечивания меняется в диапазоне 1-4 мс. При охлаждении амплитуда ИК импульсов слабо возрастает, а время высвечивания падает (рис. 12). Однако, динамика температурной зависимости для разных образцов отличается. Приведены соображения, объясняющие аномальную температурную зависимость.

Исследована корреляция свойств СТ сцинтилляции и ИК катодрлюминесценции (параграф 3.5). Как общая тенденция, корреляция имеет место, однако, для не-

которых образцов она нарушена. Из этого делается вывод о наличии дефектов, избирательно гасящих ИК люминесценцию.

В параграфе 3.6 сообщаются результаты исследования других сшштилляторов, содержащих ион УЬ3+ — (УЬ5%):УАР и (УЬ15%)ЬиАС. УЬ:УАР имеет самый большой световыход СТ сцинтилляции среди всех исследованных образцов. При изучении ИК катодолюминесценцяи УЪ.УАР, особенно ярко проявился эффект, имеющий место и в других образцах: при увеличении плотности энергии электронного пучка возрастает время высвечивания. Природа этого эффекта неизвестна, однако, его существование делает особенно интересной задачу измерения свойств ИК сцинтилляции, вызванной единичным гамма квантом или минимально ионизирующей частицей. Свдштиллятор УЪ:ЬиАО интересен тем, что обладает высокой эффективностью регистрации гамма квантов. Исследованный образец был весьма низкого качества, однако, измеренная интенсивность СТ сцинтилляции указывает на перспективность этого материала.

Таким образом, получена информация о свойствах СТ и ИК сцинтилляции кристаллов с иттербием и изучено влияние различных факторов на параметры сцинтилляции.

Автор внес основной вклад в подготовку и проведение описанных в данной главе измерений и подготовку статей к печати.

Рис. 13. Спектр сцинтилляциоьшьк сигналов от источника I37Cs (Ь,=662 кэВ).

Образец б (YAG), Тк90-100 К. Для определения числа электрон-дырочных пар, внизу показан спектр зарегистрированных непосредственно в LAAPD сигналов от источника 65 Fe (Е,=5.9 кэВ).

В Главе 4 рассмотрены некоторые вопросы эксплуатации детекторов на основе изученных сцинтилляторов. В параграфе 4.1 анализируются особенности работы ври низких температурах ФЭУ и лавинных фотодиодов большой площади (LAAPD), и проводится сравнение их характеристик. В параграфе 4,2 описывается измерение абсолюгного световыхода СТ сцинтилляции при регистрации гамма квантов. Впервые для данного класса сцинтилляторов получены амплитудные спектры сигналов

(см., например, рис. 13). Определено количество фотоэлектронов ери считывании ФЭУ и число первичных электрон-дырочных пар при считывании ЬЛЛРБ. В частности, лучшее измеренное значение составило 3000+150 е-И/МэВ для кристалла УЬ:УЛР при Т=92 К. В измерениях с ЬЛЛРБ для всех детекторов обнаружена нелинейность световыхода: отношение величин световыхода для гамма квантов с энергией 59.6 кэВ и 662 кэВ составляет = 0.9.

Обсуждена проблема оценки эффективности светособирания. Отмечено, что при исследовании новых сшштилляторов отсутствует возможность настройки параметров модели для расчета прохождения света, поэтому необходим способ быстрой оценки эффективности светосбора (ЬСЕ). Предложены два подхода к оценке ЬСЕ, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. В результате получена оценка световы-хода. При Т=148 К для образца (УЬ25%):УЛО определено значение (8.5 ± 2.0) • 103 фотонов/МэВ.

Табл. 1: Энергетическое разрешение сцинтилляционных. детекторов на основе УЬ:УЛв и УЬгУЛР .

образец 11 5 5 5 3 14

% Yb 11 25 25 25 25 5(YAP)

т,к 154 148 148 «100 «90 ■ »90

прибор ФЭУ ФЭУ ФЭУ LAAPD LAAPD LAAPD

Noise factor (F) 1.88 1.14 1.14 1.9 1.9 1.9

Е^, кэВ - 1275 59.6 662. 662 662 662

(ЛГ«_„) 201 9.8 109 470 536 1986

ДЕ/Е (PWHM), % 23±4 81±4 23±2 16.1±0.7 14.6±0.7 12.7±0.5

(ДЕ/Е)„а.,% 22±4 79±4 24±2 15.0±0.7 14.0±0.7 7.3±0.5

(AE/E)nom ,% - - - 6.4±0.1 5.6±0.1 1.5±0.1

(ДЕ/Е U.J - - - - - 10.3±0.7

В параграфе 4.3 обсуждается энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов на основе УЬ:УЛО и УЬ:УЛР (см. табл. 1), а также пути и пределы его улучшения. В результате принятия рада мер для кристалла УЬ(25%):УЛО можно рассчитывать на разрешение 8%-10% при энергии 1 МэВ при считывании ЬЛДРБ и = 15% при считывании ФЭУ. Для кристалла УЬ(5%):УЛР можно ожидать Л «5% при энергии 1 МэВ при считывании ЕЛ^Ь.

В результате выполненной работы впервые измерен абсолютный световыход и изучены спектрометрические свойства сцинтилляторов, содержащих иттербий.

Автор внес основной вклад в подготовку и проведение описанных в данной главе измерений и подготовку статей к печати.

В Главе 5 обеждается возможность использования изученных детекторов в таких нейтринных экспериментах, как:

1) Регистрация солнечных нейтрино борного цикла и измерение их энергетического спектра с помощью детектора на основе жидкого CD< или с м с -пользуя реакции:

v + D-*p + p + e~ СС,

u + D-*p + n + v NC.

В частности, добавление дейтерометана к аргону обсуждается как способ расширения возможностей детектора ICARUS при регистрации нейтрино от Солнца.

2) Регистрация антинейтрино от реактора с помощью детектора на жидком СБ4, используя реакции:

? + !)-►»»+ п + е+

В этом эксперименте может вестись поиск нейтринных осцилляции на близких расстояниях и изучаться параметры указанных реакции, что необходимо для астрофизики.

3) Регистрация солнечных нейтрино рр- цикла с помощью детектора на основе кристаллов, содержащих иттербий, используя реакции:

В этом детекторе возможно также наблюдение 2р распада ядер тУЬ.

На основании результатов предыдущих глав автором проведен анализ возможностей изученных детекторов и обозначены перспективы их применения.

Основные результаты и выводы суммированы в заключении.

I. Исследованы свойства жидкостных детекторов на основе дейтерометана и смеси аргон-дейтерометан.

1. Изучены электронные свойства газообразного дейтерометана.

а) Впервые определена средняя энергия образования электрон-ионной пары ИЪо«=29.05± 0.12 эВ.

б) Измерена зависимость скорости дрейфа ионизационных электронов от напряжености электрического поля при давлении 1 атм.

в) При сравнении с метаном были обнаружены и интерпретированы изотопные эффекты в ионизационном выходе и скорости дрейфа.

г) Вычислено сечение неупругого рассеяния электрона на молекуле дейтерометана.

2. Впервые создана и испытана жидкостная ионизационная камера на основе и Аг-С04 смесей с рабочим объемом 25 см3. С помощью адсорбента "никель на

кизельгуре" получен дейтерометан с чистотой на уровне ~ 1.7«10~9экв. О;)'. Измерена

зависимость времени жизни свободных электронов от содержания дейтерометана в смеси.

3. Впервые измерен выход ионизационного заряда с треков релятивистских электронов для жидкого дейтерометана и Ar-CD* смесей в диапазоне полей 0.7 кВ/см < Е < 2.9 кВ/см.

4. Предложена оригинальная методика измерения скорости дрейфа. С ее помощью впервые измерены зависимости скорости дрейфа ионизационных электронов в жидком дейтерометане от напряжености поля при разных температурах. Определено экстраполированное значение подвижности в пределе малых полей, fio = 440 ± 30 см2/(В-с). При сравнении с метаном обнаружен изотопный эффект. Измерены скорости дрейфа ионизационных электронов для смесей аргона и дейтерометана в диапазоне полей 0.7 кВ/см < Е < 2.9 кВ/см.

5. Изучен вопрос радиационной стойкости Ar-CD^CHí) смесей. Для низкофоновых детекторов нейтрино подходит смесь с любым содержанием дейтерометана. При использовании метанового детектора для регистрации быстрых нейтронов или при использовании метана для повышения быстродействия аргонового калориметра, радиационые изменения должны быть приняты во внимание.

6. Изучен вопрос пожарной безопасности Аг-СБ<(СН<) детектора. Показано, что для атмосферы стандартного состава максимальное безопасное содержание CD4 в Аг составляет 8.5%. При контроле за содержанием кислорода в атмосфере лаборатории безопасное содержание дейтерометана в смеси может быть увеличено до 20%.

И. Впервые проведено систематическое исследование свойств сцинтилляторов, содержащих иттербий.

1. Измерены спектры катодолюминесценции для большого набора кристаллов YbrYAG. Изучено влияние на спектр температуры и качества образца. Измерены спектры пропускания: большинство образцов прозрачны в области сцинтилляции.

2. Измерены температурные зависимости относительного световыхода кристаллов Yb:YAG при возбуждении альфа частицами. Установлено, что максимальный световыход достигается при температуре 100 К< Т <150 К. Имеет место тепловое и концентрационное тушение люминесценции.

3. Обнаружены два новых перспективных сцинтиллятора: YbrYAP, имеющий высокий световыход и Yb:LuAG, имеющий высокую эффективность регистрации гамма квантов.

4. Разработан метод анализа формы импульса сцинтилляции, основанный на регистрации единичных гамма квантов. С его помощью измерена зависимость характерного времени сцинтилляции от температуры для YbrYAG и Yb:YAP.

5. Впервые проведено исследование ИК сцинтилляции (катодолюминесценции) Yb:YAG и Yb:YAP.

6. Сделана оценка световыхода ИК сцинтилляции при комнатной температуре (и 8-Ю4 фотонов/МэВ).

7. Для ряда кристаллов измерено время высвечивания ИК сцинтилляции при комнатной температуре. Величина тщ варьируется от 1 до 4 мс.

.«-83 8 3

8. Исследована температурная зависимость параметров ИК сцинтилляции в Yb:YAG и Yb:YAP при охлаждении от комнатной температуры до 100 К.

9. Исследована корреляция свойств СТ и ИК люминесценции.

10. Впервые обнаружен эффект затягивания импульса ИК катоде-люминесценции при высокой плотности энергии электронного пучка.

11. Определен выход фотоэлектронов для детектора на основе Yb(25%):YAG объемом 2.3 см3 при считывании ФЭУ. Наилучшее измеренное значение составило 164±8 ф.э./МэВ при Т=148 К.

12. Определен выход электрон-дырочных пар для ряда детекторов при считывании LAAPD. Лучшее значение составило 3000 ± 150 e-h/МэВ при T« 92 К для Yb(5%):YAP объемом 0.14 см3.

13. Для всех детекторов обнаружена нелинейность световыхода: отношение величин световыхода для гамма квантов с энергией 59.6 кэВ и 662 кэВ составляет « 0.9.

14. Определено энергетическое разрешение детекторов

при считывании ФОУ лучшее разрешение составило 23% (FWHM) при Т=148 К для Yb(25%):YAG объемом 2.3 см3;

при считывании LAAPD -12.7% при Тяг 92 К для Yb(5%):YAP объемом 0.14 см3. Указаны пути улучшения этого параметра.

III. Рассмотрены возможности применения изученных детекторов для регистрации солнечных нейтрино. Показана перспективность изученных детекторов для регистрации солнечных нейтрино борного и рр циклов, а также антинейтрино от реакторов.

Список литературы

[1] Barabash A.S., Belogurov S.G. et al., Nucl.lnstr.Meth. A 434(1999)478.

[2] Барабаш А. С, Белогуров С. Г. и др., ПТЭ 5(1999)45.

[3] Барабаш А. С, Белогуров С. Г. я др., М.: Препринт ИТЭФ 34-99, 1999.

[4] Ашятков В.Д- ,Барабаш А.С., Белогуров С.Г., Кузичев В.Ф., ПТЭ 5(2001)61.

[5] А.С. Барабаш, С.Г. Белогуров, И.Н. Николаева, М.: Препринт ИТЭФ 32-00, 2000.

[6] А.С. Барабаш, С.Г. Белогуров, М.: Препринт ИТЭФ 33-00, 2000.

[7] P. Antonini, S. Belogurov et al., Nucl. Instr. Meth. A 486(2002)799.

[8] P. Antonini S. Belogurov et al, Nucl. Instr. Meth. A 486(2002)220.

[9] P. Antonini S. Belogurov «t al., Nucl. Instr. Metb. A 488(2002)591.

[10] S. Belogurov et al., Nucl. Instr. Meth. A 496(2003)385.

[11] S. Belogurov et al., Nucl. Instr. Meth. A 516(2004)58.

[12] Pollock W.J., Trans. Faraday Soc 64(1968)2919.

[13] Barabash A.S. et al., Nucl. Instr. Meth. A 236(1985)69.

[14] A.S. Batabash et al., Nucl. Instr. Meth. A 186(1981)525.

[15] Engels J.M.L., Kimmenade AJ.M., Chem. Phys. Lett. 42(1976)250.

[16] Borghesani A.F et al., Phys. Lett. A 160(1991)483.

[17] Bakale G., Schmidt W., Z. Naturforsch A 28(1973)511.

[18] Gee N:, Freeman G. R., Phys. Rev. A 20(1979)1152.

[19] Nakamura Y. et al., J. Chem. Phys. Lett. 42(1976)250.

[20] Robinson M.G., Freeman G.R., Can. J. Chem 52(1974)440.

Подписано к печати 20 04 04 Формат 60х 90 1/16

Усл. печ. л. 1,25 Уч. изд. я 0,9 Тираж 100 за Заказ 498

Отпечатано • ИТЭФ, 117218, Москва, Б. Черемушкинская, 22.

Введение

1 Исследование электронных свойств газообразного и жидкого CD4 и жидких Ar-CD4 смесей

1.1 Экспериментальная установка.

1.2 Электронные свойства газообразного дейтерометана.

1.2.1 Определение средней энергии образования электрон-ионной пары

1.2.2 Измерение скоростей дрейфа электронов в газообразных CD4 и

1.2.3 Определение сечения неупругого рассеяния электрона на молекуле дейтерометана

1.3 Электронные свойства жидкого дейтерометана.

1.3.1 Очистка газов и контроль чистоты жидкости.

1.3.2 Измерение выхода заряда с треков релятивистских электронов в жидких метане и дейтерометане.

1.3.3 Измерение скорости дрейфа электронов в жидких метане и дейтерометане.

1.4 Электронные свойства жидких Аг-С1)4 смесей.

1.4.1 Особенности эксперимента.

1.4.2 Определение длины дрейфа и времени жизни электронов

1.4.3 Измерение выхода заряда с треков релятивистских электронов

1.4.4 Измерение скорости дрейфа электронов

2 Особенности эксплуатации детекторов на основе жидких Ar-CH4/CD4 смесей

2.1 Обзор основных характеристик.

2.2 Радиационная стойкость.

2.2.1 Радиолиз метана.

2.2.2 Радиолиз метана в присутствии аргона.

2.2.3 Оценка радиационной стойкости.

2.3 Пожарная безопасность.

3 Люминесцентные свойства кристаллов, содержащих ион Yb3+

3.1 Схема энергетических уровней иона Yb3+. Charge transfer (СТ) и инфракрасная (ИК) люминесценция.

3.2 Характеристики исследованных образцов.

3.3 Свойства СТ сцинтилляции Yb:YACl (иттрий-иттербиевй алюминиевый гранат).

3.3.1 Измерение спектров свечения и пропускания.

3.3.2 Определение температурной зависимости относительного све-товыхода.

3.3.3 Определение времен высвечивания.

3.4 Свойства И К сцинтилляции (катодолюмииесценции) Yb:YAG.

3.4.1 Измерение спектра свечения.

3.4.2 Оценка абсолютного световыхода ИК катодолюмииесценции Yb:YAG

3.4.3 Определение относительного световыхода и времени высвечивания ИК катодолюмииесценции при комнатной температуре.

3.4.4 Определение температурных зависимостей относительного световыхода и времени высвечивания И К катодолюмииесценции.

3.5 Корреляция свойств СТ сцинтилляции и ИК катодолюминесценции Yb:YAG.

3.6 Другие содержащие иттербий сцинтилляторы

3.6.1 Yb:YAP (иттрий-иттербиевый алюминиевый перовскит).

3.6.2 Yb:LuAG (лютеций-иттербиевый алюминиевый гранат).

4 Исследование характеристик сцинтилляционных кристаллических детекторов на основе Yb:YAG и Yb:YAP

4.1 Сравнение возможностей фотоумножителей и лавинных фотодиодов для регистрации сигналов охлаждаемых сцинтилляционных детекторов

4.1.1 Особенности работы ФЭУ при низких температурах.

4.1.2 Особенности работы лавинных фотодиодов (LAAPD) при низких температурах

4.1.3 Сравнение характеристик ФЭУ и LAAPD.

4.2 Определение абсолютного световыхода.

4.2.1 Определение числа фотоэлектронов при считывании ФЭУ

4.2.2 Определение числа первичных электрон-дырочных пар при считывании LAAPD.

4.2.3 Определение эффективности светособирания и световыхода.

4.3 Энергетическое разрешение.

5 О возможности применения изученных сред в нейтринных экспериментах 82 5.1 Регистрация солнечных нейтрино борного цикла и измерение их энергетического спектра с помощью детектора на основе жидкого CD4 или смеси Ar-CD4.

5.2 Регистрация антинейтрино от реактора с помощью детектора на жидком CD4.

5.3 Регистрация солнечных нейтрино рр- цикла с помощью детектора на основе кристаллов, содержащих иттербий.

Нейтриииая физика - это одна из наиболее дииамично развивающихся областей физики элементарных частиц. В первых же успешных экспериментах по регистрации солнечных нейтрино хлор-аргоновым детектором [1] обозначилась проблема дефицита солнечных нейтрино. Этот дефицит был подтвержден в дальнейшем в экспериментах SAGE, GALLEX и Kamiokande (см. обзор [2]). Наряду с этим был зарегистрирован недостаток и^ в потоках атмосферных нейтрино. Наиболее естественным объяснением этих фактов являются нейтринные осцилляции [3, 4], прямое экспериментальное подтверждение которых впервые удалось получить в 1998 г., когда были опубликованы данные SK [5]. Новое свидетельство существования осцил-ляций и решение проблемы солнечных нейтрино пришли из эксперимента SNO [6], где количество взаимодействий vt с дейтроном через заряженные токи и ve рассеяние оказались в согласии с предыдущими экспериментами, а через нейтральные токи - со стандартной солнечной моделью. Эффект осцилляций проявился также в недостатке регистрируемых реакторных антинейтрино в эксперименте KamLAND [7].

Из факта осцилляций следует, что нейтрино является массивной частицей. Имеется оценка разности масс состояний, участвующих в осцилляциях, Дт^ « 7• Ю-5 эВ для солнечных нейтрино и Дт\ « 2- Ю-3 эВ для атмосферных. Из космологических данных следует ограничение на сумму масс всех состояний нейтрино E?n; < 1 эВ [8]. Экспериментальные данные о свойствах нейтрино поступают также из исследований двойного бета-распада [9] и изучения формы спектра бета-распада трития [10].

Актуальными задачами нейтринной физики являются:

- определение природы массы нейтрино, дираковская это частица или майорановская, т.е. эквивалентны ли и и Р;

- определение иерархии масс и, в дальнейшем, их абсолютных значений;

- определение параметров смешивания, включая проверку несохранения CP четности в лептонном секторе.

Кроме того, представляют интерес эксперименты по поиску магнитного момента нейтрино.

Для решения указанных выше фундаментальных задач а также для наблюдения взрывов сверхновых и исследования недр Земли и Солнца [11, 12] необходимо тщательное измерение энергетических спектров и потоков нейтрино и антинейтрино различных ароматов.

Большинство современных экспериментов, посвященных изучению свойств нейтрино, ориентированы на следующие источники: 1) атмосферные нейтрино, 2) солнечные нейтрино, 3) нейтрино от ускорителей, 4) антинейтрино от реакторов 5) искусственные источники нейтрино и G) геонейтрино. Во всех случаях ключевым элементом эксперимента является детектор.

Нейтринная физика нуждается в новых детекторах, обладающих:

- высокой эффективностью регистрации нейтрино;

- хорошей угловой и позиционной чувствительностью;

- низким уровнем фона;

- хорошим энергетическим разрешением;

- способностью распознавать сигнатуры различных каналов нейтринных реакций.

Одной из тенденций в детекторостроении является внедрение в рабочее вещество детектора специфических ядер, имеющих высокое сечение взаимодействия с нейтрино. Важно также наличие сигнатуры, позволяющей идентифицировать полезные события, и возможности определения энергии нейтрино.

В данной диссертации исследуются свойства детекторов, содержащих в рабочей среде ядра D и 176Yb.

В работе [13] обсуждалась возможность постановки эксперимента по регистрации солнечных нейтрино из борного цикла в реакции v+D-^p + p + e- (1) с помощью ионизационной камеры на жидком дейтерометане (см. также [14, 15, 16]). Среди всех ядер, дейтрон обладает наибольшим сечением, приходящимся на единицу массы вещества мишени. Кроме того, имеется асимметрия вылета электронов относительно направления полета нейтрино (отношение сечений вылета электронов назад-вперед равно двум), что позволяет связать наблюдаемый эффект с Солнцем. Было показано, что при достаточно малой массе детектора (всего 10-15 тонн) можно уверенно наблюдать нейтрино от Солнца. В работе [17] было отмечено, что добавка 5-10% CD4 в жидкий аргон в детекторе проекта ICARUS позволит регистрировать в этом эксперименте реакцию (1), наряду с ие-рассеянием и поглощением и ядрами 40Аг. Другим применением детектора на основе дейтерометана может стать исследование параметров реакций и + D -» п + п + е+ v + D —У р + 11 +и в экспериментах на реакторе [18, 19].

Достоинствами жидкостного ионизационного детектора, по сравнению с традиционными в этой области черепковскими, являются высокие энергетическое и пространственное разрешения, а также чувствительность к тяжелым ионизирующим частицам.

В работе [20] указывается на возможность регистрации солнечных нейтрино рр цикла с помощью реакций на ядрах индия, иттербия, гадолиния и некоторых других. В частности, реакция с иттербием имеет вид: ие + 176Yb —> 17<5Lu" + е~ (Q = 301 keV) (2)

176Lu* —> 176Lu + 7 (E-y = 72 keV).

Для раздельного детектирования первичного события и задержанного гамма кванта, т.е. для распознания сигнатуры реакции, детектор должен быть достаточно быстрым: среднее время жизни 176Lu* составляет 50 не. Для реализации эксперимента ядра мишени предполагалось вводить в состав жидкого сцинтиллятора, что оказалось сопряжено с рядом сложностей.

В работах [21, 22] впервые сообщается, что кристаллы Yb:YAG (иттрий-иттербиевый алюминиевый гранат) являются сциптилляторами, и делается предположение о возможности их использования в нейтринных экспериментах. Важными преимуществами, которыми обладает кристаллический детектор перед жидкостным, являются высокая плотность мишени и отсутствие диффузии примесей [23].

Для заключения о возможности и целесообразности реализации перечисленных предложений, необходимо детальное исследование свойств ионизационных детекторов на жидких дейтерометане и аргоп-дейтерометаиовых смесях и сцинтилляционных кристаллических детекторов на основе Yb:YACJ и других содержащих Yb веществ.

Диссертация состоит из настоящего введения, пяти глав и заключения, причем анализ имеющихся данных по каждому из рассмотренных свойств дан в соответствующих разделах.

В главе 1 описаны электронные свойства газообразного и жидкого дейтерометана, проводится сравнение свойств дейтерометана и метана и анализируются изотопные эффекты. Там же описаны электронные свойства жидких смесей дейтерометана с аргоном. *

В главе 2 освещены вопросы, связанные с особенностями эксплуатации аргон-дейтерометанового детектора. В частности, радиационная стойкость и пожарная безопасность. Это позволяет оценивать безопасность и долговечность таких детекторов, как в условиях подземной лаборатории, так и при их использовании для регистрации нейтронов и в экспериментах на ускорителях.

В главе 3 данной диссертации исследуются люминесцентные свойства Yb:YAG и некоторых других сцинтилляторов, содержащих иттербий.

В главе 4 рассматриваются свойства детекторов на основе указанных сцинтилляторов.

В главе 5 обсуждаются возможности применения изученных детекторов в нейтринных экспериментах.

Заключение

I. Исследованы свойства жидкостных детекторов на основе дейтерометана и смеси аргон-дейтерометан.

1. Изучены электронные свойства газообразного дейтерометана. а) Впервые определена средняя энергия образования электрон-ионной пары wcd4=29.05± 0.12 эВ. б) Измерена зависимость скорости дрейфа ионизационных электронов от напря-жености электрического поля при давлении 1 атм. в) При сравнении с метаном были обнаружены и интерпретированы изотопные эффекты в ионизационном выходе и скорости дрейфа. г) Вычислено сечение неупругого рассеяния электрона на молекуле дейтерометана.

2. Впервые создана и испытана жидкостная ионизационная камера на основе CD4 и Ar-CD4 смесей с рабочим объемом 25 см3. С помощью адсорбента "никель на кизельгуре" получен дейтерометан с чистотой на уровне ~ 1.7-10~9экв. Ог. Измерена зависимость времени жизни свободных электронов от содержания дейтерометана в смеси.

3. Впервые измерен выход ионизационного заряда с треков релятивистских электронов для жидкого дейтерометана и Ar-CD4 смесей в диапазоне полей 0.7 кВ/см < Е < 2.9 кВ/см.

4. Предложена оригинальная методика измерения скорости дрейфа. С ее помощью впервые измерены зависимости скорости дрейфа ионизационных электронов в жидком дейтерометане от напряжености поля при разных температурах. Определено экстраполированное значение подвижности в пределе малых полей, /1о = 440 ± 30 см2/(В-с). При сравнении с метаном обнаружен изотопный эффект. Измерены скорости дрейфа ионизационных электронов для смесей аргона и дейтерометана в диапазоне полей 0.7 кВ/см < Е < 2.9 кВ/см.

5. Изучен вопрос радиационной стойкости Ar-CD4(CH4) смесей. Для низкофоновых детекторов нейтрино подходит смесь с любым содержанием дейтерометана. При использовании метанового детектора для регистрации быстрых нейтронов или при использовании метана для повышения быстродействия аргонового калориметра, радиациоиые изменения должны быть приняты во внимание.

6. Изучен вопрос пожарной безопасности Ar-CD4(CH4) детектора. Показано, что для атмосферы стандартного состава максимальное безопасное содержание CD4 в Аг составляет 8.5%. При контроле за содержанием кислорода в атмосфере лаборатории безопасное содержание дейтерометана в смеси может быть увеличено до 20%.

II. Впервые проведено систематическое исследование свойств сцинтилляторов, содержащих иттербий.

1. Измерены спектры катодолюмииесценции для большого набора кристаллов Yb:YAG. Изучено влияние на спектр температуры и качества образца. Измерены спектры пропускания: большинство образцов прозрачны в области сцинтилляции.

2. Измерены температурные зависимости относительного световыхода кристаллов Yb:YAG при возбуждении альфа частицами. Установлено, что максимальный световыход достигается при температуре 100 К< Т <150 К. Имеет место тепловое и концентрационное тушение люминесценции.

3. Обнаружены два новых перспективных сцинтиллятора: Yb:YAP, имеющий высокий световыход и Yb:LuAG, имеющий высокую эффективность регистрации гамма квантов.

4. Разработан метод анализа формы импульса сцинтилляции, основанный на регистрации единичных гамма квантов. С его помощью измерена зависимость характерного времени сцинтилляции от температуры для Yb:YAG и Yb:YAP.

5. Впервые проведено исследование И К сцинтилляции (катодолюминесценции) Yb:YAG и Yb:YAP.

6. Сделана оценка световыхода ИК сцинтилляции при комнатной температуре (« 8-104 фотонов/МэВ).

7. Для ряда кристаллов измерено время высвечивания И К сцинтилляции при комнатной температуре. Величина тщ варьируется от 1 до 4 мс.

8. Исследована температурная зависимость параметров ИК сцинтилляции в Yb:YAG и Yb:YAP при охлаждении от комнатной температуры до 100 К.

9. Исследована корреляция свойств СТ и ИК люминесценции.

10. Впервые обнаружен эффект затягивания импульса И К катодолюминесценции при высокой плотности энергии электронного пучка.

11. Определен выход фотоэлектронов для детектора на основе Yb(25%):YAG объемом 2.3 см3 при считывании ФЭУ. Наилучшее измеренное значение составило 164±8 ф.э./МэВ при Т=148 К.

12. Определен выход электрон-дырочных пар для ряда детекторов при считывании LAAPD. Лучшее значение составило 3000 ± 150 e-h/МэВ при Т« 92 К для Yb(5%):YAP объемом 0.14 см3.

13. Для всех детекторов обнаружена нелинейность световыхода: отношение величин световыхода для гамма квантов с энергией 59.6 кэВ и 662 кэВ составляет « 0.9.

14. Определено энергетическое разрешение детекторов ( Е7=662 кэВ): при считывании ФЭУ лучшее разрешение составило 23% (FWHM) при Т=148 К для Yb(25%):YAG объемом 2.3 см3; при считывании LAAPD - 12.7% при Т« 92 К для Yb(5%):YAP объемом 0.14 см3.

Указаны пути улучшения этого параметра.

III. Рассмотрены возможности применения изученных детекторов для регистрации солнечных нейтрино. Показана перспективность изученных детекторов для регистрации солнечных нейтрино борного и рр циклов, а также антинейтрино от реакторов.

Результаты диссертации опубликованы в работах [30, 31, 32, 33, 54, 65, 74, 75, 76, 77, 78], доложены автором на заседаниях сессии ОЯФ РАН в ИТЭФ в 1998 и 2000 годах, на конференции SCINT2001 (Шамони, Франция), на рабочих совещаниях кол-лабораций LENS и ICARUS, и на семинаре в лаборатории Леньяро (Италия).

Автор глубоко признателен своему научному руководителю А.С. Барабашу, своим российским и итальянским коллегам и соавторам, в первую очередь В.Ф. Кузичеву, P.P. Саакяну, В.Д. Ашиткову, И.II. Николаевой, IO.JI. Гришкину, Г.Н. Смирнову, С.И. Коновалову, Д. Бресси, Д. Каруньо, П. Антонини, П. Сантилли и Д Ианнуцци за конструктивную атмосферу и неоценимую помощь. Отдельное спасибо профессорам А. Руббиа (ICARUS), М. Мошиньскому, В. Чарнацкому и А. Петросяну, д-рам Р. Шипо, И. Каменских, П. Янгу и К. Каттадори (LENS) за их внимание к работе автора и предоставленные материалы и оборудование.

Автор считает своим долгом поблагодарить своего первого руководителя А.И. Бо-лоздыню и сотрудников его группы: В.Н. Соловова, Д.Ю. Акимова, А.А. Буренкова, Д.Л. Чуракова за поддержку, а также В.А. Смирнитского за его доброжелательную мудрость.

1. P. Antonini et al., Nucl. Instr. Meth. A 460(2001)467.

2. G. Bressi et al., Nucl. Instr. Meth. A 461(2001)361.

3. R. Chipaux et al., Nucl. Instr. Meth. A 486(2002)228.

5. Borghesani A.F et al., Phys. Lett. A 160(1991)483.

6. A.S. Barabash et al., Nucl. Instr. Meth. A 186(1981)525.

7. Rahm D., Nucl. Instr. Meth. A 316(1992)67.

8. Borghesani A.F. et al., Journ. Chem. Phys. 117(2002)5794.

9. Bahcall JN. et al., Phys. Lett. В 534(2002)120.

10. Barabash A.S., Belogurov S.G. et'al., Nucl. Instr. Meth. A 434(1999)478.

11. Барабаш A. C , Белогуров Г. и др., ПТЭ 5(1999)45.

12. Барабаш А. С , Белогуров Г. и др., М.: Препринт ИТЭФ, 34-99, 1999.

13. Ашитков В.Д., Барабаш А.С., Белогуров Г., Кузичев В.Ф., ПТЭ 5(2001)61.

14. Barabash A.S., Stekhanov V.N., Nucl. Instr. Meth. A 327(1993)168.

15. Барабаш A.C., ПТЭ 3(1988)7.

16. Jesse W.P., Radiat. Res. 33(1968)229.

17. Jesse W.P., J. Chem. Phys. 38(1963)2774.

18. Tawara H. et al., Nucl. Instr. Meth. В 29(1987)447.

19. Platzman R.L., J. Chem. Phys. 38(1963)2775.

20. Плотников В. и др.. Опт. и Спектр. 32(1972)694.

21. Amos R. D., J. Chem. Soc. Farad. Trans. 2 83(1987)1595.

22. Pollock W.J., Trans. Faraday Soc. 64(1968)2919.

23. Frost L.S., Felps A.V., Phys. Rev. 127(1962)1621.

24. Barabash A.S. et al., Nucl. Instr. Meth. A 236(1985)69.

25. Engels J.M.L., Kimmenade A.J.M., Chem. Phys. Lett. 42(1976)250.

26. Bakale G., Schmidt W., Z. Naturforsch A 28(1973)511.

27. Gee N., Freeman G. R., Phys. Rev. A 20(1979)1152.

28. Nakamura Y. et al., J. Chem. Phys. Lett. 42(1976)250.

29. Robinson M.G., Freeiiian G.R., Can. J. Chem 52(1974)440.

30. Физические величины: справ./ под ред. И. Григорьева и Е. 3. Мейлихова М.: Энергоатомиздат, 1991.

31. Барабаш А. и др., ЖТФ 52(1982)2054.

32. Bakale G. et al., J, Phys. Chem. 80(1976)2556.

33. Bressi G. et al., Nucl. Instr. Meth. A 300(1991)321.

34. A.C. Барабаш, Г. Белогуров, И.Н. Николаева,М: Препринт ИТЭФ 32-00, 2000.

35. Lekner J., Phys. Rev. 158(1967)130.

36. Basak S., Cohen M. H., Phys. Rev. В 20(1979)3404.

37. Barabash A.S. et al., Nucl. Instr. Meth. A 169(1980)561.

38. Barabash A.S. et al., Nucl. Instr. Meth. A 206(1983)497.

39. Платцман P. Л. Энергетический спектр первичных возбуждений при действии ионизирующей радиации// Современные проблемы радиационных исследований: сб. статей/ под ред. Л. X. Эйдус. М.: Наука, 1972. 13.

40. Netoux Р. et al., Chem. Phys. 37(1979)229.

41. Shkrob I., Trifunac A., .1. Phys. Chem. 99(1995)11122.

42. Handbook of radiation chemistry/ ed, Tabata Y. Boston: CRC Press, 1991.

43. Sack M. et al., The Astrophys. J. 360()305.

44. Malhi N. B. et al., J. Chem. Phys. 87(1987)6502.

45. A.C. Барабаш, Г. Белогуров, М: Препринт ИТЭФ 33-00, 2000.

46. Льюис Б., Эльбе Г. Горение пламя и взрывы в газах. М. 1968.

47. J.P. Chaminade et al., J.Cryst. Growth 99(1990)799.

48. M. Balcerzyk et al., IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf. Record, pp. 6/25-6/29, 2000.

49. J. Lamblin, reports ISN 99-105 and 99-108.

50. R.S. Raghavan 'Status Report on LENS- September 2001', LNGS, 9-12-01.

51. Danevlch F. A. et al. Nucl.Phys. A(Proc. Suppl.) 694(2001)254.

52. E. Nakazawa, Chem. Phys. Lett. 56(1978)161 .

53. L. van Pieterson et al., J. Lumin. 91(2000)177.

54. P. Antonini, S. Belogurov et al., Nucl. Instr. Meth. A 480(2002)799.

55. P. Antonini S. Belogurov et al., Nucl. Instr. Meth. Л 486(2002)220.

56. P. Antonini S. Belogurov et al., Nucl, Instr. Meth. A 488(2002)591.

57. S. Belogurov et al., Nucl. Instr. Meth. A 496(2003)385.

58. S. Belogurov et al,, Nucl. Instr, Meth. A 516(2004)58,

59. N, Guerassimova et al., Cliem. Phys. Lett. 339(2001)197.

60. N. Guerassimova, et al. Nucl. Instr. Meth. A 486(2002)278.

61. N, Guerassimova, et al., Nucl. Instr. Meth. A 486(2002)234.

62. I. Kamenskikh et al.. Opt. Mater. 24(2003)267.

63. M. Ichige et al., Nucl. Instr. Meth, A 327(1993)144.

64. S. Belogurov et al. Nucl. Instr. Meth. A 449(2000)254.

65. S. Belogurov et al. IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-47(2000)1791.

66. M, Moszynski et al. Nucl. Instr, Meth, A 485(2002)504,

67. J,D. Valentine et al,, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-40(1993)1267.

68. T. Basiev, et al., Sov. Phys. JETP 39(1974)1042.

69. A. R. Reinberg et al., Appl. Phys. Lett. 19(1971)11.

70. J. Reader et al.. Wavelengths and Transition Probabilities for Atoms and Atomic Ions; Natl. Stand. Ref. Data Ser., Natl Bur. Stand.(U.S,) 68 (1980),

71. M. Moszynski et al. IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-49(2002)971.

72. M. Moszynski et al., IEEE Trans. Nucl, Sci, NS-44( 1997) 1052,

73. A, Wright, Nucl. Instr. Meth. A 433(1999)507.

74. Ю.С. Копысов, B,A, Кузьмин, Ядерная Физика 4(1966)1031,

75. ICARUS Collaboration," A first 600-ton ICARUS detector installed at the Gran Sasso laboratory", Addendum to proposal, LNGS-95/10, 1995,

76. V,P.Martemyanov et al,, Ядерная физика 66(2003)1982.

77. J.-P. Meyer LENS internal report 22-06-2001.

78. K.Zuber, Phys.Lett. В 485(2000)23.