Позиционно-чувствительные детекторы на основе чистых благородных газов для регистрации слабоионизирующих частиц и полей ядерных излучений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

На правах рукописи 4842Ыэи

Болоздыня Александр Иванович

ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ ЧИСТЫХ БЛАГОРОДНЫХ ГАЗОВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СЛАБОИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ И ПОЛЕЙ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной

физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Автор:

2 7ЯНВ 2077

Москва-2010

4842950

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор КУДЕНКО Юрий Григорьевич

доктор физико-математических наук РОСТОВЦЕВ Андрей Африканович

доктор физико-математических наук СКОРОХВАТОВ Михаил Дмитриевич

Ведущая организация Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО АН РФ

Защита состоится 2 марта 2011 года в 15.00

на заседании диссертационного совета Д 212.130.07 при НИЯУ МИФИ г. Москва, Каширское ш., д.31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ

Лf, Л/,

Автореферат разослан_

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.130.07 д.ф.-м.н., профессор

Улин С.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из бурно-развившощихся направлений современной экспериментальной ядерной физики являются неускорительные эксперименты с низкофоновыми детекторами. Такие эксперимента, как правило, нацелены на решение задач, имеющих фундаментальное значение для понимания устройства Вселенной, проверки Стандартной модели элеюрослабых взаимодействий, поиска новых частиц за пределами познанного мира. К подобного рода задачам относятся поиски темной материи в форме новых слабовзаимодействиущих частиц (вимпов), поиски двойного безпейтршшого бета-распада, определение магнитного момента нейтрино, наблюдение когерентного рассеяния реакторных антинейтрино. Когерентное рассеяние нейтрино на ядрах - фундаментальный физический процесс, обязанный происходить согласно Стандартной модели электрослабых взаимодействий, но до сих пор не наблюдавшийся на практике. Сложность наблюдения таких процессов заключается в том, что эксперименты нужно ставить с массивными мишенями (сотни килограммов), а искать события - с энерговыделенюши порядка 1 кэВ, а в некоторых случаях отдельные электроны ионизации и фотоны возбуждения среды, на фоне сигналов от естественной радиоактивности и космических лучей.

Цель работы

1) исследование детектирующих свойств чистых благородных газов;

2) разработка технологии регистрации ионизации и возбуждения конденсированных благородных газов;

3) исследование процесса эмиссии электронов из конденсированных неполярных диэлектриков;

4) разработка методики регистрации редких событии с минимальными (вплоть до отдельных электронов) уровнями ионизации;

5) разработка массивных детекторов с трехмерной позиционной чувствительностью;

6) создание эмиссионных детекторов для регистрации холодного темного вещества в форме массивных слабовзаимодействующих частиц;

7) разработка методов регистрации полей ядерных излучений для медицинской интроскопии, использующих уникальные детектирующие свойства чистых благородных газов.

Основные задачи исследований

В работе приводятся результаты исследования элементарных процессов, протекающих в детекторах па основе плотных чистых благородных газов, методов и технологий обеспечения высокой чистоты для эффективного собирания электронов ионизации и фотонов сцинтилляции и электролюминесценции и приемов, которые позволяют регистрировать слабовзаимодействующий и слабоионизирующие излучения и выделять такие события из фона, связанного с естественной радиоативностью материалов и космическим излучением.

Значительное внимание в диссертации уделено разработке эмиссионных детекторов, впервые предложенных на кафедре ядерной физики МИФИ 40 лет назад. Показано, что эмиссионный метод, действительно, позволяет регистрировать отдельные электроны, возникающие при взаимодействии проникающих излучений с массивными телами в виде конденсированных благородных газов; найдено несколько конструктивных решений эмиссионных детекторов и камер. В 1989 году автором бьио предложено использовать эмиссионный детектор для поиска холодного темного вещества во Вселенной. В ходе дальнейших методических работ была выработана идеология «бесстеночного» эмиссионного детектора, в котором регистрируются не только ионизация, но и возбуждение конденсированного благородного газа. Трехмерная позиционная чувствительность эмиссионного детектора позволяет определять события, произошедшие в середине чувствительного объема детектора, тем самым отсекая фоновые события, связанные с радиоактивностью окружающих материалов. Сравнение энерговыделения по каначам ионизации и возбуждения рабочей среды позволяет идентифицировать взаимодействия и ещё больше улучшает режекцию фонов.

Эмиссионный метод регистрации идеально подходит для обнаружения и исследования когерентного рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах и создания нейтринных детекторов нового поколения, использующих этот эффект для мониторинга энергетических реакторов. Массивный эмиссионный детектор может быть также использован для очень эффективного поиска безнейтригаюго позитронного двойного бета-распада, обладающего уникальной сигнатурой. Благодаря сложной топологии полезных событий, такой детектор, несмотря на чрезвычайную редкость искомых распадов, не нуждается в размещении Б подземной лаборатории и может работать только с пассивной и активной защитой.

Ещё одно чрезвычайно важное применение детекторов на чистых благородных газах - прецизионная томография для исследования молекулярных биологических процессов in vivo происходящих в живых организмах, в частности, для онкологических исследований и для томографии головного мозга человека. Жидкий ксенон — исключительно удачная альтернатива дорогим и малодоступным кристаллическим сцинтилляторам и полупроводниковым детекторам, используемым в настоящее время в качестве детекторов в современных ПЭТ системах. Ксенон в России доступен в количествах достаточных для массового производства относительно дешевых ПЭТ систем, а также для создания недоступных пока в рамках других технологий ПЭТ систем «на все тело». Это направление исследований и основанных на них конструкторских разработок представляет значительный коммерческий интерес.

Научная новизна работы

Одним из основных результатом данной работы явилась разработка методики «безстеночного» эмиссионного детектора, которая была воплощена в ряде детекторов, используемых для поиска темного вещества во Вселенной в форме тяжелых слабовзаимодействующих частиц вимпов. Лучшие на нынешний день ограничения на сечение взаимодействия с нуклонами суперсимметричных слабоионизующих вимпов массой около 100 ГэВ/с2 получены помощью эмиссионных детекторов XENON 10 и ZEPLIN-III. Эмиссионный детектор XENONIOO, содержащий 170 кг жидкого ксенона, в настоящее время экспонируется в подземной лаборатории Gran Sasso (Италия). Новый детектор LUX, содержащий 350 кг жидкого ксенона, готовится к экспозиции в подземной лаборатории на шахте Homestake в США. Ожидается, что в ближайшие несколько лет масса рабочего вещества в эмиссионных детекторах для регистрации частиц темного вещества вимпов достигнет десятков тонн. Многотонные эмиссионные детекторы достигнут чувствительности, достаточной для уверенной регистрации солнечных нейтрино низких энергий (рр-цикл) и безнейтригшого двойного бета-распада.

Эмиссионные детекторы XENON 10 и LUX создавались при участии автора данной работы и при их создании использовались результаты этой работы. К настоящему моменту, по крайней мере, 4 публикации по тематике диссертации имеют индекс цитирования по версии SPIRES SLAC больше 100, а одна статья - больше 400.

Содержание работы защищено нескольким авторскими свидетельствами СССР.

Основные результаты работы, выносимые на защиту

1) Результаты цикла работ по исследованию физических процессов в детекторах на чистых благородных газах, включая механизмы генерации сцинтилляции и электролюминесценции, дрейфа и захвата носителей электрического заряда, эмиссии электронов из конденсированных тяжелых благородных газов и других неполярных диэлектриков, локализацию и перенос квази-свободных электронов сквозь и вдоль поверхности раздела фаз.

2) Экспериментальное подтверждение гипотезы о термоэлектронном характере эмиссии электронов из тяжелых благородных газов.

3) Методические исследования эмиссионных детекторов и демонстрация возможности создания эмиссионных детекторов с размерами порядка 1 метра.

4) Методические исследования позиционно-чувствительных сцинтилляционных детекторов на плотных благородных газах, включая разработку гранулированного гомогенного электромагнитного калориметра для регистрации гамма-квантов и элехгронов с энергями >100 МэВ и сцинтилляционного детектора тепловых нейтронов на сжатом 3Не.

5) Разработка сцинтилляционной дрейфовой камеры на сжатом ксеноне с трехмерной позиционной чувствительностью и высоким энергетическим разрешением для однофотонной эмиссионной томографии и демонстрация возможности использования электролюминесцентных детекторов в качестве комптоновской гамма камеры.

6) Принцип «безстеночного» детектора для редких событий с малыми энерговыделениями, ожидаемыми, например, при регистрации реакторных антинейтрино или массивных слабовзаимодействующих частиц, составляющих темную материю во Вселенной.

7) Реализацию «безстеночных» эмиссионных детекторов в экспериментах по поиску небарионного темного вещества во Вселенной и достижение рекордной чувствительности в такого рода экспериментах.

Практическая значимость работы

Результаты данной работы легли з основу разработки нового класса детекторов для регистриция редких процессов с малыми энерговыделениями и используются в

ряде экспериментов по поиску темной материи, а также предлагаются для создания нейтринных детекторов нового поколения, использующих эффект когерентного рассеяния.

В работе продемонстрирован высоких потенциал детекторов на чистых благородных газов для имаджинга ядерных излучений и создания новых томографических систем для ядерной медицины.

В работе тскже продемонстрирована возможность создания быстрых, позиционно-чувствительных сциптилляционных детекторов для калориметрии частиц высоких энергий и для регистрации нейтронов.

Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в трех монографиях и нескольких десятках публикаций в реферируемых журналах, а также составили предметы нескольких патентов и авторских свидетельств, а также были доложены автором и обсуждены:

- на международных конференциях IEEE Nuclear Science Symposium & Medical Imaging Conference в 1994, 1995, 1996, 1997, 1998,2000 годах;

- на международных симпозиумах Symposium on Radiation Measurements and Applications в 2004 и 2008 годах;

- на международных конференциях IEEE International Conference on Dielectric Liquids в 1991 и 2005 годах;

- на 2-nd International Workshop on the Interconnection between Particle Physics and

Cosmology, PPC2008, Albuquerque;

- на научной сессии НИЯУ МИФИ 2010 года;

- на семинаре ИТЭФ 29 января 2009 года;

- на рабочих совещаниях коллаборащш LUX в 2008 и 2009 годах.

Созданные детекторы для изображения полей гамма-излучений отмечены Медалью и премией для молодых учепьгх АН СССР в 1983 году.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 67 работах включая 3 монографии, 5 авторских свидетельств СССР, 2 патента США

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 7-и глав и заключения. Она содержит 245 страниц, включая 70 рисунков, 25 таблиц и библиографический список из 343 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении кратко рассмотрена роль и место позиционно-чувствительных детекторов в арсенале экспериментальных методов ядерной физики, физики элементарных частиц и их приложений и требования, которым должны отвечать детекторы слабоионицирующих частиц и полей ядерных излучений. Указывается, что детекторы на чистых благородных газах могут обладать чувствительной массой в десятки тонн и при этом способны к регистрации единичных электронов ионизации. Такого рода детекторы необходимы для решения задач, имеющих фундаментальное значение для понимания устройства Вселенной, проверки Стандартной модели электрослабых взаимодействий, поиска новых частиц [1-3]. Другой чрезвычайно важной областью применения детекторов на чистых благородных газах может быть прецизионная томография для исследования молекулярных биологических процессов т vivo происходящих в живых организмах, в частности, для онкологических исследований и для томографии головного мозга человека [4-7]. Отмечено также, что одна из наиболее популярных детекторных сред, исследованных в данной работе -ксенон - является удачной альтернативой дорогим и малодоступным кристаллическим сцинтилляторам и полупроводниковым детекторам, используемым в настоящее время в качестве детекторов в ядерной медицине. Ксенон в России доступен в количествах достаточных для массового производства относительно дешевых позитроняо-эмиссионных томографов (ПЭТ), а также для создания недоступных пока в рамках других технологий ПЭТ систем «на все тело» [4].

В Главе 1 рассмотрены свойства благородных сред с точки зрения их способности взаимодействовать с ионизирующими излучениями и трансформировать энергию, выделенную в этих взаимодействиях, в электрический заряд или световое излучение для определения характеристик первичного взаимодействия. Глава содержит значительной количество справочного материала, а также результаты оригинальных исследований детектирующих свойств чистых благородных газов в различных агрегатных состояниях, включая механизмы диссипации поглощенной в веществе энергии, генерацию носителей заряда и фотонов, перенос носителей через границу

раздела фаз, распространение фотонов и собирание электронов в плотных средах, и основные результаты технологических разработок по светособирапшо и детектированию вакуумного УФ, по очистке и разделению благородных газов, по термостатированию массивных образцов конденсированных тяжелых благородных газов [1, 2].

Чрезвычайно важную роль в технике регистрации ионизирующих излучений с помощью конденсированных неполярных диэлектриков играют эффекты, связанные с поведением носителей электрического заряда вблизи поверхности раздела фаз: жидкой, твердой и газообразной [1]. Так как диэлектрическая проницаемость различных фаз благородных газов различна, носители электрического заряда испытывают воздействие потенциала изображения А поляризационной природы, действующего против переноса заряда из более плотной среды в менее плотную:

Ал =-<^1 -Сг)1 КаО + ^ИХ^, (1)

где £ - относительная диэлектрическая проницаемость, а индексы 1 и 2 относятся, соответственно, к конденсированной и равновесной газообразной фазам, 2 — координата Декартовой системы координат, нормальная к поверхности раздела фаз, £ - параметр обрезания порядка величины переходцого слоя между фазами (порядка нескольких нанометров или 2-3 межатомных расстояний согласно. Потенциал изображения зависит от температуры и приближается к нулю при температурах, близких.критической температуре.

Если к границе раздела фаз приложено электрическое поле которое стремится вытащить электроны из конденсированной фазы, где основное состояние электрона Уа, то, принимая в рассмотрение птенциал сил изображения (1), полная потенциальная энергия электронов вблизи границы раздела фаз может быть описана в терминах одномерного потенциала, зависящего от координаты г, нормальной к поверхности раздела фаз и направленной от кондесированной фазы:

В терминах такого одномерного рассмотрения, электрон, приближаясь к поверхности, может её преодолеть «сходу», если проекция его импульсарг вдоль оси г превышает величину порога ро ~ (2те ¡Уд /)1/2, как показано на Рис. 1а. Если р2< ра электрон, скорее всего, отражается от потенциального барьера назад в конденсированную фазу, где термализуется после некоторого количества соударений с атомами среды. Захваченные таким образом под поверхностью электроны, тем не

менее, могут покинуть конденсированный диэлектрик в результате термоэлектронного процесса эмиссии, хотя это может занять значительное время.

В плотных диэлектриках, состоящих из относительно маленьких атомов (жидкие гелий, водород и неон), Уо > 0 и избыточные электроны существуют в малоподвижном локализованном состоянии - вакуумных пузырьках. Потенциальная яма, каковой является пузырек, накладывается на потенциал У (г), представленный формулой, и таким образом формируется потенциальный барьер, препятствующий эмиссии электронов из конденсированной среды, показанный на Рис. 16.

} е ' Щ ; т V0

0

е ' '| е 1

0

сШф

(а) (б)

Рис. 1. Эмиссия электронов из квазисвободного (а) и локализованного (б) состояний в неполярных диэлектриках с отрицательной (а) положительной (б) энергиями основного состояния электронов Уо.

Формально электронная эмиссия может быть описана вероятностью или коэффициентом эмиссии

*,=л/»/Л;=(1+/./',)"' О)

Время жизни носителей заряда в неполярных диэлектриках ограничено процессами рекомбинации, захвата активными примесями или структурными ловушками (в твердых телах) и присоединением к электродам или изоляторам, благодаря действию химических или поляризационных сил. В эффективных детекторах время жизни квази-свободных электронов должно превышать время, необходимое для их собирания из объема детектора. Проблема обеспечения достаточно долгого времени жизни носителей заряда особенно остро стоит в детекторах с конденсированным рабочим веществом большой массы. Характерное время определяется энергией электрона и напряженностью электрического поля, прижимающего электрон к границе раздела фаз. В Таблице 1 суммированы

электронные свойства неполярных диэлектриков, которые могут использоваться для создания эмиссионных детекторов.

Таблица 1. Электронные свойства жидких (ж) и твердых (т) неполярных диэлектриков, используемых в эмиссионных детекторах [1,2]._

Т, К Е а, ,смг/В/сек Fc, F„, МКС

(энергия активации) (температура) кВ/см кВ/см (F, кВ/см)

Эмиттеры холодных электронов

ж'Не 1-2 1,05 0,03 +1 10'(0,1)

ж п-Н 300 1,88 0,09 (£>0,19 зВ) +0,09 100 0,03

тп-Н 77 +0,98

ж iso-O 300 1,94 7 (£>0,05 эВ) -0,18 90 0,15 20 (1,0)

т iso-O 77 +0,57

ж: TMP 297 1,9 24 (£>0,0б эВ) -0,43 50

тТМР 77 +0,34

ж Ar 84 1,51 475 -0,21 0,2 700 (0,1)

ж Ке 35,7 1,18 0.001 +0,67 1.0 2-10'(1,0)

Эмиттеры горячих электронов

т Ne 24 600 +1,1

ж СН4 100 1,66 400 -0,18 1,5 <4

тСН< 77 -1000 -0 <1,5 <0,1 (>1)

ж Ar 84 1,51 475 -0,21 0,2 0,25 < 0,1 (>0,3)

т Ar 83 1000 +0,3(6К) 0,1 <0,1 (>0,1)

ж Кг U6 1,66 1800 -0,4 0,08 1,6 <0,1 (>1,6)

тКг 116 3700 -0,25(20К) 0,98 <0,1 (>1)

жХе 161 1,93 2200 -0,61 0,05 1,75 <0,1 (>1,8)

тХе 161 4500 -0,46 (40К) 1,25 <0,1 (>1,3)

Примечания: п-Н—н-гексан, iso-0 ~ изооктан (триметалпентан), TMP—тетраметалпентан

Технология очистки неполярных диэлектриков от молекулярных и электроотрицательных - ключавой фактор создания массивных детекторов. Самый мощный метод очистки благородных сред был предложен в МИФИ и заключается в распылении активных металлов электрическим разрядом в жидкости или в газе высокой плотности [1, 2]. При электрическом разряде между металлическими электродами в инертной среде производится значительное количество наночастиц металла, которые никогда не контактировали с воздухом и имеют чрезвычайно высокую химическую активность. Металлическая нако-пыль поглощает химически активные примеси такие, как кислород и вода, подобно пористым геттерам. Кроме того, в разряде генерируется интесивное УФ излучение, для которого чистый благородный газ прозрачен, а многие молекулярные примеси поглощают и диссоциируют, превращаясь в химически активные радикалы. Это ещё больше повышает реактивную способность металлической пыли. Наилучшие результаты до

сих пор были достигнуты с титановой пылью. Искровая очистка требует специальных мер для предотвращения распространения пыли за пределы реактора.

Рекордная по размерам (объем очищаемого образца 100 литров) искровая очистка «Мойдодыр» была построена для исследования возможности создания быстрых сцинтитлляционных калориметров на основе жидких ксенона и криптона в ИТЭФ в конце 80-х годов [3, 7]. На этой установке были получены образцы жидких ксенона и криптона массой 10-20 кг с длиной дрейфа электронов свыше 1 метра.

Мощным приемом, усиливающим действие химических и адсорбционных методов очистки, служит многократное пропускание газа (или жидкости) через систему очистки. Наибольший эффект достигается в случае непрерывной циркуляции рабочей среды последовательно через детектор и систему очистки. Первое достижение макроскопической длины поглощения (34 см против измеренных до этого опыта 1 см) собственного сцинтилляционного излучения в образце жидкого криптона массой 26 кг было достигнуто, благодаря многократной циркуляции газа через горячий кальциевый геттер [9]. Другим примером может служить циркуляционная очистка сцингилляционной дрейфовой камеры на сжатом ксеноне, оснащенной девятнадцатью стеклянными окнами диаметром 75 мм, покрытых пара-терфенилом в качестве аолнового сместителя; после циркуляционной очистки этот детектор работал в течении одной недели в отсеченном от очистки состоянии без деградации очень высокого энергетического разрешения, достигнутого в нем [10]. В этих двух экспериментах использовался специально разработанный и изготовленный в ИТЭФ цельно-металлический диафрагменный циркуляционный насос высокого давления (до 10 атм) с магнитным приводом.

Циркуляционная очистка газообразного ксенона использовалась также в экспериментах MEG, XENON и LUX. В этих экспериментах с массивными (десятки килограммов) образцами жидкого ксенона газообразный ксенон отбирался из газовой фазы над жидкостью и с помощью циркуляционного насоса низкого давления с тефлоновой диафрагмой прокачивался через пористый горячий металлический геттер типа MonoTorr затем конденсировался и возвращался в детектор в жидком виде. В качестве примера на Рис.2а приведен график скорости очистки (по длине дрейфа электронов до захвата) образца жидкого ксенона массой 65 кг в прототипе детектора LUX в 2009 году в Case Western Reserve University. Подобная технология использовалась в эксперименте MEGA, в котором таким образом получили длину поглощения собственного света в жидком ксеноне A^s5" 1 м на уровне 90% CL [1].

Purification vs. Time, Run009

0 20 40 60 SO tOO 120 Recirculation Time [hours]

(a)

Рис.2. Длина дрейфа электронов (а) в образце жидкого ксенона массой 65 кг в зависимости от времени циркуляции газа, отбираемого из газовой фазы эмиссионного детектора-прототипа LUX (б) и конденсируемого в жидкую фазу.

В некоторых случаях необходима высокая степень разделения благородных газов с близкими химичекими характеристиками. Например, в низкофоновых экспериментах рабочая среда детектора должна содержать минимально возможное количество радиоактивных изотопов типа в"Кг, 22~Rn, 22ÉRn, 39Аг, которые влияют на формирование фона, маскирующего полезные события. Одной из сложнейших задач такого рода является задача выделения из ксенона следовых количеств криптона. Наилучший коммерчески доступный ксенон содержит 1-5 ррт (частей на миллион) криптона. Криптон содержит около 2x10"" мольных частей бета-активного изотопа 8'Кг с периодом полураспада 10.756 лет и максимальной энергией бета-спектра 687 кэВ. Для целей экспериментов по поиску темного вещества во Вселенной требуется, чтобы в образцах жидкого ксенона массой 1 тонна содержалось не более 30 ppt криптона (в естесвенной смеси изотопов).

Для эксперимента XENON была разработана более компактная и пригодная для установки в подземной лаборатории система кинетического диффузионного разделения [11]. Последний метод работает следующим образом. Порция ксенона смешивается с несущим газом гелием и прокачивается через адсорбционную колонну из активированного угля. Время, которое требуется каждому из газов, чтобы протечь через колонну при одинаковом давлении, г определяется эффективностью адсорбции и скоростью прокачки газовой смеси и может быть выражено как

т=кМ/Ф (1.68)

где к - адсорбционная константа для данного газа (в специальных экспериментах группой CWRU было найдено, что кХе = 0,95 ± 0,6 л/г, and кКг = 0,055 ± 0,007 л/г для ксенона и криптона, соответственно), М - это масса активированного угля, выраженная в граммах, Ф - скорость прокачки газа, выраженная в л/е. Процесс разделения протекает в три ступени, которые затем многократно повторяются: (1) впрыск - порция исходного ксенона с примесью криптона Кг смешивается с гелием и подается на вход адсорбционной колонки; (2) прокачка - газовая смесь прокачивается через адсорбционную колонну; выходящий газ пропускается через криогенную ловушку, где собирается криптон; этот процесс продолжается до тех пор, пока криптон не выйдет из адсобционной колонны; выходящий из ловушки гелий закачивается опять в адсобционную колонну; (3) восстановление - выходящий из колонны поток газа переключается на ксеноновую ловушку (конденсор), при этом скорость прокачки максимально увеличивают; гелий, выходящий из конденсора, опять закачивается в адсорбционную колонну; эта стадия продолжается до тех пор, пока весь ксенон не выйдет из адсорбционной колонны.

Таким способом было очищено 26 кг ксенона до уровня содержания криптона <3-10"12 для эксперимента XENON 10, впервые для жидкоксеноновых детекторов давшего рекордные результаты по ограничению на сечение рассеяния на нуклонах и массу гипотетических частиц, составляющих темную массу Вселенной [12-14].

Детекторы на конденсированных благородных газах для своей работы нуждаются в надежных системах охлаждения. Для эксперимента LUX была разработана экономичная система охлаждения типа «тепловая труба» или «термосифон» - без механических вибраций и массивных частей поблизости от детектора - которая обеспечивает на несколько порядков лучший теплоотвод, чем металлический тепровод из электролитической меди [15].

Глава 2 посвящена разработке сцинтилляционных позиционно-чувствительных детекторов, которые могут использоваться в экспериментальной физики высоких энергий, в ядерной физике и в прикладных областях использования детекторов, требующих высокого быстродействия. Достижения в области разработки детекторов УФ излучения и технологии светособирания, рассмотренные в Главе 1, позволили решить задачу эффективной регистрации частиц и излучений с достаточно хорошим энергетическим и пространственным разрешением, используя только сцинтилляционные свойства чистых благородных газов в некоторых специальных случаях.

Первый такой специальный случай - создание электромагнитных калориметров для физики высоких энергий. Основная часть работ в этом направлении выполнена в рамках R&D программы разработки бысрого, радиационно стойкого гомогенного электромагнитного калориметра для установки GEM на строившемся в США до 1993 года ускорителе SSC (Supercinducting Super Collider) для встречных пучков прогонов с энергией 20 ТэВ. С ростом энергии и светимости ускорителей пространственное разрешение калориметров приобретает большее значение, чем энергетическое разрешение для реконструкции инвариантных масс. По мере того, как массы новых частиц становятся все больше, продукты их распада имеют все большую энергию и продукты их распада становятся все более «коллимированными». Так, продукты распада слабых бозонов при распаде 1 -ТэВног о Хиггса разлетаются под углом около 10°. Тонко гранулированные калориметры необходимы для идентификации нейтральных пионов с энергиями, превышающими несколько ГэВ [16, 17]. Создание тонко гранулированного гомогенного калориметра упирается в разработку элементарной ячейки, сигнал отклика с которой не зависит от места энерговыделения по её объему, а толщина стенок пренебрежимо мала. Поэтому значительные усилия были направлены на разработку ячейки калориметра с однородной функцией отклика [18-21].

Для исследования светособирающих элементов была создана установка (Рис. За), которая позволяла сканировать длинные ячейки, заполненные жидким ксеноном, криптоном или их смесями с помощью пучка релятивистских частиц (пионов), создаваемого с помощью 10-ГэВного протонного синхротрона ИТЭФ. В результате цикла исследований был выбран пирамидальный рефлектор из алюмшшзированного Майлара толщиной 50 микрон и размерами (2.1х2.1)х40х(4.15х4.15) см5 со стеклянным фотоумножителем ФЭУ-85, установленным в середине большего открытого основания пирамиды. Волновой сместитель пара-терфенил напылялся на металлизированную внутрешпою поверхность ячейки в виде четырех полосок трапецеидальной формы, как показано на Рис.4а. Полоски напыления расширялись в сторону съужения пирамидального рефлектора под углом, равным углу схождения рефлектора. Площадь покрытия волновым сместателем составляла около 7% площади всего рефлектора. Продольная функция отклика ячейки показана на Рис.Зб значками в виде квадратиков и звездочек для разных образцов ячеек. Средний световыход ячеек такого типа составил 7 и 9,5 фотоэлектронов на 1 МэВ поглощенной энергии для жидкого криптона и жидкого ксенона, соответственно. Отличная продольная однородность ячейки была достигнута ценой значительной потери полного

светособтрания из объема всей ячейки. Однако, для задач физики высоких энергий, когда энерговыделение на ячейку превышает 1 МэВ, эта потеря несущественна.

-KV£H6}->Srgnai

(а) (б)

Рис.3. Камера для исследования однородности светособираш вдоль сцинтилляционной ячейки калориметре на сжиженных благородных газах на пучке настиг) высоких энергий (а) и продольная функция отклика ячейки сциититяционного калориметра на жидком ксеноне (б), где квадратики и звезды соответствуют данным, полученным на ячейке, показанной на Рис. 4а

На Рис.4 показаны отдельная ячейка из алюминизированного майлара, сборка из 45 ячеек и модель электромагнитного калориметра ЛИДЕР, в котором была испытана эта сборка. ЛИДЕР был испытан при заполнении жидким криптоном на вторичном пучке 400 МэВ электронов ускорителя ИТЭФ и при заполнении жидким ксеноном на пучке £,,=106-348 МэВ электронов от ускорителя BATES Массачусетского технологического института (США). При заполнении жидким ксеноном было определено энергетическое разрешение прибора в виде зависимости ot/Ec = ■5%'\£(гэв), координатное разрешение центра тяжести ливня а% = 0.7 см и временное разрешение а, = 0.6 не. Опыт, приобретенный при создании детектора ЛИДЕР, был использован для разработки проекта переднего калориметра KryptonWall для установки WASA, работавшей на протонном ускорителе CELSIUS в Уппсальском университете (Швеция).

Рис.4. Отдельная счетособираюи\ая ячейка (а) из алюминизированного машара с волновым сместителем, напыленного в виде трапецеидальной полоски на гранях ячеек: 1 - ФЭУ-85; 2 - полоска паратерфенияа; 3 - усеченная четырехгранная пирамида из машара - сборка 45 ячеек (б) и сцинтилляционный калориметр ЛИДЕР (в): 1 — сборка 45 ячеек; 2 — камера с жидким ксеноном/криптоном; 3 - нагреватель на медном экране; 4 - поддержка светособирающей структуры; 5 - ФЭУ-85; 6 — ввод для жидкого азота; 7 - ввод для ксенона; 8 - проводники, соединяющие ФЭУ с внешними делителями; 9 — многоштырьковые стеклянные гермовводы; 10 — делитель; 11 - элемент поддержки криостата.

Позиционно-чувствительный сцинтилляционный детектор другого типа был построен для регистрации тепловых нейтронов в сжатом 3Не с помощью двух-канального детектора на кремниевых лавинных фотодиодах SD7911 производства Advanced Photonix.Inc с входным окном диаметром 16 мм [22]. Как известно, изотоп гелия 3Не обладает рекордным (5333 барн) сечением поглощения тепловых нейтронов в ядерной реакции

п + 3Не ->р + 3Н, (4)

при этом выделяется значительная энергия (764 кэВ), а продукты реакции - протон и тритон — заряжены и эффективно теряют энергию в плотных средах. Кроме того, ''Не обладает довольно высоким сечением упругих взаимодействий с быстрыми нейтронами, превосходя в этом смысле даже водород при энергиях нейтронов >3 МэВ. Кремниевые лавинные фотодиоды монтировались с зазором 7 мм внутри корпуса из нержавеющей стали с двумя эллиптическими окнами толщиной 1,5 мм и диаметром 25 мм. Детектор заполнялся газовой смесью 3Не +0.5%Хе под давлением 35 атм. Входные окна фотодиодов были запылены в вакууме пленкой пара-терфенила

толщиной 0,5 мг/см2 Фотодиоды работали с коэффициентом внутреннего усиления 300.

л!'!!) 1

ли-а?

и7

лро 2

Л1 рв1к

.ШН"-::--

«в 35»

«¡(КШЧХ!

(а)

(б)

Рис.5. Схема устройства и считывания сигналов с двухканального сцинтилляционного детектора на сжатом 'Не (а) и двумерное распределение амплитуд сигналов типа «рыбий хвост», полученное в совпадениях с двухканачьного сцинтилляционного детектора на сжатом !Не при регистрации тепловых нейтронов.

Продукты ядерной реакции (4) эффективно останавливались в чувствительном объеме детектора ~1 см3 при давлениях 35 атм и выше. В случае упругого рассеяния быстрых нейтронов пробег ядер отдачи 3Не составляет 2 см при энергии нейтронов 1 МэВ. Для эффективной регистрации таких нейтронов необходимо использовать замедлитель. На Рис.5а показана схема съема информации с детектора. Схема позволяла отсеивать сигналы, связанные с прямым взаимодействием нейтронов с кремниевыми фотодиодами. Суммарный сигнал А1+А2 пропорционален общему световыделеняю в газе. На Рис.5б показано двухмерное распределение сигналов с детектора, полученное при регистрации тепловых нейтронов. Специфическая форма распределения типа «рыбий хвост» является следствием различного количества света, собранного на фотодиодах, в зависимости от положения точек поглощения нейтронов в промежутке между фотодиодами по глубине и по радиусу от геометрического центра. Результаты эксперимента подтверждены компьютерными расчетами методом Монте-Карло светособирания. Используя энергетическое окно и двумерный

аплитудньгй анализ, можно эффективно отделять нейтронные сигналы от сигналов, инициированных гамма-квантами, а по положению сигнала в двумерном пространстве {Al, А2} судить о положении точки поглощения нейтрона в зазоре между фотодиодами.

В Главе 3 рассмотрена методика иозиционно-чувствительной регистрации с помощью эффекта электролюминесценции - возбуждения чистого благородного газа при движении через пего электронов в достаточно сильном электрическом поле. Электролюминесцентный сигнал не связан с емкостью электродной системы и в однородном поле достаточно высокой напряженности пропорционален падению напряжения между электродами, а не напряженности электрического поля. Это обстоятельство делает электролюминесцентные детекторы чрезвычайно устойчивыми к внешним неблагопрятным факторам таким, как вибрация.

х ^ й- гт

electron _ «есггоп $ / Siiwie

Atom »s^' Atom \ \

»•* Electron \

avalanche photon photon

Рис. 6. Сравнение процесса усиления сигнала в газовой пропорциональной камере (а) и в электролюминесцентном детекторе (б).

Второе важное свойство электролюминесцентного метода съема информации заключается в возможности эффективного усиления сигнала. В отличие от газового усиления в пропорциональных камерах, электролюминесценция не экспоненциальный, а линейный процесс (Рис.6), т.е. только первоначаный электрон рождает вторичные частицы (фотоны), а вторичные частицы, будучи рожденными, сами не участвуют в процессе усиления. В приборах с газовым усилением вторичные частицы (электроны) могут в свою очередь рождать электроны и процесс приобретает лавинообразный характер. Флуктуации процесса размножения электронов на начальных стадиях процесса приводят к значительным колебаниям общего количества рожденных вторичных частиц, тем самым ограничивая энергетическое разрешение, которое можно достичь с помощью детекторов с газовым усилением.

Благодаря линейности «светового усиления», в электролюминесцентных детекторах можно достигнуть очень хорошее энергетическое разрешение [10].

Устойчивость электролюминесцентных детекторов к механическим вибрациям была продемонстрирована в работе [23]. Детектор с чувствительным объемом 05x5 см2, заполненный ксеноном под давлением 20 атм, с энергетическим разрешением 10%Р\УНМ на линии 60 кэВ (24|Аш) подвергался воздействию вибратора гравировальной машинки мощностью 10 Ватт, работавший с частотой 60 Гц и в свободном состоянии колебавшийся с амплитудой ±0,5мм. Среднеквадратичное ускорение, создаваемое вибратором, составляло примерно 4g, что превышает уровень вибрации на вертолетах. Заметных изменений спектра в области >10 кэВ под влиянием вибраций обнаружено не было. Для сравнения такой же тест был проведен с цилиндрической ионизационной камерой на сжатом ксеноне-, уровень наблюдавшихся шумов превысил уровень сигналов от гамма-квантов по крайней мере на 2 порядка величины, и опыт был прекращен из-за опасности разрушения предусилителя.

MW

'ШЩнр!

ш

ж т

;

It« Ш; liil! Шш

ГШШ'

(") (б)

Рис. 7. Устройство сцинтилляционной дрейфовой камеры (а) и изображение свинцовой маски (б) в плоскости электролюминесцентного зазора (вверху) и по глубине камеры (внизу), полученное от точечного источника 241 Ат, расположенного на расстоянии 1,5 м от маски и входного окна камеры.

РМТ

Light-guide

Glass -AindDW

High pressure chamber

Eierfrose structure

Flat grounded electrode

Spherical aluminum entrance window

Gas connectors & HV feedtiiroughs

Наиболее ярко достоинства методики электролюминесцентных детекторов были продемонстрированы при разработке сщштилляциошшх дрейфовых камер (СДК). Нами была создана одна из лучших в своем классе камера СДК-19 (Рис.7), которая состояла из корпуса из нержавеющей стали и электродной системы, включающей 37-миллиметровый дрефовый промежуток и б-мм электролюмииесцентпый промежуток, образованные проволочными электродами [10]. Сцинтилляции в дрейфовом промежутке и электролюминесценция в свсто-производящем промежутке регистрировались с помощью девятнадцати фотоумножителей ФЭУ-139 с диаметром колбы 80 мм, установленных вне камеры. Каждый ФЭУ находился в оптическом контакте с отдельным окном, покрытым изнутри пара-терфепилом. Для ввода гамма-излучепия служило сферическое алюминиевое окно толщиной 3 мм. Давление ксенона в камере варьировалось вплоть до 20 атм. Дополнительный тонкий алюминиевый электрод был установлс между окном и дрейфовым промежутком для выравнивания электрического поля в рабочем объеме детектора.

Гамма-излучение попадало в детектор через входное окно и поглащалось в дрейфовом промежутке, где конвертировалось в ионизационный кластер и первичную сцингилляционную вспышку. В относительно слабом дрейфовом поле (~0.1 кВ/сматм) кластер электронов ионизации дрейфовал в свето-производящий промнжуток, где в сильном поле (2-3 кВ/сматм) генерировал электролюминесцентную вспышку. Положение точечно-подобного ионизационного кластера определялось в проекции на плоскость свето-производящего промежутка и измерялось по распределению величин электролюминесцентных сигналов по матрице фотоумножителей. Координаты {х\, уч] кластера и энергия частицы, выделенная в кластере, Е определялись путем взвешивания измеренных величин сигналов:

Е = Щ А1, х = 2т,- Ai /ХЛ/, у = Ху; Аг / ХА), (5)

где /=1,...,19 — номера фотоумножителей, А/ - отклик фотоумножтеля номер /, к/ -веса сигналов, определяемые путем калибровки. Первичные коэффициенты к/ определялись по коэффициентам усиления ФЭУ, а затем корректировались по

57

отклику детектора на возбуждение гамма-источником Со, излучение которого направлялось с помощью коллиматра под каждый из 19 фотоумножителей. Процедура повторялась несколько раз, пока неоднородность пространственного отклика не составила величину <1 мм, а ошибка в определении энергии на линии 122 кэВ не снизилась до величины <1%. После этого было измерено собственное

пространственное разрешение как ширина отклика на коллимированный пучок гамма-квантов от источников Со и 24|Ат.

Уникальным на момент разработки было то, что камера запускалась первичной сцинтилляцией. Для этого все ФЭУ включены на совпадение по мажоритарной схеме. Положение ионизационного кластера по глубине дрейфового объема камеры определяется по величине задержки между сцинтилляционной и элекгрошоминесцентной вспышками. Система сбора данных в стандарте 1САМАК в линию с персональным компьютером типа Pentium позволяла распознавать от 1 до 4 ионизационных кластеров, относящихся к одному сцинтилляционному триггеру. Эффективность сцинтилляционного триггера составляла 60% для гамма-квантов с энергией 60 кэВ (24|Ат) при давлении ксенона 9 атм (плотность 0,054 г/см3). При тех же условиях эффективность регистрации достигала 80%, если использовался электролюминесцентный триггер. При этом энергетическое разрешение СДК-19 составляло 2,7% FWHM в среднем по полю зрения диаметром 22 см и 2,5% FWHM для коллимированного пучка 122 кэВ (57Со) гамма-квантов. Трехмерная позиционная чувствительность составила 3,5 мм FWHM в плоскости матрицы ФЭУ и 0,6 мм по глубине дрейфового промежутка для гамма-квантом с энергией 60 кэВ. Быстродействие камеры зависело от режима работы и составляло 100 кГц, когда камера запускалась от электролюминесцентного сигнала, что сравнимо с быстродействием сцинтилляционных гамма-камер такого же размера. Когда камера запускалась от сцинтилляций и измеряла 3D положения нескольких ионизационных кластеров, её быстродействие составляло 20 кГц.

О способности камеры к трехмерному имаджингу можно судить по Рис.7б, на котором представлено изображение свинцовой маски с регулярной сеткой отверстий диаметром 4 мм с шагом 8 мм. Маска располагалась перед входным окном камеры и облучалась точечным источником 57Со, расположенным на расстоянии 1,5 м от входного окна камеры на его оси. Верхнее распределение соответствует АТ-проекции изображения маски на плоскость матрицы ФЭУ. Нижнее распределение показывает положение точек взаимодействий по глубине дрейфового промежутка (в XZ-плоскости) для одного из центральных рядов верхнего изображения. Способность измерять положение ионизационных кластеров в трехмерном пространстве использовалась для испытания СДК-19 в режиме комптоновской камеры, разрабатываемой для ядерно-медицинской томографии, как описано в Главе 7.

Глава 4 посвящена методическим работам по разработке эмиссионного принципа регистрации, впервые предложенного 40 лет назад на кафедре экспериментальной

ядерной физики МИФИ в лаборатории К.А.Долгошеина, где была открыта эмиссия электронов ионизации из жидкого аргона и исследовалась электролюминесценция благородных газов в ходе попытки создания стримерной камеры высокой плотности. Подробное изложение истории разработки эмиссионного метода содержится в монографии [1].

Рис.7. Ионизационная эмиссионная камера, использовавшаяся для исследования эмиссионных свойств конденсированных благородных газов, метана и их смесей и типичные зависимости амплитуды наведенного импульса напряжения итах, измеренного с помощью зарядовочувствителъного предусилителя (I, 2), и эмиссионного тока I, измеренного с помощью электрометра (3), от напряженности электрического поля в твердом (1) и жидком (2, 3) криптоне вблизи тройной точки. Пороговые значения электрического поля (порог эмиссии) показаны вертикальными стрелками.

Миниатюрная двухэлектродная ионизационная камера с вводом рентгеновского излучения от управляемой рентгеновской трубки через нижний электрод (Рис.7) -одна из типичных ионизационных камер, использовавшихся в 1980-е годы для исследования эмиссии электронов из конденсированных благородных газов. Детектор состоял из двух алюминиевых электродов дтаметром 25 мм и зазором между иими 8 мм. В центре нижнего электрода было устроено окно толщиной 0,4 мм и диаметром 7 мм для ввода в камеру рентгеновского излучения от управляемой рентгеновской трубки БСВ-7, с помощью которой генерировались рецтгеиоские импульсы длительностью 0,5 микросекунды и частотой 100 Гц с максимальной энергией 35 кэВ. Рентгеновское излучение поглащалось в слое сковдесированного на нижнем электроде криптоне толщиной менее, чем 0,1 мм. Тем самым формировалось облако

/, рА

электронов, достаточно компактное в направлении дрейфа для того, чтобы считать его точечным.

Этот детектор использовался в серии исследований свойств эмиссии электронов из жидкого и твердого криптона и криптон-метановой смеси при различных температурах и в широком диапазоне полей. Одним из важных результатов этих исследований стало доказательство термоэлектронной природы эмиссии электронов из конденсированных благородных газов [24,25].

На Рис.7 представлены типичные эмиссионные зависимости амплитуды индуцированного импульса напряжения um„=U}(F), измеренные с помощью зарядовочувствительного предусилитеяя, и эмиссионного тока iff), измеренного с помощью электрометра, от напряженности электрического поля в конденсированном криптоне вблизи тройной точки. По этим зависимостям определялся порог эмиссии (F,для твердого и F^"1 для жидкого криптона) путем линейной экстраполяции левой и правой ветвей, как показано штриховыми линиями на рисунке. Основные результаты исследований изложены в Главе 1.

Исторически эмиссионные детекторы развивались по направлению создания камер для изображения треков ионизирующих частиц как продолжение технологии стримерных камер в область сред более плотных, чем газ при нормальных условиях. Поскольку электроны, дрейфующие в электрическом поле в чистых благородных, легко набирают энергию достаточную для ионизации атомов, эмитированные электроны в эмиссионных детекорах могут создавать искры, видимые невооруженным глазом. Усилия в этом направлении были сосредоточены с целью создания камеры, способной получать изображение треков отдельных частиц высокой энергии, проходящих через конденсированное рабочее вещество детектора [26, 27].

Схема устройства эмиссионной стримерной камеры показана на Рис.8. Камера запускалась от телескопа сцинтилляционных счетчиков, выделявших частицы высоких энергий (пионы с импульсом 3 ГэВ/с) проходивших через твердый криптон. К сетчатому аноду прилагалось постоянное положительное напряжение, создававшее в твердом криптоне электрическое поле напряженностью 1,5 кВ/см, вытягивающее электроны в газовую фазу. С задержкой, необходимой для вытягивания электронов в газ, на анод подавалось импульс высокого напряжения (до 100 кВ длительностью 60 не). При этом на электронах в газе развивался стримерный разряд. Распределение стримеров по полю анода фотографировалось через окно и систему зеркал с помощью фотокамеры или двух фотокамер для получения стереоскопического изображения.

Рис. 8. Эмиссионная стримерная капера (а) и изображение треков вторичных частиц, возникших при взаимодействии первичной релятивистской частицы в дне камеры (б). Светящиеся однородные области - плазма стримеров, растекающаяся по поверхности твердого криптона.: I ~ фотокамера, 2 - зеркало, 3 - окно, 4 - сосуд из нержавеющей стали, 5 - жидко-азотный криостат, б - твердый криптон, 7 — сетчатый анод, # - сцинтилляциончые счетчики, 9 - трек релятивистской частицы.

Наблюдение плотных эмиссионных треков привело авторов к предложению использовать эмиссионный детектор для поиска аномально слабоионизирующих частиц [28], И. действительно, среди коллекции снимков с эмиссионной стримерной камеры были обнаружены редкие снимки аномальных треков с плотностью стримеров порядка 0,5 на 1 см длины трека. Такие треки могли быть рассмотрены как кандидаты на аномальные частицы, производящие на несколько порядков меньше электронов ионизации, чем релятивистские пионы. Однако детальный анализ условий съемки показал, что аномальные треки являются следствием памяти детектора. Как видно из Рис.4.4, иногда плазма от стримеров касается поверхности твердого криптона. Если следующий визуализирующий импульс подается достаточно быстро после такого события, то электрическое поле срывает с заряженной поверхности электроны и при этом возникает трек-«фантом», проходящий точно по тому же месту, что и предыдущий трек, однако этот повторный трек имеет значительно меньшую плотность стримеров. Это наблюдение дало основание для двух выводов: (1) в эмиссионных детекторах поверхность раздела фаз может служить источником электронов, несвязанных по своему происхождению с регистрируемой частицей, и (2) эмиссионная камера действительно способна обнаруживать необычные объекты, содержащие значительно меньше электронов ионизации, чем известные частицы.

В 1980е годы была построена и испытана по частям большая эмиссионная камера (диаметр жидкокринтоновой мишени 50 см и глубина 20 см, диаметр секции стримерной визуализации 1,5 м), которую планировали использовать в эксперименте по исследованию аннигиляции антипротонов в ядрах [3].

Как было показано в Главе 3, электролюминесцентные детекторы с несколькоми фотоприемниками позволяют достигать прекрасное пространственное разрешение и строить цифровым методом изображения полей ядерных излучений, которые производят точечно-подобную ионизацию в рабочей среде детектора. Этот подход был исследован в сочетании с эмиссионным методом при разработке эмиссионной электролюминесцентой гамма камеры [29, 30].

-ве, дал/нм 60

2 3 4

Р, кУ/ст

(б)

Рис. 9. Схема устройства электролюминесцентно эмиссионной гамма камеры (а) и энергетическое разрешение камеры (б) в зависимости от напряженности электрического поля в жидком (,светлые значки; температура 167К, толщина 1,5 мм) и твердом (темные значки; температура 156Ктолщина 4 мм) ксеноне, облучаемом гамма-квантами с энергией 122 кэВ (квадратики) и 59,6 кэВ (кружки) при установке коллимированных источников излучения в центра поля зрения камеры: I — сетчатый анод; 2 - катод — дно камеры; 3 - вакуумная тепло изоляция; 4 -теплоизоляция, 5 - стеклянное окно, покрытое пара-терфенилом с внутренней стороны; б — световод из акрила; 7 — фотоумножитель; 8 — боковая свинцовая защита.

Электролюминесцентная эмиссионная камера (Рис.9) представляла собой сосуд из нержавеющей стали, внешние контуры которого позволяли использовать свинцовую

защиту стандартной сциптилляционной гамма-камеры Ангера, использующей кристаллический сцннтиллятор Nal(Tl). Катодом детектора служило тонкое дно сосуда, на которое конденсировался елей твердого криптона или ксенона толщиной до 1 см. Анод представлял собой кольцо диаметром 30 см, центральная часть которого диаметром 24,5 см была перекрыта сеткой из нихромовой проволоки диаметром 50 микрон с шагом 1 мм. Девятнадцать стеклянных окон диаметром 7 см были установлены в гексагональном порядке и уплотнены на верхней крышке камеры с помощью медно-индиевых прокладок и пружинных шайб. Внутренняя поверхность окон была покрыта пара-терфенилом толщиной 0,5 мг/см2. Каждое окно через акриловый световод просматривалось спектрометрическим фотоумпножителем ФЭУ-139. Для заполнения камеры использовались криптон или ксенон, очищенные путем пропускания через хромосиликатный адсорбент типа Oxisorb (Messer Group GmbH) производства Института органический химии в Москве и горячий (900 К) кальциевый геттер. Газ хранился при нормальных условиях в присоединенном к камере нержавеющем сосуде диаметром 80 см и высотой 150 см, внутренняя поверхность которого была в вакууме запылена титаном.

Координаты точечно-подобных и ионизационных кластеров в плоскости анода определялись по центру тяжести распределения сигналов с матрицу 19 фотоумножителей, как это делается в обычной гамма камере Ангера. Взвешивание сигналов осуществлялось аналоговым методом на резисторной матрице, которую составляли нагрузочные резисторы в анодных цепях фотоумножителей. Визуальное отображение двумерного распределения взвешенных сигналов производилось с помощью запоминающего осциллографа Tektronix 603. Внутренне разрешение камеры определялось с помощью альфа-источника, установленного на дне камеры и покрытого алюминиевой маской. Внутреннее разрешение детектора по плоскости анода составило 2,5 мм FWHM при заполнении камеры твердым криптоном. При использовании внешнего гамма-источника с энергией 59,6 кэВ (241Лт), покрытого свинцовой маской и установленного в центре поля зрения камеры, и жидкого ксенона в качестве рабочей среды, были получепны распределе;шя координатных сигналов, по которым определено пространственное разрешение 3,5 мм FWHM, что в 3 раза лучше, чем пространственное разрешение гамма камеры, использовавшей такую же матрицу 19 фотоумножителей ФЭУ-139 для считывания сцинтилляционного сигнала с кристалла NaI(Tl). Энергетическое разрешение 15% FWHM было измерено для 122 кэВ 57Со гамма-источника при 2 кВ/см напряженности электрического поля в 4-мм слое твердого ксенона и 16% FWHM при напряженности электрического поля в

жидком ксеноне толщиной 1,5 мм. Энергетическое разрешение оказалось не столь высоким, как ожидалось, но тем не менее, превосходило энергетическое разрешение «стандартной» гамма-камеры. Было установлено, что энергетическое разрешение в основном определяется процессами на треках фотоэлектронов и, в мепьшей степени, флуктуациями собирания электронов в конденсированной фазе. Тем не менее, следует отметить, что полученные в этой работе результаты по энергетическому разрешению для элекгролюминесцентных эмиссионных детекторов не превзойдены до сих пор.

В Главе 5 показано, что успешное развитие технологий быстрых сцинтилляционных детекторов, высокочувствительных к ионизации электролюминесцентных детекторов и эмиссионных детекторов, позволивших сочетать эффективные методы усиления сигналов в газовых средах с массивными рабочими средами, привело к пониманию того, что все эти подходы могут быть объединены и это позволит создавать новый класс детекторов с рекордной чувствительностью к редким и слабоионизующим частицам, так называемые детекторы «без стенок». Идея была выдвинута автором этой работы около 18 лет назад и впервые опубликована 15 лет назад [31]. Принцип действия «бесстеночного» эмиссионного детектора заключается в следующем:

1) Регистрируемое излучение взаимодействует с конденсированной рабочей средой детектора, возбуждает и ионизует атомы, в результате чего возникает первый сигнал, проявляющийся в виде сцинтилляции конденсированных благородных газов. Этот сигнал используется для запуска системы съема информации с детектора.

2) Благодаря приложенному электрическому полю, электроны ионизации дрейфуют к свободной поверхности конденсированной рабочей среды детектора и выходят из неё (эмитируют) в равновесную газовую фазу или вакуум, где генерируют второй, усиленный сигпал, пропорциональный количеству электронов ионизации. Усиление этого второго сигнал может достигаться разными способами: электролюминесценцией благородного газа, лавинным размножением электронов в разреженной газовой фазе, ускорением электронов в вакууме и др. Матрица датчиков используется для того, чтобы зарегистрировать двумерное распределение вторичных частиц и определить координаты первичного взаимодействия вдоль поверхности, составляемой входными окнами матрицы датчиков (например, фотоумножителей). Поскольку второй сигнал задержан относительно первого на время дрейфа электронов ионизации, по задержке между первым и вторым сигналами определяется третья координата первоначальной точки взаимодействия.

аШ, dru

JO^y /

100 1 1

300 / /:

1000/

1 .11.1 ,. , ....... I 1 1,1'"

10 10 m, kg

(с)

(б)

Рис.10. Пршщип работы «бесстеночного» эмиссионного детектора (а) и скорость счета гамма-квантов от естественной радиоактивности окружающих материалов (б) как функция массы центрапьного чувствительного объема А жидкоксеноновом заполнении общей массой 10, 100, 300 и 1000 кг по данным коллаборации LUX; I -сцинтилляциоииая вспышка в точке взаимодействия слабовзаимодействующей частицы IV с рабочим веществом детектора - конденсированным благородным газом LXe, помещенным в электрическое поле F; 2 - электролюминесцентная вспышка в газе, инициированная электронами ионизации, вытянутыми из LXe и дрейфующими через равновесную газовую фазу в достаточно сильном электрическом поле; 3 - матрица фотоумножителей, регистрирующих сцинтилляционную и электролюминесцентную вспышки; Â - чувствительный объем, из которого выбираются полезные события; В - защитный слой, в котором в основном происходят события, связанные с радиоактивностью окружающих материалов; Ua -потенциал анода, Uc - потенциал катода. Единица измерения гамма-фона; 1 dru = 1 событие/кг/кэВ/день.

3) Знание положения точки взаимодействия в трех-мерном пространстве используется для отбора событий происходящих в чувствительном объеме А (Рис.10). Для достаточно больших и массивных детекторов, построенных из материалов с большой поглощающей способностью к ядерным излучениям (из жидкого ксенона, например), объем сверхчистого вещества детектора В, окружающего чувствительный объем А, играет роль защиты от радиоактивного излучения окружающих материалов. В режиме активной защита слой В используется для отсева событий в объеме А, коррелированных по времени с событиями в объеме В. Это позволяет исключать события, произошедшие в результате многократных рассеяний фоновых частиц.

Дополнительным мощным методом отсева фоновых событий служит идентификация природы взаимодействия по соотношению долей энергии, затраченных на ионизацию и возбуждение рабочей среды детектора [32]. Важным преимуществом благородных сред перед многими другими материалами для рабочих сред детекторов является возможность их сверхтонкой очистки от примесей и долгоживущих радиоактивных изотопов. Особое место среди благородных сред принадлежит конденсированному ксенону, который, благодаря высокой плотности и большому атомному номеру, прекрасно поглащает гамма-кванты и может играть роль эффективной активной защиты от естественной радиоактивности.

Рис.106 иллюстрирует экранирующие свойства жидкого ксенона для нескольких гипотетических жидкоксеноновых детекторов с массой от 10 до 1000 кг, помещенных в одинаковые фоновые условия - в пещеру Дэвиса в шахте Homestake (Ю. Дакота, США), где в настоящее время готовится эксперимент LUX [33]. Видно, что в зависимости от выбранной чувствительной (fiducial) массы в центре детекторов разной общей массы достигается разный эффект в подавлении гамма-фона от естественной радиоактивности. Так, например, выбирая чувствительное ядро массой 10 кг, мы понижаем фон при переходе от 10-килограммового к 100-килограммовому детектору в 125 раз; при переходе от 100-кг детектора к 300-кг детектора ещё в 100 раз, а при переходе от 300-кг детектора к 1000-кг детектору в 3 раза, т.е. в 10-кг ядре 1-тонного детектора уровень фона оказывается пониженным почти в 40000 раз по сравнению с незаэкранировапным 10-кг детектором! При выборе детектора общей массой 10 тонн в чувствительном ядре массой 6 тонн активность гамма-фона с энерговыделением 5-25 кэВ составит 10"5 dru.

В Главе б рассматриваются задачи, связанные с необходимостью поиска редких событий, при которых в детекторе выделяется энергия, едва достаточная для генерации сигналов, измеримых современной электроникой. К числу таких задач относятся фундаментальные эксперименты по поиску небарионной темной материи, безнейгринного бета-распада, когерентного рассеяния реакторных антинейтрино, измерение спектра солнеченых нейтрино рр-цикла.

В эмиссионных детекторах на конденсированных благородных газах каждое событие регистрируется по двум независимым каналам: сцинтилляции, которая возникает при возбужденнее атомов среды, и ионизации, которая является результатом рождения электроно-ионных пар при утилизации поглощенной в рабочем детекторе энергии. Для дискриминации фонов используется селекция по величине отношения сигналов возбуждения (сцинтилляции S1) к сигналам ионизации

(электролюминесценции S2) для отличия электронов (продуктов основных фонов от естественной радиоактивности) от ядер отдачи (продуктов когерентного рассеяния нейтрино и вимпов). Плотные ядерные треки дают меньшую величину S2/S1, чем менее плотные электронные треки. Это хорошо видно по данным, полученным на исследовательском двухканальном эмиссионном детекторе коллаборации LUX (Рис.11). Ионизационный выход с обоих типов треков возрастает по мере снижения энергии, причем темп роста заметно увеличивается ниже 20 кэВг (кэВ по ядрам отдачи). При анализе данных в эксперименте XENON 10 был выбран порог регистрации 4.5 кэВг по ядрам отдачи. При этой энергии эффективность режекции гамма-фона по описанному выше методу составляла 99.9%, снижаясь до 99.3% при 27 keVr. Заметим, что при таких энергиях дрейфое электрическое поле не оказывало существенного влияния на ионизационных выход. Эффективность дискриминации была ограничена только шириной распределения ионизационного выхода, то есть преимущественно определялось флуктуациями рекомбинация [34].

Рис.11. logio(S2/Sl) величина в зависимости от энергии для электронов от взаимоденйетвий гамма-квантов с энергией 662 кэВ от источника ,s7Cs (а) и ядер отдачи от нейтронного источника АтВе (б) в жидком ксеноне: красная линия -средняя величина распределения для электронов; зелёная линия - средныы величина распределения для ядер отдачи; чёрная линия - эффективность дискршинации 99% [34].

Современные эмиссионные детекторы с цифровым считыванием информации способны идентифицировать многоточечные события как в виде протяженных треков, так и в виде нескольких ионизационных кластеров, возникших одновременно, но распределенных по объему детектора. Согласно компьютерным симуляциям, проведенным коллаборацией LUX, для жидкоксенонового детектора массой 350 кг нейтронный фон будет понижен в 20 раз, если отсеивать события, состоящие из

нескольких ионизационных кластеров, распределенных по всему объему, которые могут быть следствием многократного рассеяния нейтронов. В детекторе общей массой 10 тонн в чувствительном ядре массой 6 тонн за счет отсева по многократному рассеянию возможно понижение фона от нейтронов с общим энерговыделенисм 5-25 юВ более, чем на 4 порядка [33].

Необычные много-кластерные события такие, как пять кластеров, лежащие в одной плоскости могут служить уникальным признаком позитронного двойного бета-распада [35].

Рис. 12. Схема устройства жидкоксенонового эмиссионного детектора XENON 10 (а) и сечение упрогого спин-пезасисимого рассеяния вимпов в зависимости от их массы (б): 1- вакуумный криостат; 2 - медная головка криокулера; 3 - теплообменник для газообразного ксенона; 4 - верхняя матрица из 48 фотоумножителей; 5 - сетки; б -дрейфовые кольца внутри тефлонового отражатели; 7 - сетчатый катод; 8 -нижняя матрица из 32 фотоумножителей.

Первый истинно «безстеночный» эмиссионный детектор XENON 10 был построен коллаборацией XENON для поиска холодного темного вещества в форме вимпов. Схема устройства детектора представлена на Рис.12. Детектор содержал 17 кг жидкого ксенона, вложенного в цилиндрический рефлектор из тефлона, игравшего роль светособирающей структуры и изолятора, поддерживавшего дрейфовые кольца

1Í т. ГэВ/с2

(б)

(а)

для формирования однородного дрейфового поля в объеме диаметром и высотой около 20 см. Для съема сигналов использовались две матрицы фотоумножителей с квадратными входными окнами 2,5x2,5 см2 из кварца и металлическими корпусами (Hamamatsu R8520-AL): одна из них содержала 48 ФЭУ и располагалась в газе, а вторая содержала 32 (41 после последней модификации) ФЭУ и располагалась в жидкости под сетчатым катодом. Детектор был помещен в вакуумный криостат общими размерами 070x100 см2 и при проведении эксперимента в итальянской подземной лаборатории Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) окружался пассивной защитой из полиэтилена толщиной 30 см (2,2 тонны) и свинца толщиной 23 см (27 тонн). Детектор XENONIO экспонировался в LNGS в 2006-2008 годах.

Эмиссионный детектор XENONIO позволил установить лучший предел иа спин-независимые взаимодействия в 2007 году [36] и спин-зависимые взаимодействия с изотопами ,29Хе и |3|Хе в 2008 году [37]. На основе ненаблюдения сигналов от вимпов в 5,4 кт чувствительном ядре детектора было исключено формирование темного вещества в значительной части параметрического пространства «сеченке-масса», включая нейтралино, а также тяжелых Майорановских нейтрино с массами в диапазоне от 10 ГэВ/с2 до 2 ТэВ/с2 [38].

Скорость счета фоновых одно-кластерных событий в чувствительном ядре массой 5,4 кг составляла в среднем 0,6 события/кэВее/хг/день . Из-за относительно небольшого размера XENONIO подавление фонов, благодаря эффекту самоэкранировки было не очень эффективное, поэтому пришлось использовать довольно мощную пассивную защиту. Тем не менее, опыт рабств с XENONIO ясно показал, что трехмерная позиционная чувствительность и выбор событий на удалении от стенок чрезвычайно важны для повышения чувствительности низкофонового эксперимента.

Другой перспективный эксперимент по поиску вимпов ставит коллаборция LUX (Large Underground Xenon). Целью этого эксперимента является постановка эксперимента с мишенью из жидкого ксенона массой 300 кг, скорость счета событий в котором будет ограничена величиной 1 событие/100 кг/месяц (Рис.12). Детектор LUX состоит из двух вложенных друг в друга цилиндров из низкофонового титана [33]. Внутренний сосуд окружен медным экраном и охлаждается до температуры 165-190 К с помощью жидкоазотного термосифона.

* Единица «Вес используется .пя энергии фоновых электронов, кэВг- эквивалентная энергия для ядер отдачи

Рис.13. Художественное изображение детектора LUX в водяной защите в пещере Дэвиса шахты Homestake на глубине 4,5 км водного эквивалента. Коллаборация LUX.

Эксперимент LUX ставит целью зарегистрировать или исключить возможность существования вимпов со спин-независимым сечением рассеяния на нуклоне 710"46 см2, что эквивалентно скорости счета событий 0,5 события/ЮОкг/месяц в чувствительном ядре детектора массой 100 кг при общей массе жидкого ксенона 300 кг. Для достижения поставленной цели по уровню фонов детектор LUX будет установлен в подземной в шахте Homestake на глубине 7200 метров водного эквивалента в недавно созданной подземной лаборатории DUSEL (Deep underground science and engineering laboratory) и использовать чистую воду в качестве пассивной защиты. Расчеты, проведенные методом Монте-Карло, показали, что 2,5-метровый слой воды понижает поток нейтронов с энергией >100 кэВ более, чем в 100 раз. Это означает, что при минимальной толщине воды 2,5 м в любом направлении активность окружающих пород по гамма-квантам и нейтронам будет подавлена до уровня радиоактивности внутренних компонент детектора. В дальнейшем планируется окружить детектор жидким сцинтиллятором в качестве дополнительной активной защиты против нейтронов.

Несмотря на относительно недавнее признание эмиссионных детекторов как перспективного инструмента в области неускорительной физики, эта методика уже отличилась несколькими мировыми рекордами. В 2007 году после 136 кг-день

экспозиции детектора XENONIO в подземной лаборатории Гран Caceo был получен лучший предел на вимп-нуклон спин-независимое ссчение, оставивший позади долгое время лучший эксперимент на криогенных германиевых и кремниевых детекторах CDMS [36-38]. В начале 2009 года лучшее ограничение на спин-зависимое рассеяние вимп-нуклон установлено с помощью эмиссионного детектора ZEPLIN-1II, установленного в Англии в шахте Boulby Mine. Подробный обзор экспериментов по поиску вимпов с помощью эмиссионных детекторов можно найти в монографии [1]. Ожидается, что эмиссионные детекторы следующего поколения будут использовать до 20 тонн жидкого ксенона для решения нескольких задач, включая поиски двойного бета-распада и регистрацию солнечных нейтрино. В жидкоксеноновых детекторах с массой 10 тонн и выше подавление фона от радиоактивности окружающих меатериалов уже будет настолько с ильным, что взаимодействия солнечных нейтрино станут основным фактором, ограничивающим чувствительность экспериментов. В этом случае нейтрино рр-цикла будут постоянной компонентой в диапазоне 0-50 кэВее со скоростью счета 1.2-10"5 событий/кэВее/кг/день.

Регистрация нейтрино низких энергий рассматривается как одна из перспективных физических задач для эмиссионных детекторов на благородных газах. Особый интерес представляет возможность наблюдения (v/Q-когерентного рассеяния, благодаря нейтральным токам. Этот эффект может быть использован для эффективной регистрации реакторных антинейтрино, однако никогда не наблюдался, несмотря на относительно большое сечение порядка 10'39 см2, по той причине, что максимальная кинетическая энергия ядер отдачи в этом процессе не превышает нескольких десятков кэВ.

Ещё одна интригующая возможность использования эмиссионных детекторов -регистрация двойного позитронного безнейтринного распада [35]. В жидком ксеноне и крптоне 2fí распад выглядит, как 5 точечно-подобных ионизационных кластеров, лежащих в одной плоскости, причем, центральный кластер имеет хорошо определенную энергию: 822 кэВ в случае |МХе (2//0^)-распада и 833 кэВ в случае 78Кг (2/Г0 ^-распада. Четыре кластера, окружающие центральный кластер, помещаются в круге радиусом 15 см с -80% вероятностью, и представляют собой следы треков Комптоновсхлх электронов или (с меньшей вероятностью) фотоэлектронов от взаимодействий 511-кэВных аннигиляционных гамма-квантов с благородными жидкостями. В случаях (2/7*2 ^-распада и K/f(2 i^-распада общая топология событий будет такая же, как и в случае безнейтринных распадов, за тем

только исключением, что энерговыделение в центральной точке будет менее определенным.

В случае К/Г(0 г)-захвата полезные события будут состоять из 3 кластеров, лежащих на одной прямой. Причем, центральный кластер будет иметь энергию 1844 кэВ (|24Хе) или 1855 кэВ (78Кг), а два кластера от взаимодействий аннигилляционных гамма-квантов будт находиться в пределах 15 см по обе стороны от центрального кластера с вероятностью 90%. По воле случая размеры плоских фигур 2ff -"креста" и K/f-"линии" практически одинаковы в жидких криптоне и ксеноне вблизи соответствующих тройных точек.

В Главе 7 рассматривается перспектива использования детекторов на чистых благородных газах для построения изображений полей ядерных излучений. Одним из наиболее важных направлений использования технологии изображения полей ядерных излучений, несомненной, является ядерная медицина, в которой ионизирующие излучения используются для изображения внутренних органов человека in vivo, например, для ранней диагностики онкологических заболеваний [4].

Как было показано в Главе 3, ксеноновые электролюминесцентные детекторы обладают прекрасным энергетическим и трехмерным пространственным разрешением, поэтому эта детекторная технология была рассмотрена с точки зрения возможности создания гамма камеры для SPECT [29, 30]. Слева на Рис.14 показано изображение свинцового бар-фантома в свете 60-кэВ гамма излучения от точечно-подобного гамма-источника, помещенного на расстоянии 1,5 м от входного окна сцинтилляциояной дрейфовой камеры СДК-19, описанной в Разделе 3.3.2. Ширина свинцовых полосок фантома в четырех секторах составляла 2,5 мм (слева нижний квадрант), 3 мм (слева верхний квадрант), 3,5 мм (справа верхний квадрант) и 4 мм (справа нижний квадрант). Справа на Рис.14 показано распределение плотности точек в сечении нижнего левого квадранта на линии }'= -5 см. Видно, что контраст изображения в левом нижнем квадранте составляет около 50%. На период создания детектора СДК-19 (1983 год) лучшие сцинтилляционные гамма камеры не способны были различить структуру левых секторов в аналогичных условиях.

Относительным недостатком сцинтилляционной дрейфовой камеры можно считать невысокую скорость счета в трехмерном режиме работы. В двухмерном режиме гамма камеры Ангера скорость счета ограничена только длительностью электролюминесцентной вспышки (порядка 1 микросекунды) и может составлять сотни килоГерц. В режиме запуска от сцинтилляций (трехмерная мода) скорость счета

ограничена временем дрейфа электронов через весь дрейфовый промежуток. В детекторе СДК-19 при 3,7 см дрейфовом промежутке скорость счета не превышала 20 кГц. Заметим, что скорость счета можно увеличить в 2-3 раза при добавлении к ксенону нескольких процентов примеси 4Не или 3Не, ускоряющей скорость дрейфа электронов.

Рис.14. Изображение свинцового бар-фантома, полученное с точечно-подобным источником 2иАт, установленным на расстоянии 1,5 .»ш от входного окна детектора СДК-19 (а) и распределение плотности точек в сечении нижнего левого квадранта на линии У=-5 см (б), полученные с помощью детектора СДК-19.

Коллимация входного гамма-излучения с целью выделения определенного направления прилета гамма-квантов - основной фактор, ограничивающий качество изображений, получаемых в БРЕСТ. Чтобы обойти это ограничение, было предложено заменить механический коллиматор на «электронный», т.е. определять направление прилета гамма-квантов не физической апертурой, поглощающей большую часть гамма-квантов, испущенных изучаемым объектом, а электронным способом, используя эффект комптоновского рассеяния [5]. В комптоновской камере событием служит пара взаимодействий - комптоновское рассеяние и фотопоглащение - регистрируемых в совпадении. Точка комптоновского рассеяния задает положение вершины конуса, поверхность которого определяет направления возможного прихода гамма-кванта, ось конуса лежит на линии, соединяющей точки комптоновского рассеяния и фотопоглощения, а половинный угол раствора конуса 0 определяется следующим уравнением

■15 -10 -5 О 5 ю 15 Х(ст)

_Т -к -Л -3 X Гггп!

(а)

т

со* в = 7 - тесг[1/Еа - !/(£„ + ад

(6)

где Е, - энергия, выделенная в точке комптоновского рассеяния, Е„ - энергия, выделенная в точке фотопоглащения. Неопределенность в определении положения конуса зависит как от точности измерения энерговыделений, так и точности измерения в трехмерном пространстве координат точек взаимодействий.

Сцинтилляционная дрейфовая камера СДК-19 па сжатом ксеноне была испытана в режиме комптоновской камеры для SPECT в компании Nuclear Medicine Group of Siemens Medical Systems в середине 1990-х [39]. Это был первый прибор, использующий и сцинтилляцию и электролюминесценцию благородного газа для получения трехмерного изображения и яркости (выделынной энергии) многокластерных (от 1 до 3) событий с энерговыделениями в диапазоне 30-90 кэВ на кластер и 140 кэВ общей выделенной в событии энергии. Несмотря на превосходные качества детектора СДК-19, ширина на полувысоте функциии углового разрешения оказалась весьма большой - 19°, что означает, что пространственное разрешение ксепонового детектора в комптоновском режиме не может быть лучше 2 см. Подобный неблагоприятные результат дали и независимые испытания комптоновской камеры на германии. Эти результаты были объяснены тем, что рассеяние гамма-квантов происходит не на свободных электронах, а на связанных в атомах [40]. Компьютерные расчеты методом Монте-Карло показали (Рис.15), что уширение спектра комптоновских электронов за счет Допплер-эффекта особенно существенно для рассеяния па тяжелых атомах гамма-квантов, а с учетом энергетического разрешения детектора рассеяния угловое разрешение сильно зависит от угла рассеяния при небольших энергиях гамма-квантов [5]. В целом, допплеровское уширение спектра рассеянных электронов значительно влияет на работу комптоновской камера в диапазоне энергий гамма-квантов <300 кэВ. В результате этого исследования была выдвинута концепция электролюминесцеитпой камеры для SPECT, состоящей из двух независимых камер - рассеивающей, заполненной легким благородным газом (цеоном, например) или кремниевыми микростриловыми детекторами, и поглощающей, заполненной ксеноном [41].

Для гамма-квантов высоких энергий (> 500 кэВ) детектор может быть гомогенным и заполненным тяжелым плотным веществом, например, жидким ксеноном или германием. Для гамма-квантов низких энергий (< 300 кэВ) детектор должен состоять из двух независимых частей - детектора рассеяния, где премущественно происходит комптоновское рассеяния и детектора поглощения, где рассеянный гамма-квант поглощается, в идеальном случае - в виде цилиндрической камеры, окружающей

тело пациента.

о s 10 15 23

Energy in Scatter Detector, KtV

0 20 40 60

80 100 120 140 160 180

(С)

(б)

Рис.15. Распределение энергетических потерь гамма-кванта с энергией 140,5 кэВ после Комптоновского рассеяния под углом 45° на атомах кремния, аргона и германия (а) и собственное угловое разрешение комптоновской камеры Ав (град^1ШМ) в зависимости от угла рассеяния для различных энергетических разрешений (цифрами с указателями показаны энергетические разрешения в единицах %Р\¥НМ) детектора рассеяния и для двух энергий, показанных в единицах кэВ (б).

Ключевым параметром комптоновской камеры для сравнения с наиболее прогрессивной современной системой БРЕСТ может служить фактор усиления чувствительности, который можно определить как

где есс и еас ' полные эффективности регистрации (включая геометрические эффективности) для комптоновской камеры и для гамма камер Ангера в гамма-томографе, ke ~ 0,5 - доля комптоновских событий, произошедших в диапазоне углов рассеяния в = {30o;100°j, в котором можно рассчитывать на хорошее угловое разрешение, кр, - доля событий «рассеяние-поглощение«, выбранных в заданном энергетическом окне, т - фактор «множественности», который показывает насколько больше надо собрать полезных событий в комптоновской камере по сравнению с гамма-камерой с механической коллимацией для того, чтобы достичь того же отношения сигнал/шум в реконструированном изображении. Согласно данным, приведешшм в работе [41] фактор т лежит в пределах между 3 и 10. Согласно данным приведенным в Таблице 7.1, чувствительность цилиндрической

G = (£сс/елс)квкЕ/т,

V)

комптоновской камеры превышает в 50 раз чувствительность гамма-томографа из трех гамма камер Ангера, а, это значит, можно получить изображение лучшего качества, а благодаря более высокому быстродействию (фактор 300) - обеспечить динамический имаджинг, например, изображение кровотока работающего сердца.

В этой главе также показано, что жидкий ксенон - один из перспективных детекторных материалов для ПЭТ систем нового поколения [4, 6]. Принципиальное преимущество ПЭТ детектора на основе жидкого ксенона - возможность определения точки поглощения аннигиляционного гамма-кванта по глубине детектора, что позволяет улучшить качество реконструируемого изображения, а также доступность ксенона в значительных количествах и по умеренной цене.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, отмечены проблемы, которые нуждаются в более углубленной проработке, а также поставлены задачи, не пашедшие отражения в настоящей работе, но представляющие интерес для дальнейшего развития технологии позиционной-чувствительной регистрации частиц и полей излучений с предельно низкими ионизационными потерями в рабочем веществе детекторов.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Bolozdynya A. Emission Detectors, World Scientific Publishing Co., 2010.220 pp.

2. Aprile E., Bolotnikov A., Bolozdynya A., Doke T. Noble Gas Detectors, John Willey & Sons, 2006. 320 pp.

3. Барабаш А. и Болоздыня А. Жидкостные Ионизационные Детекторы. Москва: Энергоатомиздат, 1993.240 стр.

4. Bolozdynya A. Noble Gas Detectors, In "Emission Tomography: The Fundamentals of PET and SPECT. Eds. M.N.Wernick and J.N.Aarsvold. New York: Academic Press", 2004, pp.359-382.

5. Rogers L., Clinthrone N., and Bolozdynya A. Compton Cameras, In "Emission Tomography: The Fundamentals of PET and SPECT. Eds. M.N.Wernick and J.N.Aarsvold. New York: Academic Press", 2004, pp.383-420.

6. Chen M. and Bolozdynya A. Radiation Detector and Tomography, U.S. Patent # 5,665,971, Sep.9,1997

7. Мищенко С. И., Месонжик Ю.М., Нестерцов В.Е., Калашников С.Д., Кривошеин B.JL, Болоздыня А.И., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У., Егоров В.В. Детектор для гамма-камер, Авторское свидетельство СССР № 1192194, июль 15, 1985.

8. Аннсимов С.Н., Барабзш А.С., Болоздьшя А.И., Стеханов В.Н. Мондодыр -установка для искровой очистки жидкого криптона, используемого в жидкостных детекторах, Препринт ИТЭФ 87-106, Москва: ЦНИИАтоминформ, 1987; Instruments and Experimental Techniques, 1991, v.34(2), pp. 313-316.

9. Анисимов C.H., Болоздыня А.И., Стеханов B.H., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У. Сцинтилляторы на основе и конденсированного криптона диаметром 0,5 метра, Приборы и техника эксперимента, 1984, №6, стр.51-55.

10. Bolozdynya А„ Egorov V., Koutchenokov A., Safronov О., Smirnov G., Medved S. and Morgunov V. A high pressure xenon self-triggered scintillation drift chamber with 3D sensitivity in the range of 20-140 keV deposited energy, Nucl. lnstrum. Metk A, 1997, v.385, pp. 225-238.

11. Bolozdynya A. 1., Brusov P. P., Shutt Т., Dahl С. E., Kwong J. A chromatographic system for removal of radioactive 8SKr from xenon, Nucl Instr. Meth. A, 2007, v.579, pp. 50-53.

12. Angle J., Aprile E., Arneodo F., Baudis L., Bernstein A., Bolozdynya A., Coelho L., Dahl E., Deviveiros L., Ferella A., Fernandes L., Fiorucci S., Gaitskell R J., Giboni KL., Gomez R., Hasty R., Kwong J., Lopes J. A. M., Madden N., Manalaysay A., Manzur A., Mckinsey D., Monzani M E., Ni K., Oberlack U., Orboeck J., Plante G., Santos J., Shagin P., Shutt Т., Sorensen P., Winant C., Yamashita M. First results from the XENON 10 dark matter experiment at the Gran Sasso National Laboratory, Phys. Rev. Lett., 2008, v.100,02303, pp. 1-5.

13. Angle J., Aprile E., Arneodo F„ Baudis L., Bernstein A., Bolozdynya A., Coelho L., Dahl E., Deviveiros L., Ferella A., Fernandes L., Fiorucci S., Gaitskell R J., Giboni KL., Gomez R., Hasty R., Kwong J., Lopes J. A. M., Madden N., Manalaysay A., Manzur A., Mckinsey D., Monzani M E., Ni K., Oberlack U., Orboeck J., Plante G., Santos J., Shagin P., Shutt Т., Sorensen P., Winant C., Yamashita M. (XENONIO Collaboration). Limits on Spin-Dependent WIMP-Nucleon Cross Sections from the XENONIO Experiment, Phys. Rev. Lett. 2008, v.101,091301.

14. Angle J., Aprile E,, Arneodo F., Baudis L., Bernstein A., Bolozdynya A., Coelho L., Dahl E., Deviveiros L., Ferella A., Fernandes L., Fiorucci S., Gaitskell R J., Giboni KL., Gomez R., Hasty R., Kwong J., Lopes J. A. M., Madden N., Manalaysay A., Manzur A., McKinsey D., Monzani M E., Ni K., Oberlack U., Orboeck J., Plante G., Santos J., Shagin P., Shutt Т., Sorensen P., Winant C., Yamashita M. Constrains on inelastic dark matter from XENONIO, Phys. Rev. D, 2009, v. 80,115005

15. Bolozdynya A. I., Bradley A. W., Brusov P. P., Dahl С. II, Kwong )., Shutt T. Using a wavelength shifter to enhance the sensitivity of liquid xenon dark matter detectors, IEEE Trans. Nucl. Sci., 2008, v.55, pp. 1453-1457.

16. Aziz T. (L3P Collaboration). L3P: Lepton and Photon Precision Physics, Preprint CERN-LHCC-92-05 1 Юр; Nucl. Instr. & Meth. A 1993, v.325, pp. 23-91

17. Chen M., Mullins M., Pelly D., Shotkin S., Sumorok K., Akyuz D., Chen E., Gaudreau M.P.J., Bolozdynya A., Tchernyshev V;, Goritchev P., Khovansky V., Koutchenkov A., Kovalenko A., Lebedenko V., Vinogradov V., Gusev L., Sheinkman V., Krasnokutsky R.N., Shuvalov R.S. Homogeneous scintillating LKi/Xe calorimeters, Nucl. Instrum. Meth. A, 1993, v.327, pp. 187-192.

18. Akimov D.Yu., Bolozdynya A.I., Churakov D.I., Lamkov V.A., Sadovsky A.A., Safronov G.A., Smironov G.N. The influence of Xe doping on LKr scintillations, Nucl. Instr. Meth. A, 1993, v. 332, pp. 575-576.

19. Akimov D.Yu., Bolozdynya A.I., Churakov D.I., Lamkov V.A., Sadovsky A.A., Safronov G.A., Smironov G.N. Scintillating LXe/LKr electromagnetic calorimeter, IEEE Trans. Nucl. Sci. 1995, v.42, pp.2244-2249.

20. Akimov D.Yu., Bolozdynya A.I., Churakov D.I., Stekhanov V.N., Safronov G.A., Smironov G.N., Chen M. Development of scintillation LXe/LKr electromagnetic calorimeter with wavelength shifting light collection, Nucl. Instrum. Meth. A 1996, v. 379, pp.484-487.

21. Akimov D.Yu., Bolozdynya A.I., Churakov D.I., Stekhanov V.N., Safronov G.A., Smironov G.N., Chen M. Development of scintillation LXe/LKr electromagnetic calorimeter with wavelength shifting light collection, Nucl. Instrum. Meth. A 1996, v. 379, pp.484-487.

22. Arodzero A., Bolozdynya A., Bolotnikov A., Proctor A., Richards J. Two-channel high-pressure helium-3 scintillation neutron detector, IEEE Trans. Nucl. Sci., 2004, v.51, pp. 322-327.

23. Bolozdynya A. and DeVito R. Vibration-proof High-Pressure Xenon Electroluminescence Detector, IEEE Trans. Nucl. Sci. 2004, v.51, n.3, pp.931-933.

24. Bolozdynya A. I. Transport of excess electrons through and along condensed krypton interface, Proc. 3rd Int. Conf. Porp. AndAppl. Diei Materials, July 8-12, 1991, Tokyo, Japan, pp. 841-844.

25. Анисимов C.H., Болоздыня А.И., Стеханов B.H. Локализация и дрейф электронов под поверхностью конденсированного криптона, Письма в ЖЭТФ 1984, т. 40(3), стр. 829-832.

26. Болоздыня А.И., Егоров O.K., Коршунов А.А., Соколов Л.И., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У. Первые наблюдения треков частиц в конденсированном веществе, полученные эмиссионным методом, Письма в ЖЭТФ, 1977, т. 25, стр. 401-404.

27. Bolozdynya, А. 1., Egorov, О. К., Sokolov, L. I., Miroshnichenko, V. P. and Rodionov, B.U. Solid Krypton Emission Chamber, in "Solid Stale Nuclear Track Detectors". Ed. H. Francois et a!., Oxford-New York: Pergamon Press, 1980, pp. 29-32.

28. Болоздыня А.И., Егоров O.K., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У., Шувалова Е.Н. Новая возможность поиска поиска слабопонизирующих частиц, Элементарные частицы и космические лучи, еып.5, 1981, Москва: Атомиздат, стр. 65-72.

29. Egorov, V. V., Miroshnichenko, V. P., Rodionov, В. U., Bolozdynya, A. I., Kalashnikov, S. D. and Krivoshein, V. L. Electroluminescence emission gamma-camera, Nucl. Instrum. Meth. 1983, v.205, pp. 373-374.

30. Болоздыня А.И., Егоров B.B., Калашников С.Д., Кривошенн В.Л., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У. Электролюминесцентная эмиссионная камера с конденсированным ксеноном в качестве рабочего вещества, Приборы и Техника Эксперимента, 1985, №4, стр. 43-45.

31. Bolozdynya A.I., Egorov V.V., Miroshnichenko V.P., Rodionov B.U. Emission detectors, IEEE Trans Nucl. Sci. I9S5, v.42, pp.565-569.

32. Kwong J., Brusov P., Shutt Т., Dahl C.E., Bolozdynya А.1., Bradley A. Scintillation Pulse Shape Discrimination in a Two-Phase Xenon Time Projection Chamber, Nucl. Instrum. Meth. A, 2010, v.612, pp. 328-333.

33. McKinsey D.N. (LUX Collaboration). The LUX dark matter search, J. Phys. Conf. Ser., 2010, v.203,012026.3pp.

34. Shutt Т., Dahl С E., Kwong J., Bolozdynya A. and Brusov P. Performance and fundamental processes at low energy in a two-phase liquid xenon dark matter detector, Nuclear Physics B: Proceedings Supplement, 2007, v. 173, pp. 160-163.

35. Bolozdynya A., Egorov V., Koutchenokov A., Safronov G., Smirnov G., Medved S. and Morgunov V. An electroluminescence emission detector to search for double beta positron decays of l34Xe and 78Kr, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1997, v.44, pp. 1046-1051.

36. Angle J., Aprile E., Arneodo F., Baudis L., Bernstein A., Bolozdynya A., Coelho L., Dahl E., Deviveiros L., Ferella A., Femandes L., Fiorucci S., Gaitskell R J., Giboni KL., Gomez R., Hasty R., Kwong J., Lopes J. A. M., Madden N., Manalaysay A., Manzur A., Mckinsey D., Monzani M E., Ni K., Oberlack U., Orboeck J., Plante G., Santos J., Shagin P., Shutt Т., Sorensen P., Winant C., Yamashita M. First results from the

XENON 10 dark matter experiment at the Gran Sasso National Laboratory, Phys. Rev. Lett., 2008, v.100,02303, pp. 1-5.

37. Angle J., Aprile E., Arneodo F., Baudis L., Bernstein A., Bolozdynya A., Coelho L., Dahl E., Deviveiros L., Ferella A., Fernandes L., Fiorucci S., Gaitskell R J., Giboni KL., Gomez R., Hasty R., Kwong J., Lopes J. A. M., Madden N., Manalaysay A., Manzur A., Mckinsey D., Monzani M E., Ni K., Oberlack U., Orboeck J., Plante G., Santos J., Shagin P., Shutt T., Sorensen P., Winant C., Yamashita M. (XENONIO Collaboration). Limits on Spin-Dependent WIMP-Nucleon Cross Sections from the XENONIO Experiment, Phys. Rev. Lett. 2008, v.101,091301.

38. Angle J., Aprile E., Arneodo F., Baudis L., Bernstein A., Bolozdynya A., Coelho L., Dahl E., Deviveiros L., Ferella A., Fernandes L., Fiorucci S., Gaitskell R J., Giboni KL., Gomez R., Hasty R., Kwong J., Lopes J. A. M., Madden N., Manalaysay A., Manzur A., Mckinsey D., Monzani M E., Ni K., Oberlack U., Orboeck J., Plante G., Santos J., Shagin P., Shutt T., Sorensen P., Winant C., Yamashita M. Constrains on inelastic dark matter from XENONIO, Phys. Rev. D, 2009, v. 80,115005

39. Bolozdynya A., Egorov V., Koutchenokov A., Safronov G., Smirnov G., Medved S. and Morgunov V. High pressure xenon electronically collimated camera for low energy gamma ray imaging, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1997, v.44, n.6,2408-2414

40. Ordonez C.E., Bolozdynya A.I., and Chang W. Doppler broadening of energy spectra in Compton scatter cameras, 1997 IEEE Nucl. Sci. Sym Med. lma%. Conf. Rec., v.2, pp. 1361-1365.

41. Bolozdynya A.I., Ordonez C.E. and Chang W. A concept of cylindrical Compton camera for SPECT, 1997 IEEE Nucl. Sci. Sym Med Imag. Conf. Rec., v.2, pp. 10471051.

Подписано в печать:

16.12.2010

Заказ № 4719 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЧИСТЫЕ БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ КАК РАБОЧЕЕ ВЕЩЕСТВО

ДЕТЕКТОРОВ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

1.1. Благородные среды как мишень для ионизирующих излучений

1.1.1. Физические свойства благородных газов высокой плотности

1.1.2. Взаимодействие ионизирующих частиц и излучений с благородными средами

1.2. Собирание носителей заряда, фотонов и квазичастиц в благородных средах

1.2.1. Собирание носителей заряда

1.2.2. Размножение электронов в чистых благородных средах

1.2.3. Электролюминесценция

1.2.4. Собирание фотонов

1.2.5. Регистрация сигналов в криогенных твердых благородных газах

1.3. Эффекты вблизи поверхности раздела фаз

1.3.1. Электроны вблизи поверхности раздела фаз

1.3.2. Термоэлектронная эмиссия

1.3.3. Эмиссия горячих электронов

1.3.4. Перенос электронов вдоль границы раздела фаз

1.3.5. Эмиссия электронов из локализованных состояний

1.3.6. Эмиссия заряженных носителей из-за гравитационной неустойчивости поверхности жидкости в сильных полях

1.4. Очистка рабочих сред детекторов

1.4.1. Время жизни носителей электрического заряда

1.4.2. Технология сверхтонкой очистки

1.5. Технология охлаждения массивных детекторов Выводы

Глава 2. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ

ДЕТЕКТОРЫ

2.1. Сцинтилляционные детекторы на сжиженных благородных газах для физики высоких энергий

2.1.1. Гомогенные сцинтилляционные калориметры

2.1.2. Гранулированные калориметры

2.1.3. Калориметры типа «бочка»

2.2. Позиционно-чувствительная регистрация тепловых нейтронов Выводы

Глава 3. ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ

ДЕТЕКТОРЫ

3.1. Принцип действия электролюминесцентных детекторов

3.2. Спектрометрические электролюминесцентные детекторы

3.2.1. Цилиндрические сцинтилляционные пропорциональные счетчики

3.2.2. Плоскопараллельные ЭЛД

3.2.3. Сцинтилляционные пропорциональные счетчики со сферическим полем

3.3. Электролюминесцентные камеры

3.3.1. Аналоговые камеры

3.3.2. Цифровые изображающие ЭЛД Выводы

Глава 4. ЭМИССИОННЫЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

4.1. Эмиссионный метод регистрации

4.2. Ионизационные эмиссионные детекторы

4.2.1. Эмиссионные ионизационные камеры на тяжелых благородных газах

4.2.2. Эмиссионные ионизационные камеры на жидком гелии

4.2.3. Эмиссионные ионизационные камеры на органических жидкостях

4.3. Искровые эмиссионные детекторы

4.3.1. Эмиссионная искровая камера

4.3.2. Эмиссионная стримерная камера

4.4. Эмиссионные детекторы с газовым усилением

4.5. Электролюминесцентные эмиссионные детекторы

4.5.1. Электролюминесцентые эмиссионные одноканальные детекторы

4.5.2. Электролюминесцентные эмиссионные камеры Выводы

Глава 5. ЖИДКОСТНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ С ТРЕХМЕРНОЙ ПОЗИЦИОННОЙ

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ

5.1. Одновременное использование ионизационного и сцинтилляционного сигналов

5.1.1. Улучшение энергетического разрешения

5.1.2. Жидкостные времяпроекционные камеры

5.2. Эмиссионные времяпроекционные камеры

5.2.1. Одноканальные жидкоксеноновые времяпроекционные камеры

5.2.2. Двухканальные жидкоксеноновые времяпроекционные камеры

5.2.3. Многоканальные жидкостные времяпроекционные камеры

5.3. Эмиссионный детектор «без стенок»

5.4. О возможностях криогенных детекторов Выводы

Глава 6. РЕГИСТРАЦИЯ СЛАБОИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ С ПОМОЩЬЮ ДЕТЕКТОРОВ С ТРЕХМЕРНОЙ ПОЗИЦИОННОЙ

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ

6.1. Методы подавления фонов в экспериментах по поиску слабоионизирующих частиц

6.1.1. Анализ формы сцинтилляционного сигнала

6.1.2. Многомерный параметрический анализ

6.1.3. Анализ топологии событий

6.1.4. Одноэлектронные фоны

6.2. Эмиссионные камеры для поиска темного вещества во Вселенной

6.2.1. Первое предложение по использованию эмиссионного детектора

6.2.2. Эксперимент XENON

6.2.3. Эксперимент LUX

6.2.4. Следующее поколение детекторов вампов

6.3. Эмиссионные камеры для нейтринных экспериментов

6.3.1. Магнитный момент нейтрино

6.3.2. Когерентное рассеяние на тяжелых ядрах б. 3.3. Регистрация солнечных нейтрино

6.4. Эмиссионные камеры для экспериментов по двойному бета-распаду

6.4.1. Позитронный двойной бета-распад

6.4.2. Электронный двойной бета-распад

Глава 7. ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОЛЕЙ ЯДЕРНЫХ

7.1. Рентгеновская радиография

7.1.1. Аналоговые изображающие системы

7.1.2. Цифровые изображающие системы

7.2. Однофотонная компьютерная томография

7.2.1. Жидкоксеноновые детекторы для БРЕСТ

7.2.2. Газовые электролюминесцентные детекторы для БРЕСТ

7.2.3. Эмиссионная электролюминесцентная камера

7.3. Комптоновская гамма камера

7.4. Жидкоксеноновая позигронно-эмиссионная томография

7.4.1. Ионизационные детекторы для ПЭТ

7.4.2. Жидкоксеноновые сцинтилляционные камеры для ПЭТ

Выводы

ИЗЛУЧЕНИИ

Выводы

Одним из бурно развивающихся направлений современной экспериментальной ядерной физики являются неускорительные эксперименты с низкофоновыми детекторами. Такие эксперимента, как правило, нацелены на решение задач, имеющих фундаментальное значение для понимания устройства Вселенной, проверки Стандартной модели электрослабых взаимодействий, поиска новых частиц за пределами познанного мира. К подобного рода задачам относятся поиски темной материи в форме новых слабовзаимодействиущих частиц, поиски двойного безнейтринного бета-распада, определение магнитного момента нейтрино, наблюдение когерентного рассеяния нейтрино.

Все эти процессы, идущие с экстремально низкими сечениями, требуют создания эффективных детекторов большой массы (вплоть до десятков тонн), способных регистрировать малые энерговыделения, а в некоторых случаях отдельные электроны ионизации и фотоны возбуждения среды.

В данной диссертации суммируются результаты исследований методов регистрации слабоионизирующих частиц в массивных детекторах на основе чистых благородных газов. В работе приводятся результаты исследований элементарных процессов, протекающих в детекторах на основе плотных чистых благородных газов, методов и технологий обеспечения высокой чистоты для эффективного собирания электронов ионизации и фотонов сцинтилляции и электролюминесценции и приемов, которые позволяют регистрировать слабовзаимодействующий и слабоионизирующие излучения и выделять такие события из фона, связанного с естественной радиоактивностью материалов и космическим излучением.

Значительное внимание в диссертации уделено разработке эмиссионных детекторов, впервые предложенных на кафедре ядерной физики МИФИ 40 лет назад. С тех пор было показано, что эмиссионный метод, действительно, позволяет регистрировать отдельные электроны, возникающие при взаимодействии проникающих излучений с массивными телами в виде конденсированных благородных газов; найдено несколько конструктивных решений эмиссионных детекторов и камер. В 1989 году автором было предложено использовать эмиссионный детектор для поиска холодного темного вещества во Вселенной. В ходе дальнейших методических работ была выработана идеология «бесстеночного» эмиссионного детектора, в котором регистрируются не только ионизация, но и возбуждение конденсированного благородного газа. Трехмерная позиционная чувствительность эмиссионного детектора позволяет определять события, произошедшие в середине чувствительного объема детектора, тем самым отсекая фоновые события, связанные с радиоактивностью окружающих материалов. Сравнение энерговыделения по каналам ионизации и возбуждения рабочей среды позволяет идентифицировать взаимодействия и ещё больше улучшает режекцию фонов.

Лучшие на нынешний день ограничения на сечение взаимодействия с нуклонами суперсимметричных слабоионизующих частиц вимпов массой около 100 ГэВ/с2 получены помощью эмиссионных детекторов XENON 10 и ZEPLIN-Ш. Детектор XENONIOO, содержащий 170 кг жидкого ксенона, в настоящее время экспонируется в подземной лаборатории Gran Sasso (Италия). Новый детектор LUX, содержащий 300 кг ксенона, готовится к экспозиции в подземной лаборатории на шахте Homestake в США. Ожидается, что в ближайшие несколько лет масса рабочего вещества в эмиссионных детекторах для регистрации частиц темного вещества вимпов достигнет десятков тонн. Многотонные эмиссионные детекторы достигнут чувствительности, достаточной для уверенной регистрации солнечных нейтрино низких энергий (до-цикл) и безнейтринного двойного бета-распада.

Эмиссионный метод регистрации идеально подходит для обнаружения и исследования когерентного рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах и создания нейтринных детекторов нового поколения, использующих этот эффект для мониторинга энергетических реакторов. Массивный эмиссионный детектор может быть также использован для очень эффективного поиска безнейтринного позитронного двойного бета-распада, обладающего уникальной сигнатурой. Благодаря сложной топологии полезных событий, такой детектор, несмотря на чрезвычайную редкость искомых распадов, не нуждается в размещении в подземной лаборатории и может работать только с пассивной и активной защитой.

Ещё одно чрезвычайно важное применение детекторов на чистых благородных газах - прецизионная томография для исследования молекулярных биологических процессов in vivo происходящих в живых организмах, в частности, для онкологических исследований и для томографии головного мозга человека. За разработку эмиссионной ксеноновой гамма камеры автор в составе группы молодых ученых был удостоен медали АН СССР в 1983 году. Жидкий ксенон - исключительно удачная альтернатива дорогим и малодоступным кристаллическим сцинтилляторам и полупроводниковым детекторам, используемым в настоящее время в качестве детекторов в современных гамма камерах и ПЭТ системах. Ксенон в России доступен в количествах достаточных для массового производства относительно дешевых томографических систем, а также для создания недоступных пока в рамках других технологий ПЭТ систем «на все тело». Это направление исследований и основанных на них конструкторских разработок представляет значительный коммерческий интерес.

Основные результаты диссертации опубликованы в трех монографиях [1-3], последняя из которых "Emission Detectors" вышла из печати в издательстве World Scientific Publishing Со. в июле 2010 года, и нескольких десятках публикаций в реферируемых журналах, а также составили предметы нескольких патентов и авторских свидетельств. К настоящему моменту, по крайней мере, 4 публикации по тематике диссертации имеют индекс цитирования по версии SPIRES SLAC больше 100, а одна статья - больше 400.

Выводы из Главы 7

1. Технология детекторов на чистых благородных газов с большой плотностью (жидкость) и атомным номером среды (ксенон) обладает значительным потенциалом для создания томографических систем, включая однофотонную томографию и ПЭТ.

2. Уже первые попытки создания детекторов для однофотонного томографии привели к разработке детекторов с рекордными параметрами по пространственному и энергетическому разрешению.

3. Детекторы с трехмерной позиционной чувствительностью могут послужить основой для разработки принципиально новой техники для медицинской интроскопии - комптоновским камерам, обещающими значительное увеличение чувствительности и быстродействия томографических систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе показано, что технические проблемы, долгое время ограничивавшие использование массивных детекторов на плотных тяжелых благородных газах, в настоящее время решены: современные методы очистки позволяют достигать более 1 м длину дрейфа электронов ионизации и порядка 1 м длину собирания фотонов собственного излучения в жидком ксеноне, что необходимо для создания многотонных детекторов; разработаны также методы очистки ксенона от следовых количеств криптона, содержащего радиоактивный изотоп 85Кг.

Успешное развитие технологий быстрых сцинтилляционных детекторов, высокочувствительных к ионизации электролюминесцентных и эмиссионных детекторов, позволивших сочетать эффективные методы усиления сигналов в газовых средах с массивными рабочими средами, привело к пониманию того, что все эти подходы могут быть объединены. Это позволило создать новый класс приборов -рекордные по чувствительности к редким и слабоионизующим частицам детекторы «без стенок», которые, благодаря трехмерной позиционной чувствительности позволяют выбирать события, происходящие на удалении от окружающих материалов и при этом обеспечивают экстремально высокую чувствительность к ионизации - вплоть до отдельных электронов - в мишенях массой сотни и более килограммов.

Первый истинно «безстеночный» эмиссионный детектор впмпов был создан коллаборацией XENON в США пять лет назад. Первый детектор этой коллаборации XENON 10 содержал 13,5 кг жидкого ксенона и экспонировался в подземной лаборатории Gran Sasso в 2006-2008 годах. После 58,6 дней экспозиции живого времени с 90% уровнем доверительной информации был установлен рекордное на 2007 год ограничение на сечение спин-независимого рассеяния вимпов с массой 100 ГэВ/см3 на нуклонах, превосходившее результат долгое время лучшего эксперимента CDMS, использующего криогенные кремниевые и германиевые детекторы. В 2008 году коллаборация XENON опубликовала и лучшие ограничения на спин-зависимые взаимодействия вимпов с нуклонами ядер 129Хе и 131Хе. Эксперимент XENONIO впервые исключил заметную часть теоретически разрешенного параметрического пространства «сечение-масса» для нейтралино, а также исключил тяжелые Майорановские нейтрино с массами в диапазоне 10 ГэВ/с2-2 ТэВ/с2 из кандидатов в холодное темное вещество. В настоящее время эксперимент продолжается с более чувствительным детектором XENONIOO, содержащем 170 кг жидкого ксенона, из которых 65 кг составляют чувствительную мишень, а 105 кг используются как активная защита. Следующий вариант детектора коллаборации XENON будет использовать 1 тонну жидкого ксенона в качестве рабочего вещества.

В настоящее время в подземной лаборатории на шахте Homestake в Южной Дакоте (США), где более 40 лет назад был поставлен первый успешный опыт Р. Дэвиса по регистрации солнечных нейтрино, готовится новый рекордный по чувствительности эксперимент LUX, который ставит целью дать ограничение на сечение спин

Л f. п независимого рассеяния вимпов на нуклонах 7-10 см в чувствительной мишени массой 100 кг при общей массе жидкого ксенона 300 кг. Отличительной особенностью этого эксперимента будет использование 143 м чистой воды в качестве пассивной защиты, окрущающей криостат из низкофонового титана слоем толщиной 2,5 м.

Ожидается, что эмиссионные детекторы следующего поколения будут использовать до 20 тонн жидкого ксенона для решения нескольких задач, включая поиски двойного бета-распада и регистрацию солнечных нейтрино.

Одним из перспективных направлений расширения области применения эмиссионных детекторов, развивающимся в последние годы, является постановка опыта по обнаружению когерентного рассеяния реакторных антинейтрино. В случае успешного решения этой задачи станет возможным создание компактных и очень эффективных приборов для нейтринной диагностики энергетических ядерных реакторов.

Технология детекторов на чистых благородных газов с большой плотностью и атомным номером среды (жидкий ксенон) обладает значительным потенциалом для создания томографических систем, включая однофотонную томографию и ПЭТ. Уже первые попытки создания детекторов для однофотонной томографии привели к разработке детекторов с рекордными параметрами по пространственному и энергетическому разрешению. Детекторы с трехмерной позиционной чувствительностью могут послужить основой для разработки принципиально новой технологии для медицинской интроскопии - комптоновским камерам. Ожидается, что чувствительность приборов с электронной коллимацией в области однофотонной томографии превзойдет чувствительность лучших современных томографических систем в десятки раз.

В заключении автор считает своим долгом выразить глубокую признательность коллегам из Московского инженерно-физического института, Института теоретической и экспериментальной физики, Кэйз Вестерн Резерв Университета, Массачусетского технологического института, Университета Пердю, Ядерно-медицинской группы компании Сименс медикал системз, факультета медицинской физики Раш

Пресбутериан-Св. Луки медицинского центра г. Чикаго, Констеллэйшн текнолоджи корпорэйшн, 2К корпорации, членам коллабораций LUX, XENON, CDMS, РЭД, с которыми имел честь работать и чей вклад в совместные работы на протяжении 35-летней карьеры автора позволил подготовить эту диссертацию.

1. Bolozdynya A. Emission Detectors, World Scientific Publishing Co., 2010. 220 pp.

2. Aprile E., Bolotnikov A., Bolozdynya A., Doke T. Noble Gas Detectors, John Willey & Sons, 2006. 320 pp.

3. Барабаш А. и Болоздыня А. Жидкостные Ионизациониые Детекторы. Москва: Энергоатомиздат, 1993. 240 стр.

4. Knoll G. F. Radiation detection and measurements, 3rd edition, John Wiley & Sons, New York, 2000.

5. Davidson N. and Larsh A. E. (1948). Conductivity pulses in liquid Argon, Phys. Rev., 74, pp. 220-220.

6. Hutchinson G. W. (1948). Ionization in liquid and solid argon, Nature, 162, pp. 610611.

7. Родионов Б.У. Исследование процессов на треках ионизирующих частиц в благородных газах и жидкостях и возможность разработки управляемого трекового детектора на основе сжиженных благородных газов, Дисс. канд.физ.-мат. наук, МИФИ: Москва, 1969. 137 стр.

8. S. Долгошеин Б.А., Лебеденко В.Н. и Родионов Б.У. Новый метод регистрации треков ионизирующих частиц в конденсированном веществе, Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, стр. 351-353.

9. Родионов Б.У. Эмиссионный метод исследования ионизационных процессов в веществе. Диссертация на соиска ние ученой степени доктора физ.-мат. наук. МИФИ: Москва, 1987. 296 стр.

10. Болоздыня А.И., Егоров O.K., Коршунов А.А., Соколов Л.И., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У. Первые наблюдения треков частиц в конденсированном веществе, полученные эмиссионным методом, Письма в ЖЭТФ, 1977. т. 25, стр. 401-404.

11. Egorov V.V., Miroshnichenko V. P., Rodionov В. U., Bolozdynya A. I., Kalashnikov S. D. and Krivoshein V.L. (1983). Electroluminescence emission gamma-camera, Nucl. Instrum. Meth. , 205, pp. 373-374.

12. Chen M. and Bolozdynya A. Radiation Detector and Tomography, U.S. Patent # 5,665,971, Sep.9, 1997

13. Bolozdynya A.I., Egorov V.V., Miroshnichenko V.P., Rodionov B.U. Emission detectors, IEEE Trans Nucl. Sci. 1995, v.42, pp.565-569.

14. Takahashi Т., Konno S., Hamada Т., Miyajima M., Kubota S., Nakamoto A., Hitachi A., Shibamura E. and Doke T. (1975). Average energy expended per ion pair in liquid xenon, Phys. Rev. A, 12, pp. 1771-1775.

15. Doke T. (2005). Ionization and excitation by high-energy radiation, Electronic excitations in liquified rare gases, Ed. W.F. Schmidt & E. Illenberger, American Scientific Publishers: Stevenson Ranch, California, pp. 71-93.

16. Ободовский И.М., Покачалов С.Г. Физика низких температур. 1979, т. 5, № 8, стр. 829-836.

17. Engel J. Nuclear form factors for the scattering of weakly interacting massive particles, Physics Letters В, 1991, v. 264, pp. 114-119.

18. Lewin J. D. and Smith P. F. Review of mathematics, numerical factors, and corrections for dark matter experiments based on elastic nuclear recoil, Astroparticle Physics, 1996, v.6, pp. 87-112.

19. Ressel M. N. and Dean D. J. Sphi-dependent neutralino-nucleus scattering for A=127 nuclei, Phys. Rev. C, 1997, v.56, pp. 535-546.

20. Lindhard J., Nielsen V., Scharf M. and Thomsen P.M. Integral equations coverning radiation effects, Mater. Fys. Med. Dan. Vid. Selsk. 1963, v.33, pp. 1-9.

21. Hitachi A. Quenching factor and electronic LET in a gas at low energy, J. Phys.: Conf. Ser., 2007, v.65, 012013, 6p.

22. McDaniel E. W. and Mason E. A. (1973). The mobility and diffusion of ions in gases, John Willey & Sons: New York-London-Sydney-Toronto.

23. Huxley L. G. H. and Crompton R. W. The diffusion and drift of electrons in gases, John Wiley & Sons: New York-London-Sydney-Toronto, 1974.

24. Borghesani A. F. Ions and electrons in liquid helium, International series of monographs on physics 137, Oxford University Press, Oxford, 2007. 542p.

25. Храпак А.Г. и Якубов И.Т. Электроны в плотных газах и плазме, Наука: Москва, 19 81.

26. Khrapak A. G., Schmidt W. F. and Illenberger Е. (2005). Localized electrons, holes and ions, Electronic excitations in liquified rare gases, Ed. W.F. Schmidt & E. Dlenberger, American Scientific Publishers: Stevenson Ranch, California, pp. 239-273.

27. Sowada U., Schmidt W. F., and Bakale G. The influence non-electronegative molecules on the mobility of excess electrons in liquefied rare gases and thetramethylsilane, Can. J. Chem., 1977, v.55, pp. 1885-1889.

28. Lekner J. Motion of electrons in liquid argon, Phys. Rev., 1967, v. 158, pp. 130-137.

29. Lekner J. Mobility maxima in the rare-gas liquids, Phys. Lett. A, 1968, v.27, pp. 341342.

30. Cohen M. H. and Lekner J. Theory of hot electrons in gases, liquids and solids, J. Phys. Rev., 1967, v. 158, pp. 305-309.

31. Atrazhev V. M., Berezhnov A. V., Dunikov D. O., Chernysheva I. V., Dmitrenko V. V. and Kapralova G. Election transport coefficients in liquid xenon, Proc. 2005 IEEE Int. Conf. Diel. Liquids, Portugal, Coimbra, June 26- July 1, 2005, pp. 329-332.

32. Sakai Y. Hot Electrons, Electronic excitations in liquefied rare gases, Ed. W.F. Schmidt and E. Menberger, American Scientific Publishers: Stevenson Ranch, California, 2005, pp. 275-294.

33. Yoshino K., Sowada U. and Schmidt W. F. Effect of molecular soluted on the electron drift velocity in liquid Ar, Kr, and Xe, Phys. Rev. A, 1976, v. 14, pp. 438-444.

34. Gryko J. and Popielawski J. Comment on the application of the Cohen-Lekner theory to excess election mobility in liquid krypton, Phys. Rev. A, 1977, v. 16, pp. 1333-1336.

35. Ascarelli G. The role of shallow traps on the mobility of electrons in liquid Ar, Kr, and Xe, J.Chem.Phys., 1979, v.71, pp. 5030-5033.

36. Minday R. M., Schmidt W. F. and Davis H. T. Excess electrons in liquid hydrocarbons, J. Chem Phys., 1971, v.54, pp. 3112-3125.

37. Atkins K. R. Ions in liquid helium, Phys. Rev., 1959, v.116, pp. 1339-1343.

38. Schmidt W. F., Hilt O., Illenberger E. and Khrapak A. G. The mobility of positive and negative ions in liquid xenon, Rad. Phys. Chem., 2005, v.74, pp. 152-159.

39. Le Comber P. G., Loveland R. J. and Spear W.E. Hole transport in the rare-gas solids Ne, Ar, Kr, and Xe, Phys. Rev. B, 1975, v.ll, pp. 3124-3130.

40. Hilt, O., Schmidt, W. F., Khrapak, A. G. Ionic mobilities in liquid xenon, IEEE Trans. Diel. Elect. Insul. 1994, v.l, pp. 648-656.

41. Spear W. E. and Le Comber P. G. Electronic transport properties, Rare Gas Solids, vol. II, ed. by M.L.Klein and J.A. Venables. London: Academic Press, 1977, pp. 11181149.

42. Policarpo A. P. L., Chepel V., Lopes M. I., Peskov V., Geltenbort P., Ferreira Marques R., Araujo H., FragaF., Alves M. A., Fonte P., Lima E. P., Fraga M. M., Salete Leite

43. M., Silander К., Onofre A. and Pinhao J. M. Observation of electron multiplication in liquid xenon with a microstrip plate, Nucl. Instr. Meth. A, 1995, v.365, pp. 568-571.

44. Kim, J. G., Dardin, S. M., Kadel, R. W., Kadyk, J. A., Peskov, V. and Wenzel, W. A. Electron avalanches in liquid argon mixtures, Nucl. Instrum. Meth. A, 2004, v.534, pp. 376-396.

45. Долгошеин Б.А., Лебеденко B.H., Родионов Б.У. Некторые электронные методы регистрации треков частиц в жидкостях, Элементарные час тины и космические лучи, вып.2, стр. 86-91.

46. Bondar A., Buzulutskov A., Grebenuk A., Pavlyuchenko D., Snopkov R. and Tikhonov Yu. Two-phase argon and xenon avalanche detectors based on Gas Electron Multipliers, Nucl. Instrum. Meth. A, 2006, v.556, pp. 273-280.

47. Bondar A., Buzulutskov A., Grebenuk A., Pavlyuchenko D., Snopkov R. and Tikhonov Yu. First results of the two-phase argon avalanch detector performance with Csl photocathode, e-print www.arxiv.org/0702237, 2007. 4p

48. Carugno G. Infrared emission in gaseous media induced by ionizing particles and by drifting electrons, Nucl. Instrum. Meth. A, 1998, v.419. pp. 617-620.

49. Conde С. S. N. Gas proportional scintillation counters for X-ray spectrometry, X-Ray Spectrometry: recent technological advances, Ed. K. Tsuji, J. Injuk and R. Van Greiken, John Wiley & Sons, USA, 2004, pp. 195-216.

50. Болоздыня А.И. Об электронной эмиссии из жидкого изооктана, Препринт ИТЭФ-86-103, Москва: ИТЭФ, 1986. 7стр.

51. Barkov L. M., Grebenuk A. A., Ryskulov N. M., Stepanov P. Yu. and Zverev S. G. Measurment of the refractive index of liquid xenon for intrinsic scintillation light, Nucl Instr. Meth. A, 1996, v.379, pp. 482-483.

52. Baldini A., Bemporad C., Cei F., Doke Т., Grassi M., Grebenyuk A., Grigoriev D., Haruyama T. Absorption of scintillation light in a 100 1 liquid xenon y-ray detector and expected detector performance, Nucl. Instr. Meth. A, 2005, v.545, pp. 753-764.

53. Sinnok A. C. and Smith B. L. Refractive indices of the condensed inert gases, Phys. Rev., 1969, v.181, pp. 1297-1307.

54. Solovov V. N., Chepel V., Lopes M. I., Hitachi A., Ferreira Marques R. and Policarpo A. J. P. L. Measurement of the refractive index and attenuation length of liquid xenon for its scintillation light, Nucl. Instrum. Meth. A, 2004, v.516, pp. 462-474.

55. Bolozdynya A. I., Bradley A. W., Brusov P. P., Dahl С. E., Kwong J., Shutt T. Using a wavelength shifter to enhance the sensitivity of liquid xenon dark matter detectors, IEEE Trans. Nucl. Sci., 2008, v.55, pp. 1453-1457.

56. Seidel, G. M., Lanou, R. E. and Yao, W. Rayleigh scattering in rare-gas liquids, Nucl. Instr. Meth. A, 2002, v.489, pp. 189-194.

57. Perkins R.B. and Simmons J.E. T(d,n)He4 reaction as a source of polarized neutrons, Phys. Rev. 1961, v.124, i.4, pp.1153-1154.

58. Анисимов C.H., Болоздыня А.И., Стеханов B.H., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У. Сцинтилляторы на основе и конденсированного криптона диаметром 0,5 метра, Приборы и техника эксперимента, 1984, №6, стр.51-55.

59. Akimov D.Yu., Bolozdynya A.I., Churakov D.I., Lamkov V.A., Sadovsky A.A., Safronov G.A., Smironov G.N. The influence of Xe doping on LKr scintillations, Nucl. Instr. Meth. A, 1993, v.332, pp. 575-576.

60. Chepel V.Yu., Lopes M.I., Ferreira Marques R., Policarpo A.J.P.L. Purification of liquid xenon and impurity monitoring for PET detector, Nucl. Instrum. Meth. A 1994, v.349, pp.500-505.

61. Hitachi A., Chepel V.Yu., Lopes M.I., Solovov V.N. New approach to the calculation of the refractive index of liquid and solid xenon, J. Chem. Phys. 2005, v,123(23), 234508.

62. Yamashita M. Dark matter search experiment with double phase Xe detector, PhD Thesis, Waseda University: Tokyo, 2003.

63. Kadkhoda P., Ristau D. and von Alvensleben F. Total Scatter Measurements in the DUD/VUV, Proc. SPIE, 1998, v.3578, pp. 544-554.

64. Doke T. and Masuda K. Present status of liquid rare gas scintillation detectors and their new application to gamma-ray calorimeters, Nucl. Instrum. Meth. A, 1999, v.420, pp. 62-80.

65. Akimov D.Yu., Bolozdynya A.I., Churakov D.L., Kuchenkov A.V., Kuzichev V.F., Lebedenko V.N., Rogovsky I.A., Chen M., Chepel V. Yu., Sushkov V.V. Condensed krypton scintillators, Nucl. Instr. & Meth. A , 1993, v.327, p. 155-164.

66. Akimov D.Yu., Bolozdynya A.I., Churakov D.I., Lamkov V.A., Sadovsky A.A., Safronov G.A., Smironov G.N. Scintillating LXe/LKr electromagnetic calorimeter, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1995, v.42, pp. 2244-2249.

67. Grandy L. WARP: an argon double phase technique for Dark Matter search, Ph.D. Thesis, University of Pavia; LArTPC Document 402-vl, 2005. 251p.

68. Lally С. H. UV quantum efficiency of organic fluors, Imperial College Internal Note IC/HEP/94-11, 1994.

69. Болоздыня А.И., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У. Электростатическая эмиссия свободных электронов из жидкого и твердого аргона, Письма ЖТФ, 1977, в.2, стр. 64-67.

70. Balzer F., Kankate L., Niehus H. and Rubahn H.-G. Nanoaggregates from oligothiophenes and oligophenylenes a systematic growth survey, Proc. SPIE, 2005, v.5724, pp. 285-294.

71. Hu W. S„ Lin Y. F„ Tao Y. Т., Hsu Y. J. and Wei D. H. Highly oriented growth of p-sexiphenyl molecular nanocrystals on rubbed polymethylene surface, MacroMolecules, 2005, v.38, pp. 9617-9624.

72. Aleksandrov Yu. A., Voronov G. S., Gorbunkov V. M., Delone N. B. and Nechaev Yu. I. Bubble Chambers, Indiana University Press: Bloomington & London, 1967.

73. Benetti P., Montanari C., Raselli G. L., Rossella M. and Vignoli C. Detection of the VUV liquid argon scintillation light by means of glass-window photomultiplier tubes, Nucl. Instrum. Meth. A, 2003, v.505, pp. 89-92.

74. McKinsey D. N. Brome C. R„ Butterworth J. S., Glub R., Habicht K„ Huffman P. R„ Lamoreaux S. K., Mattoni С. E. H. and Doyle J. M. Nucl. lustrum. Meth. В, 1997, v.132, pp. 351-358.

75. Maeda M. and Miyazoe Y. Progress in UV organic dye lasers, IEEE Journal of Quantum Electronics, 1974, v. 10(9), pp. 769-769.

76. Herb G. K. and Van Sciver W. J. Measurement of the Decay Time of Sodium Salicylate, Rev. Sci. lustrum. 1965, v.36, pp. 1650-1652.

77. Samson J. A. R. Technique of vacuum ultraviolet spectroscopy, Pied Publications: Lincoln, Nebraska, 1967.

78. Ichige M., Doke Т., Doi Y. and Yoshimura Y. Operating characteristics of photomultipliers at low temperature, Nucl. Instrum. Meth. A , 1993, v.327, pp. 144147.

79. Araiijo H. M, Chepel V., Lopes M. I., van der Marel J„ Ferreira Marques R. and Policarpo A. J. P. L. Study of bialkali photocathodes below room temperature in the UV/VUV region, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1998, v.45, pp. 542-549.

80. Meyer H. O. Dark Rate of a Photomultiplier at Cryogenic Temperatures, e-print arXiv:0805.0771, 2008. 13p.

81. Wright A.G. Absolute calibration of photomultiplier based detectors difficulties and uncertainties, Nucl. Instrum. Meth. A, 1999, v.433, pp. 507-512.

82. Афонасьев B.H., Акимов Д.Ю., Болоздыня А.И., Гусев JI., Чернышев В.П., Чураков Д.Л. Регистрация сцинтилляций альфа частиц в конденсированном криптоне с помощью кремниевого светодиода, Препринт ИТЭФ-92-19, Москва: ИТЭФ, 1992. 7 стр.

83. Sadygov Z. Y., Zheleznykh I. М., Malakhov N. A. Jejer V. N. and Kirillova Т. A. Avalanche semiconductor radiation detectors, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1996, v.43, pp. 1009-1013.

84. Moszynski M., Szawlowski M., Kapusta M. and Balcerzyk M. Large area avalanche photodiodes in scintillation and X-rays detection, Nucl. Instr. Meth. A, 2002, v.485, pp. 504-521.

85. Arodzero A., Bolozdynya A., Bolotnikov A., doctor A. and Richards J. (2004). Two-channel high-pressure helium-3 scintillation neutron detector, IEEE Trans. Nucl. Sci., 51, pp. 322-327.

86. Solovov V. N., Hitachi A., Chepel V., Lopes M. I., Ferreira Marques R. and Policarpo A. J. P. L. Detection of scintillation light of liquid xenon with a LAAPD, Nucl Instrum. Meth. A, 2002, v.488, pp. 572-578.

87. Ni К., Aprile E., Day D., Giboni K. L., Lopes J. A. M., Majewski P. and Yamashita M. Performance of a large area avalanche photodiode in a liquid xenon ionization and scintillation chamber, Nucl. Instr. Meth. A, 2005, v.551, pp. 356-363.

88. Buzhan P., Dolgoshein В., Uyin A., Kantzerov V., Kaplin V., Karakash A., Plesco A., Popova E., Smirnov S. and Volkov Yu. An advanced study of silicon photo multiplier, ICFA Instrum. Bull, 2001, v.23, pp. 28-34.

89. Buzhan P., Dolgoshein В., Filatov L., Ilyin A., Kantzerov V., Kaplin V., Karakash A., Kayumov F., Klemin S., Popova E. and Smirnov S. Silicon photomultiplier and its possible applications, Nucl. Instrum. Meth. A, 2003, v.504, pp. 48-52.

90. Aprile E., Cushman P., Ni К. and Shagin P. Detection of liquid xenon scintillation light with a silicon photomultiplier, Nucl Instr. Meth. A ,2005, v.556, pp. 215-218.

91. DeSalvo R., Hao W„ You K., Wang Y. and Xu C. First results on the hybrid photodiode tubes, Nucl. Instrum. Meth. A, 1992, v.315, pp. 375-384.

92. Hayashi T. Recent developments in photomultipliers for nuclear radiation detectors, Nucl. Instrum. Meth., 1982, v. 196, pp. 181-186.

93. Аммосов B.B., Болоздыня А.И., Кубанцев M.A., Лебеденко B.H., Суворов А.Л. Новый метод регистрации излучений на основе микр о капилляр пых пластин, Препринт ИТЭФ-86-48; Приборы и техника эксперимента, вып. 6, 1986, стр. 6266.

94. YongLin J. U., Yan G. U„ Dodd J., Galea R., Leltchouk M„ Willis W„ Rehak P. and Tcherniatine V. Detection of low energy solar neutrinos by two-phase cryogenic e-bubble detector, Chinese Science Bulletin, 2007, v.52, pp. 3011-3015.

95. Aprile E., Bolotnikov A., Chen D., Mukherjee R„ Xu F., Anderson D. F., Peskov V. Performance of Csl photocathodes in liquid Xe, Kr, and Ar, Nucl Instr. Meth. A, 1994, v.338, pp. 328-335.

96. Aprile E., Bolotnikov A., Chen D., Xu F. and Peskov V. First observation of the scintillation light from solid Xe, Kr and Ar with a Csl photocathode, Nucl. Instr. Meth. A, 1994, v.353, pp. 55-58.

97. Boutboul Т., Akkerman A., Giberkhterman A., Breskin A. and Chechik R. An improved model for ultraviolet- and x-ray-induced electron emission from Csl, J. Appl. Phys., 1999, v.86, pp. 5841-5849.

98. Buzulutskov A., Breskin A., and Chechik R. Field enhancement of the photoelectric and secondary electron emission from Csl, J. Appl Phys., 1995, v.11, pp. 2138-2145.

99. Bolozdynya A. Two-phase electron emission detectors, IEEE Trans. Diel. Electr. Insul, 2006, v.13, pp.616-623.

100. Cabrera В., Clarke R.M., Colling P., Miller A.J., Nam S. and Romani R.W. Detection of single infrared, optical, and ultraviolet photons using superconducting transition edge sensors, Appl. Phys. Lett., 1998, v.13, pp. 737-737.

101. Trofimov V. N. R&D of large-sized cryogenic detectors in Dubna, Nucl. Instrum. Meth. A, 1996, v.370, pp. 168-170.

102. Croxton C.A. Liquid State Physics: A Statistical Mechanical Introduction, Series: Cambridge Monographs on Physics, Cambridge, 1974.

103. Bolozdynya A. Two-phase emission detectors and their applications. Nucl. Instrum. Meth. A, 1999, v.422, pp. 314-320.

104. Loeb L. Basic Processes of gaseous electronics. Berkeley: University of California Pi ess, 1955.

105. Schmidt W. F. Liquid state electronics of insulating liquids, CRC Press LLC, New York, 1997. 350p.

106. Spicer W. E. Negative affinity Ш-V photocathodes: their physics and technology, Appl. Phys., 1977, v.12, pp. 115-130.

107. Balakin A.A., Boriev I.A. and Yakovlev B.S. Thermal emission of excess electrons from liquid hydrocarbons, Can. J. Chem., 1911, v.55, pp. 1985-1986.

108. Болоздыня А.И., Лебеденко B.H., Родионов Б.У., Балакин А.А., Бориев И.А., Яковлев Б.С. Электростатическая эмиссия электронов в газовую фазу из жидкого изооктана, Журнал Технической Физики, 1978, т.48, стр. 1514- 1519.

109. Borghesani A. F., Carugno G., Cavenago М. and Conti Е. Electron transmission through the Ar liquid-vapor interface, Phys. Lett. A, 1990, v. 149(9), pp. 481-484.

110. Borghesani A. F., Carugno G. and Santini M. Experimental determination of the conduction band of excess electrons in liquid argon, IEEE Trans. Elect. Insul., 1991, v.26, pp. 615-622.

111. Chung M.S. and Yoon B.-G. Analysis of the slope of the Fowler-Nordheim plot for field emission from n-type semiconductors, ./. Vac. Sci. Technol. B, 2003, v.21, Issue 1, pp. 548-551.

112. Гущин E.M., Круглов A.A., Лицкевич B.B., Лебедев А.Н., Ободовский И.М., Сомов С.В. Эмиссия электронов из конденсированных благородных газов, ЖЭТФ 1979, т.76, стр. 1685-1689.

113. Анисимов С.Н., Болоздыня А.И., Стеханов В.Н. Локализация и дрейф электронов под поверхностью конденсированного криптона, Письма в ЖЭТФ 1984, т. 40(3), стр. 829-832.

114. Brnschi, L., Maravigkia, В. and Moss, F. E. Measurement of a Barrier for the Extraction of Excess Electrons from Liquid Helium, Phys. Rev. Lett., 1966, v. 17, pp. 682-684

115. Bruschi L., Mazzi G. and Torzo G. Transmission of negative ions through the liquid vapor surface in neon, J. Phys. C: Solid StatePhys., 1975, v.8, pp. 1412-1422.

116. Careri G., Fasoli U. and Gaeta F.S. Experimental behaviour of ionic structures in liquid Helium-П, Nuovo Cimento, 1960, v. 15, pp. 774-783.

117. Surko С. M. and Reif F. Evidence for a New Kind of Energetic Neutral Excitation in Superfluid Helium, Phys. Rev. Lett. 1968, v.20, pp. 582-585.

118. Surko С. M. and Reif F. Investigation of a New Kind of Energetic Neutral Excitation iii Superfluid Helium, Phys. Rev., 1968, v. 175, pp. 229-241.

119. Schoepe W. and Rayfield G. W. Tunneling from elecytronic bubble states in liquid helium through the liquid-vapor interface, Phys. Rev. A, 1973, v.7, pp. 21112121.

120. Ancilotto F. and Toigo F. Properties of electron bubble approaching the surface of liquid helium, Phys. Rev. B, 1994, v.50, pp. 12820-12830. '

121. Schoepe W. and Dransfcld K. Extraction of electrons from quantized vortex lines, Phys. Lett. A, 1969, v.29, pp. 165-166.

122. Adams J. S., Kim Y. H., Lanou R. E., Maris H. J. and Seidel G. M. Scintillation and quantum evaporation generated by single monoenergetic electrons stopped in superfluid helium, J. Low Temp. Phys., 1998, v.113, pp. 1121-1128.

123. Brown T. R. and Grimes C.C. Observation of Cyclotron Resonance in Surface-Bound Electrons on Liquid Helium, Phys. Rev. Lett., 1972, v.29, pp. 1233-1236.

124. Володин А.П., Хайкин М.С., Эдельман B.C. Поверхностные электронные состояния над пленкой жидкого гелия, Письма в ЖЭТФ, 1976, т.23, стр. 524-527.

125. Хайккн М.С. и Володин А.П. Нарушение устойчивости заряженной поверхности жидкого гелия и образование баблонов, УФН, 1978, т. 126(4), стр. 691-693.

126. Трояновский A.M., Володин А.П., Хайкин М.С. Локализация электронов над поверхностью жидкого водорода, Письма в ЖЭТФ 1979, т. 29, стр. 65-68.

127. Taylor G. I. and McEwan A. D. The stability of a horizontal fluid interface in a vertical electric field, J. Fluid Mech., 1965, v.22, pp. 1-15.

128. Володин А.П. и Хайкин М.С. Ионные «гейзеры» на поверхности сверхтекучего гелия, Письма в ЖЭТФ, 1979, т. 30, стр. 608-610.

129. Mardarskii О. I., Motorin О. V., Bologa М. К., Kozhukhar I. A. Dispersion of liquid in an electric field of plane capacitor, Proceedings oj IEEE 2000 Conference on Electrical Insulation and Dirlectric Phenomena, 2000, pp. 292-295.

130. Modinos A. Field, thermoionic, and secondary electron emission spectroscopy, Plenum Press, New York, 1984.

131. Boyle F.P. and Dahm AJ. Extraction of charged droplets from charged surfaces of liquid dielectrics, J. L. Temp. Phys., 1976, v.23, pp. 477-486.

132. Болоздыня А.И., Егоров B.B., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У. Роль молекулярной фазы в электролюминесценции благородных газов, В сборнике «Физика высоких энергий, под ред. Б.А.Долгошеина, Москва: Энергоатомиздат, 1984», стр. 90-93.

133. Walters A. J. Ion transport across the gas-liquid interface in xenon, J. Phys. D: Appl. Phys., 2003, v.36, pp. 2743-2749.

134. Shimamori H. and Hatano Y. Thermal electron attachement to СЬ in the presence of various compounds as studied by a microwave cavity technique combined with pulse radiolysis, Chem.Phys., 1977, v.21, pp. 187-201

135. Bakale G., Sowada U. and Schmidt W.F. Effect of an electric field on election attachment to SF6, N2O, and 02 in liquid argon and xenon, J. Phys. Chem., 1976, v.80, pp. 2556-2559.

136. Barabash A. S., Golubev A. A., Kazachenko О. V. and Ovchinnikov В. M. Investigation of electronic conductivity of liquid argon-nitrogen mixtures, Nucl. Instr. Meth. A, 1985, v.234, pp. 451-454.

137. Болоздыня А.И. и Стеханов В.Н. Захват квазисвободных электронов электроотрицательными примесями в жидком криптоне, Препринт ИТЭФ-84-27, Москва: Атоминформ, 1984. 20 стр.

138. Ободовский И.М. и Покачалов С.Г. Захват электронов кислородом в конденсированном ксеноне, Экспериментальные методы ядерной физики, вып.б, 1980, стр. 31-43.

139. Кириленов А.В. и Коновалов С.П. Ксенон высокой плотности в детекторах ионизирующих излучений, Препринт Ф11АНЫо.149, ФПАН: Москва, 1981.

140. Zaklad Н. A purification system for the removal of electronegative impurities from noble gases for noble liquid nuclear particle detectors, Preprint TJCRL-20690, Lawrence Radiation laboratory of University of California, Berkley, 1971. 78p.

141. Obodovskiy I. Solutes in rare gas liquids, in "Electron Excitations in Liquefied Rare Gases, ed. W. F. Schmidt and E. Illenberger, American Scientific Publishers", 20056 pp. 95-132.

142. Aprile E., Giboni K. L. and Rubbia C. A study of ionization electrons drifting large distances in liquid and solid argon, Nucl. Instr. Meth. A, 1985. v.241, pp. 62-71.

143. Huang S.-S. and Freeman G. R. Electron mobilities in gaseous, critical, and liquid xenon: Density, electric field, and temperature effects: Quasilocalization, J. Chem. Phys., 1977, v.68(4), pp. 1355-1362.

144. Borghesani A.F., Iannuzzi D. and Carugno G. Excess electron mobility in liquid Ar-Kr and Ar-Kr, J. Phys.: Condens. Matter, 1997, v.9, pp. 5057-5065.

145. Анисимов C.H., Болоздыня А.И., Высикайло Ф.И., Пруцкой В.А., Стеханов В.Н. Измерение скорости дрейфа электронов в газообразном и конденсированном криптоне, Препринт ИТЭФ-84-16, Москва: ИТЭФ, 1984. 32стр.

146. Bolozdynya A. I. Transport of excess electrons through and along condensed krypton interface, Proc. 3rd Int. Conf. Porp. And Appl. Diel. Materials, July 8-12, 1991, Tokyo, Japan, pp. 841-844.

147. Bolotnikov A.E., Austin R., Bolozdynya A., Richards J.D. Virtual Frisch-grid ionization chambers filled with high-pressure Xe, Proc. SPIE 2004, v.5540, p. 216-224

148. Bolotnikov A., Bolozdynya A., DeVito R., Richards J. Dual-Anode Iligj^ Pressure Xenon Cylindrical Ionization Chamber, IEEE Trans. Nucl. Sci. 2004, v.51 n.3, pp.1262-1269.

149. Tanaka Y., Inoue Ы., Holt S.S. Populations of x-ray sources in galaxies, F^ubl Astron. Soc. Japan 1994, v.46, pp. L37-L41.

150. Veloso J.F.C.A., dos Santos J.M.F., and Conde C.A.N. Gas proportional scintillation counters with a Csl-covered microstrip plate UV photosensor for Fugh-resolution X-ray spectrometry, Nucl. Instr. MethA., 2001, v.457, pp.253-261.

151. Bolotnikov A. and Ramsey B. Purification techniques and purity and density measurements of high-pressure Xe, Nucl. Instr. Meth. A, 1996, v.383, pp.619-62.3

152. Bressi G., Carugno G., Conti E., D'Uscio E., Zanello D. Electron multiplication in liquid argon on a tip array, Nucl. Instr. Meth. A, 1991, v.310, pp. 613-617.

153. Derenzo S. E., Mast T. S., Zaklad H. and Muller, R. A. Electron avalanche in liquid xenon, Phys. Rev. A, 1974, v.9, pp. 2582-2591.

154. Bressi G., Carugno G. Conti E., D'Uscio E., Zanello D. Ultra high level liquid argon purification using electron emission from a tip array, Nucl. Instr. Meth. A, 1993 v.327, pp. 163-167.

155. Miyajima M., Mazuda K., Hitachi A., Doke Т., Takahashi Т., Kon.no S Hamada Т., Kubota S„ Nakamoto A. and Shibamura E. Propoertional counter filled with liquid xenon, Nucl. Instr. Meth. A, 1976, v.134, pp. 403-407.

156. Pokachalov S.G., Kirsanov M.A., Kruglov A.A., and Obodovsky I.M. Spark discharge methode ofm liquid rare-gas purification, Nucl. Instr. Meth. A. 1993, v.327 pp.159-162.

157. Дмитренко B.B., Романюк A.C., Утешев З.М. Сжатый ксенон как рабочее вещество для регистрации гамма-квантов малых энергий, В сб. « Элементарные частицы и космические лучи, вып.5, М.:Атомиздат, 1980», стр.72-83.

158. Анисимов С.Н., Барабаш А.С., Болоздыня А.И., Стеханов В.Н. Мойдодыр установка для искровой очистки жидкого криптона, используемого в жидкостных детекторах, Instruments and Experimental Techniques, 1991, v.34(2) pp. 313-316.

159. Анисимов C.H., Барабаш A.C., Болоздыня А.И., Стеханов В.Н. Измерение85содержания Кг в криптоне с помощью жидкостной ионизационной камеры. Атомная Энергия, 1989, т. 66, стр. 415-417 .

160. Bolozdynya A. I., Egorov О. К., Sokolov L. I., Miroshnichenko V. P. and Rodionov В.U. Solid Krypton Emission Chamber, in "Solid State Nuclear Track Detectors". Ed. H. Francois et al., Oxford-New York: Pergamon Press, 1980, pp. 2932.

161. Aprile E. (XENON Collaboration). XENON, Nuclear Physics В (Proceedings Supplements), 2007. v. 173, pp. 113-116.

162. Richards J., Bolozdynya A., Austin R. Analyses of data acquired from high-pressure Xe+He3 ionization chamber, IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005, v.52, n.4, pp.966971.

163. Yuan S. W. K. Thermal and Mechanical Properties of Teflon (Polytetra Fluoroethylene), Yutopian on line, http://www.vutopian.eom/Yuan/prop/Teflon.html

164. Young H.D. University Physics, 7th Ed., Addison Wesley, 1992, Table 15-5: http://en.wikiDedia.Org/wiki/l/ist of thermal conductivities

165. Berber S„ Kwon Y.-K., and Tomanek D. Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes, Phys. Rev. Lett. 2000, v.84, pp. 4613 4616.

166. Fabian C. W., and Gianotti, F. Calorimetry for particle physics, Rev. Mod. Phys., 2003, v. 75, pp. 1243-1284.

167. Schinzel D. High-resolution electro-magnetic calorimetry with noble liquids. Nucl Instr. Meth. A, 1998, v.419, pp. 217-229.

168. Chen M., Dionisi C., Galaktionov Yu., Herten G., LeCoultre P., Kamyshkov Yu., Luebelsmeyer K., Walraff W., Yamamoto R.K. The xenon olive detector for the next generation colliders, Nucl. Instr. Meth. A 1988, v.267, pp.43-48.

169. Braunschweig W. Part. Fields, 1986, v.33, pp. 13

170. Orito S. and Mori T. Decay Experiment at PSI, The Workshop on a New //ey, 5-7 March 1997.

171. Doke T., Haryayama T., Ishida T., Maki A., Mashimo T., Mihara S., Mitsuhashi T., Mori T., Nishiguchi H„ Ootani W„ Orito S., Ozone K., Sawada R., Suzuki S., Terasawa K., Yamashita M., Yashima J.,Yoshimura T. Nucl. Instr. Meth. A, 2003, v.503, 199-202.

172. Kuno Y. and Okada Y. Rev. Mod. Phys., 2001, v.73, pp.151-202.

173. Aamodt R.L., Brown L.J., Smith G.M. High pressure 3He gas scintillation neutron detectors", Rev. Sci. Inmstrum., 1966, v.31, pp. 1338-1345.

174. Evans A.E. Development of a high-pressure 3He neutron scintillator spectrometer, Tech. Note LA-Q2TN-82-109, Los Alamos Nat. Lab., Los Alamos, NM, Apr. 29, 1982.

175. Derzon M.S., Slaughter D.E., Prussin S.G. A High-Pressure 3He Gas Scintillation Neutron Spectrometer, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1986, v.33, pp.247-249.

176. Bolozdynya A., Richards J., and Arodzero A. Neutron detector, U.S. Patent No.US 6,924,487 B2, Aug. 2, 2005.

177. Alkhazov D. G., Komar A. P. and Vorobiev A. A. Nucl Instr. Meth., 1967, v.48, pp. 1-12.

178. Evans A.E. and Malanify J.J. 4He gas scintillator for prompt-neutron fissile assay of small samples, LA-5885-PR Progress Report, UC-15, April 1975, pp.23-26.

179. Engelke C.E. I.R.E. Trans. Nucl. Sci. 1960, v.NS-7, pp.32-33.

180. Baldin S.A. and Matveev V.V. Nuclear Electronics Proc. Intcrn.Conf., Belgrade 1961 (Vienna: I.A.E.A.) 1962, v.l, pp.37-40.

181. Radeka V. Low-noise Techniques in Detectors, (1988). Ann. Rev. Nucl. Part. Sci., 1988, v.38, pp. 217-277.

182. Parsons A., Edberg T.K., Sadoulet B., Weiss S., Wilkerson J., Hurley K., Lin R.P., and Smith G. High pressure gas scintillation drift chambers with wave-shifter fiber readout, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1990, v.37, pp.541-546.

183. Anderson D.F., Hamilton T.T., Ku W.H.-M., Novick R. A large area §;£»s scintillation proportional counter, Nucl. Instr. Meth. 1979, v. 163, pp. 125-134.

184. Policarpo A.J.P.L., Alves M.A.F., Conde C.A.N. The argon-nitrogen proportional scintillation counter, Nucl. Instr. Meth,. 1967, v.55, pp. 105-119.

185. Keirim-Markus, I.B., Savinsky, A.K., Tchaikovsky, V.G., Yakovlev, A^s Instr. Exp. Tech., 1972, v. 15(5j, pp.46-48.

186. Suzuki, M., Kubota, S. Mechanism of proportional scintillation in argon, krypton and xenon, Nucl. Instr. Meth. 1979, v.164, pp. 197-199.

187. Charpak G., Majevski S., Sauli F. The scintillating drify chamberA a new tool for high accuracy, very-high-rate particle localization, Nucl. Instr. Meth. 1975, v. 126 pp.381-389.

188. Baskakov V.I., Chernjatin V.K., Dolgoshein B.A., Lebedenko V.N., Romany uk A.S., Pustovetov V.P., Shmeleva A.P., Vasiljev P.S. Nucl. Instr. Meth., 1979, v.i 5g pp.129-135.

189. Akimov D. Yu., Burenkov A.A., Kuzichev V.F., Morgunov V.L., Solovov V.N. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1998, v.45, pp.497-501.

190. Bolozdynya A. and Austin R. High-pressure xenon electroluminescence detectors, Proc. SPIE, 2004, v.5540, pp. 206-215

191. Bolozdynya A. and DeVito R. Vibration-proof high-pressure xenon electroluminescence detector, IEEE Trans. Nucl. Sci. 2004, v.51, p.931-933.

192. Родионов Б.У. и Чепель В.Ю. Авторское свидетельство СССР №888706 Бюллетень Изобретений 1983, вып.26. стр.232.

193. Големинов Н.Г., Родионов Б.У., Чепеоь В.Ю. Временной метод позиционно-чувствительной регистрации гамма излучения в электролюминесцентных детекторах, Приборы и техника эксперимента, 1986 в.2, стр.61-64.

194. Bolozdynya A. and Bolotnikov A. Dependence of flucatuations of thermal neutron ionization yield on density of Xe+He3 gas mixture, ICDL 2005 Dielectric liquids conference record, Coimbra: University of Coimbra, 2005, pp.335-338.

195. Akimov D.Yu., Bolozdynya A.I., Churakov D.I. et al. Search for narrow dibaryon at CELSIUS. Proposal to ITEP-WASA-PROMICE collaboration. Preprint ITEP-73-92, Moscow: ГГЕР, Aug 1992, 15pp.

196. Багрянский П.А., Белкин B.C., Дудников В.Г., Шабалов Е.И. Газовый электролюминесцентный пропорциональный детектор с фотокатодом в работающей камере, Приборы и техника эксперимента, 1987, вып.1, стр.49-52.

197. Montiero C.M.B., Veloso J.F.C.A., dos Santos J.M.F., Conde C.A.N. The performance of the GPSC/MSGC hybrid detector with argon-xenon gas mixtures, IEEE Trans. Nucl. Sci. 2002, v.49, pp.907-911.

198. Bronic I.K. On a relation between the W value and the Fano factor, J. Phys. B, 1992, v.25, pp. L215-L218.

199. Dangendorf V., Breskin A., Chechik R., and Schmidt-Bocking H. Nucl.Instr. Meth. A 1990, v.289, pp.322-324.

200. Policarpo A.J.P.L., Alves M.A.F., Dos Santo, M.C.M., Carvalho M.J.T. Nucl Instr. Meth. 1972, v.102, pp.337-348.

201. Policarpo A.J.P.L., Alves M.A.F., Sálete M„ Leite S.C.P., Dos Santos M.C.M., Nucl Instr. Meth. 1974, v. 118, pp.221-226.

202. Platzman R. L. Total ionization in gases by high-energy particles: an appraisal of our understanding, Int. J. Appl. Radiat. Isot., 1961, v.10, pp. 116-127.

203. Manzo G., Davelaar J., Peacock A., Adersen R.D., Taylor B.G. Nucl Instr. Meth. 1980, v.177, pp.595-603.

204. Charpak G. Evolution of the automatic spark chambers, Annual Reviev,' of Nuclear Science 1970, v.20, pp.195-254.

205. Cavalleri C., Gatti E. and Redaelli G. II Nuovo Cemento, 1962, v.XXV, pp.1282-1291.

206. Gorenstein P. and Topka K. IEEE Trans. Nucl Sci., 1977, v.24. pp.511-514.

207. Suzuki M., Takahashi T., Awaya Y., Oura M., Yamamoto M., Uruga T., Mizogawa T., MasudaK. Rev. Sci. Instr., 1995, v.66(2). pp.2336-2338.

208. Sauli, F. Nucl. Instr. Meth. A, 2004, v.522, pp.93-98.

209. Fraga F.A.F., Fetal S.T.G., Fraga M.M.F.R., Balau E.F.S., Margato L.M.S., Ferreira Marques R., Policarpo A.J.P.L., Sauli F. Nucl Instr. Meth. A, 2004, v.525, pp.57-61.

210. Policarpo A.J.P.L. Nucl Instr. Meth., 1982, v. 196, pp.53-62.

211. Charpak G„ Peterson G„ Policarpo P. and Sauli F. Nucl Instr. Meth., 1978, v.148, pp.471-477.

212. Ku W. H.-M., Hailey C.J., and Vartanian M.H. Nucl. Instr. Meth., 1982, v. 196, pp.63-67.

213. Okx W.J.C., Eijk C.W.E., Ferreira Marques R., Hollander R.W., Langerveld D. and Stanovni A. IEEE Trans. Nucl. Sei., 1986, v.33, pp.391-394.

214. Lum K.S.K., Lee D.H., and Ku W. H.-M. IEEE Trans. Nucle. Sei., 1988, v.35, pp.506-510.

215. Charpak G., Dominik W., Fabre J.P., Gaudaen J., Peskov V., Sauli F., and Suzuki M. IEEE Trans. Nucl. Sei., 1988, v.35, pp.483-486.

216. Astier P., Breskin A., Charpak G., Dominik W., Fonte P., Gaudaen J., Giomataris Y., Gougas A., Peskov V., Sauli F., Soloimey N., and Zaganidis N. IEEE Trans. Nucl. Sei., 1989, v.36, pp.300-304.

217. Austin R.A., Minamitani Т., Ramsey B.D. Proc. SPIE, 1993, v.2010, pp.118125.

218. Charpak G., Ngoc H.N., and Policarpo A. Neutral radiation detection and localization, United States Patent 4,286,158, August 25, 1981.

219. Bräuning H., Breskin A., Chechik R., Dangendorf V., Demian A., Ulmarm K., Schmidt-Böcking H. Nucl. Instr. Meth. A, 1994, v.348, pp.223-227.

220. Manzo G., Giarrusso S., Santangelo A., Ciralli F., Fazio G., Piraino S„ Segreto A. Astronomy & Astrophysics Suppl. Ser., 1991, v. 122, pp.341-356.

221. Gubarev M„ Ramsey B, and Apple J. Proc. SPIE, 2003, v.5501, pp.339-345

222. Lanza R.C., Rideout W., Fahey F., Zimmerman R.E. IEEE Trans. Nucl. Sei., 1988, v.34, pp.406-409.

223. Nguyen Ngoc H. Nucl. Instr. Meth., 1978, v. 154, pp.597-601.

224. Nguyen Ngoc H., Jeanjean J., Itoh H., and Charpak G. Nucl. Instr. Meth., 1980, v.172, pp.603-608.

225. Nguyen Ngoc H., Jeanjean J., Jacobe J., Mine P. Nucl Instr. Meth., 1981, v.188, pp.677-679.

226. Taylor B.G., Davelaar J., Manzo G., Peacock A. IEEE Trans. Nucl. Sei. 1981, v.28, pp.857-860.

227. Егоров B.B. Позиционно-чувствительный электролюминесцентный детектор на сжатом ксеноне, Приборы и техника эксперимента, 1988, вып.1, стр. 53-56.

228. OhashiT., Ebisawa К., Fukazawa Y., Hiyoshi К., Horii M. et al. Puhl. Astron. Sic. Japan, 1996, v.48, pp. 157-170.

229. Rossi В. and Staub H. Ionization Chambers and Counters, McGraw-Hill Book Company, Inc.: New York, 1949.

230. Векслер В., Грошев JI. И Исаев Б. Ионизационные методы исследования излучений, Toc. Издат. Технико-Теоретической литературы: Ленинград, 1949. 424стр.

231. Minehart, R. С. and Milburn, R. H. Scintillation-bubble chamber, Rev. Sei. Instr., 1960, v.31, pp.173-174

232. Городков Ю.Б., Любимов B.A., Сидоров И.В., Солощенко В.А. Криогенная трековая искровая камера, Приборы и техника эксперимента, 1974, вып.6, стр. 46-47.

233. Сидоров И.В. Криогенная стримерная камера, 3-я Школа ИТЭФ, вып. IV, Москва: Атомиздат, 1975, стр. 52-60.

234. Болоздыня А.И., Егоров O.K., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У., Шувалова E.H. Новая возможность поиска поиска слабоионизир\ ющих частиц, Элементарные частицы и космические лучи, вып.5, 1981, Москва: Атомиздат, стр. 65-72.

235. Егоров O.K. и Степанов A.M. Универсальный генератор Маркса с двойной экранировкой, Приборы и техника эксперимента, 2000, в.З, стр. 61-66

236. Martineiii R.U. and Fisher D.G. The application of semiconductors with negative electron affinity surfaces to electron emission devices, Proc. IEEE, 1974, v.62, pp. 1339-1360.

237. Долгошеин Б.А., Лебеденко B.H., Родионов Б.У. Некоторые методы регистрации треков частиц в жидкостях. Элементарные частицы и космические лучи, 1973, в.2, стр. 86-91.

238. Долгошеин Б.А., Круглов A.A., Лебеденко В.Н., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У. Электронный метод регистрации частиц в двух-фазных системах жидкость-газ, Физика элементарных частиг} и атомного ядра, 1973, в.4, стр. 167186.

239. Анисимов С.Н., Болоздыня А.И., Егоров В.В., Стеханов В.Н. Использование криптон-метановых смесей в эмиссионных детекторах с газовым усилением, Препринт ИТЭФ-86-104, Москва: ИТЭФ, 1986. 8стр.

240. Anderson D. F., Charpak G., Holroyd R. A. and Lamb D. C. Liquid ionization chambers with electron extraction and multiplication in the gaseous phase, Nucí. Instrum. Meth. A , 1987, v.261, pp. 445-448.

241. Bondar A., Buzulutskov A., Shekhtman L., Snopkov R. and Tikhonov Yu. (2004). Cryogenic avalanche detectors based on gas electron multipliers, Nucl. Instrum. Meth. A, 2004, v.524, pp.130-141.

242. Абрамов A.B., Долгошеин Б.А., Круглов A.A., Родионов Б.У. Электростатическая эмиссия свободных электронов из твердого ксенона, Письма вЖЭТФ, 1975, т.21, стр. 82-85.

243. Lansiart A., Seigneur A., Moretti J.-L. and Morucci J. P. Development research on a highly luminous condensed xenon scintillator, Nucl. Instrum. Meth., 1976, v.135, pp. 47-52.

244. Aprile E., Giboni K. L., Majewski P., Ni K. and Yamashita M. Proportional light in a dual-phase xenon chamber, IEEE Trans. Nucl. Sci., 2004, v.51, pp. 19861990.

245. Egorov, V. V., Miroshnichenko, V. P., Rodionov, В. U., Bolozdynya, A. I., Kalashnikov, S. D. and Krivoshein, V. L. Electroluminescence emission gamma-camera, Nucl. Instrum. Meth. 1983, v.205, pp. 373-374.

246. Калашников С. Д. Физические основы конструирования сцинтилляционных гамма камер, Москва: Энергоатомиздат, 1985. 120 стр.

247. Гущин Е.М., Круглов А.А., Ободовский И.М. Динамика электронов в конденсированном аргоне и ксеноне, ЖЭТФ, 1982, т. 82, стр. 1114-1125.

248. Shutt Т., Dahl С. Е., Kwong J„ Bolozdynya A. and Brusov P. Performance and Fundamental Processes at Low Energy in a Two-Phase Liquid Xenon Dark Matter Detector, Nucl. Instrum. Meth. A, 2007, v.579, pp. 451-453.

249. Afonasiev V.N., Barmin V.V., Burenkov A.A. et al. Phys. Atomic Nuclei, 2003, v.66, pp.500-502.

250. Amerio S., Amoruso S., Antonello M., Aprili P., Armenante M., Arneodo F., Badertscher A., Baiboussinov В., Baldo-Ceolin M., Battistoni Ст., Bekman В., Benetti P., Bernardini E., Bischofberger M., Borio di Tigliole A., Brunetti R., Bruzzese R.,

251. Bueno A., Calligarich E., Campanelli M. (ICARUS collaboration)). Design, construction and tests of the ICARUS T600 detector, Nucl. Instr. Meth. A, 2004, v.527, pp. 329-410.

252. Smith N.J.T. Nucl Instr. Meth. A, 2003, v.513, pp.215-221.

253. Crawford H.J., Doke T., Hitachi A., Kikuchi J., Lindstrom P.J., Masuda K., Nagamiya S. and Shibamura E. Nucl. Instr. Meth. A, 1987, v.256, pp.47-54.

254. Masuda K., Shibamura E., Doke T., Hitachi A., Kikuchi J. Phys. Rev. A, 1989, v.39, pp.4732-4734.

255. Conti E. et al Correlated fluctuations between luminescence and ionization in liquid xenon, Phys. Rev. B, 2003, v.68, 054201.

256. Doke T., Hitachi A., Kikuchi J., Masuda K., Okada H., Shibamura E. Jpn. J. Appl. Phys., 2002, v.41, pp.1538-1545.

257. Hitachi A., Ichinose H., Kikuchi J., Doke T., Masuda K., Shibamura E. Phys. Rev. B, 1997, v.55, pp.5742-5748.

258. Ichinose H., Doke T., Hitachi A., Kikuchi J., Masuda K., Shibamura E. Nucl. Instr. Meth. A, 1992, v.322, pp.216-224.

259. Rubbia C. The Liquid-argon time projection chamber: a new concept for Neutrino Detector, CERN Report CERN-EP/77-08. 1977.

260. Aprile E., Curioni A., Giboni K.-L., Oberlack U., Ventura S., IEEE Trans. Nucl Sci, 2001, v.48, pp. 1299-1305.

261. Takizawa M. Evolution of hard X-ray radiation from clusters of galaxies: Bremsstrahlung or inverse Compton scattering, Publ. Astr. Soc. Jap. 2002, v.54, pp.363-371.

262. Aprile E. (XENON Collab), The XENON dark matter search: status of XENONIO, Journal of Physics: Conference Series, 2006, v.39, i.l, May 01, pp. 107110.

263. Kwong J., Brusov P., Shutt T., Dahl C.E., Bolozdynya A.I., Bradley A. Scintillation Pulse Shape Discrimination in a Two-Phase Xenon Time Projection Chamber, Nucl. Instrum. Meth. A, 2010, v.612, pp. 328-333.

264. Alner G.J., Araujo H.M., Bewick A. et al. Astropart Phys., 2007, v.28, pp.287.

265. Hitachi A. and Takahashi T. Effect of ionization density on the time dependence of luminescence from liquid argon and xenon, Phys. Rev. B, 1983, v.27, pp. 5279-5285.

266. Benetti P., Acciarri R., Adamo F., Baibussinov B., Baldo-Ceolin M., Belluco M., Calaprice F., Calligarich E., Cambiaghi M., Carbonara F., Cavanna F., Centro S.,

267. Schnee R. W., Akerib D. S., Attisha M. J., Bailey C. N., Baudis L. et al. The SuperCDMS experiment, Preprint arXiv:astro-ph/0502435 vl, 21 Februaiy 2005.

268. Hitachi A., Yunoki A., Doke T. and Takahashi T. Scintillation and ionization yield for a particles and fission fragments in liquid argon, Phys. Rev. A, 1987, v.35, pp.3956-3958.

269. Shutt T., Dahl С E., Kwong J., Bolozdynya A. and Brusov P. Performance and fundamental processes at low energy in a two-phase liquid xenon dark matter detector, Nuclear Physics B; Proceedings Supplement, 2007, v. 173, pp. 160-163.

270. Yamashita M., Doke T., Kawasaki K., Kikuchi J., Suzuki S. Scintillation response of liquid Xe surrounded by PTFE reflector, Nucl. Instr. Meth. A, 2004, v.535, pp.692-698

271. Барабаш A.C. и Болоздыня А.И. Как зарегистрировать темную материю во Вселенной, если её составляют слабовзаимодействующие чакстицы с массами 110 ГэВ/с2, Письма в ЖЭТФ, 1989, т.49, вып.6, стр. 314-317.

272. Ellis J., Olive K.A., Santoso Y. and Spanos V.C. // Phys Rev D. 2005. V.71. P.095007.

273. Angle J., Aprile E., Arneodo F., Baudis L., Bernstein A., Bolozdynya A., Coelho L., Dahl E., Deviveiros L., Ferella A., Fernandes L., Fiorucci S., Gaitskell R J., Giboni K-L., Gomez R., Hasty R., Kwong J., Lopes J. A. M., Madden N., Manalaysay

274. A., Manzur A., Mckinsey D., Monzani M E., Ni K., Oberlack U., Orboeck J., Plante G., Santos J., Shagin P., Shutt T., Sorensen P., Winant C., Yamashita M. Constrains on inelastic dark matter from XENONIO, Phys. Rev. D, 2009, v. 80, 115005

275. Aprile, E. and Baudis L. for XENONIOO collaboration. Status and Sensitivity Projections for the XENONIOO Dark Matter Experiment, e-print arXiv:0902, 4253, 2008. 10р.

276. Bolozdyya A. I., Brusov P. P., Shutt T., Dahl C. E., Kwong J. A chromatographic system for removal of radioactive 85Kr from xenon, Nucl Instr. Meth. A, 2007, v.579, pp. 50-53.

277. Bolozdynya A., Bradley A., Bryan S„ Clark K., Dahl C.E., Kwong J., Mock J., Phelps P., Shutt T., Usowitch M. Cryogenics for the LUX detector, IEEE Trans. Nucl. Sci., 2009, v.56, pp. 2309-2312.

278. McKinsey D.N. (LUX Collaboration). The LUX dark matter search, J. Phys. Conf. Ser., 2010, v.203, 012026. 3pp.

279. Monroe J. and Fisher P. Neutrino backgrounds to dark matter searches, Phys. Rev. D, 2007, v.76; 033007, 5p.

280. Beacom J.F. and Vogel P. Neutrino magnetic moments, flavor mixing, and the SuperKamiokande solar data, Phys. Rev. Lett., 1999, v.83, pp.5222-5224.

281. Cline, D. and Hong, W. (1992). A liquid argon or xenon detector to observe a neutrino magnetic moment of ¡uv ~10"H ¡jb, Int. J. Mod. Phys. A, 7, pp. 4167-4173.

282. Beda A. G., Brudanin V. В., Egorov V. G., Medvedev D. V., Pogosov V. S., Shirchenko M. V., Starostin A. S. Upper limit on the neutrino magnetic moment from three years of data from the GEMMA spectrometer, e-print arXiv.org: 1005.2736v2, 9 Oct 2010.

283. Drukier A. and Stodolsky L. Principles and applications of a neutrl-current detector for neutrino physics and astronomy, Phys. Rev. D, 1984, v.30, pp.2295-2309.

284. Hagmann C. and Bernstein A. Two-phase emission detector for measuring coherent neutrino-nucleus scattering, IEEE Trans. Nucl. Sci, 2004, v. 51, pp. 21512155.

285. Staudt A., Muto K., IClapdor-Kleingrouthaus H.V. Phys. Lett. B, 1991. v.268, pp.312308. Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. О возможности изучения природы массынейтрино в двойном бета-распаде, Письма в ЖЭТФ, 1981, т.34, стр. 148-153.

286. Kaufmann L. and Rubbia A. The ArDM project: a Direct Detection Experiment, based on Liquid Argon, for the Search of Dark Matter, Nucl. Phys. В -Proc. Suppl, 2007, v.173, pp. 141-143.

287. Мое M.K. Detection neutrinoless double-beta decay, Phys. Rev. C, 1991, v.44, pp.R931-934.

288. Johns H.E., Festner A., Plewes D„ Boag J.W., and Jeffery P.N. Br. J. Radiol., 1974, v.47, pp.519-529.

289. Дубровин С.А., Ключ В.Е., Новикова А.Ф., Шишканов Н.Г. 10-й Всесоюзнаый съезд рентгенологов и радиологов, Ереван, 22-25 ноября 1977, М., 1977, стр 572-575.

290. Drost D.J. and Fenster A.S. A xenon ionization detector for digital radiography, Med. Phys., 1982, v.9(2), pp.224-230.

291. Drost DJ. and Fenster A.S. A xenon ionization detector for scanned projection radiography: 95-channel prototype evaluation, Med. Phys. , 1984, v.l 1(5), pp.602-609.

292. Zimmerman R.E., Holman B.L., Fahey F.H., Lanza R.C., Cheng C., and Treves S. Cardiac imaging with a high pressure low dead time multiwire propoitional chamber, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1981, v.28, pp.55-56.

293. Ott R.J., Flower M.A., Babich J.W. and Maisden P.K. in The Physics of Medical Imaging, Ed. S. Webb,. The Institute of Physics, London, 1992, pp. 142-318.

294. Sauli F. Recent developments and applications of fast position-sensitive gas detectors, Nucl. Instr. Meth. A, 1999, v.422, pp.257-262.

295. Bolozdynya A.I., Morgunov V.L. A Multi-layer Electroluminescence Camera, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1998, v.45, n.3, pp.1646-1655.

296. Bolozdynya A.I., Ordonez C.E. and Chang W. A concept of cylindrical Compton camera for SPECT, 1997 IEEE Nucl. Sci. Sym Med. Imag. Conf. Rec., v.2, 1977, pp. 1047-1051.

297. Zaklad H., Derenzo S.E., Muller R.A., Smadja G., Smith R.G., Alvarez L.W. IEEE Trans. Nucl. Sci. , 1972, v. 19, pp.429-431.

298. Zaklad H., Derenzo S.E., Muller R.A., Smith R.G. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1974, v.20, pp.362-367.

299. Todd R.W., Everett D.B. and Nightingale J.M. A proposed у camera, Nature, 1974, v.251, pp.132-134.

300. Singh M. and Doria D. Gamma-ray imaging with Compton cameras, Med. Phys., 1983, v. 10, pp.427-435.

301. Ordonez C.E., Bolozdynya A.I., and Chang W. Doppler broadening of energy spectra in Compton scatter cameras, 1997 IEEE Nucl. Sci. Sym Med. Imag. Conf. Rec., v.2, pp. 1361-1365.

302. Rogers L., Clinthrone N., and Bolozdynya A. Compton Cameras, In ''Emission Tomography: The Fundamentals of PET and SPECT. Eds. M.N.Wemick and J.N.Aarsvold. New York: Academic Press", 2004, pp.383-420.

303. Bolozdynya A. Noble Gas Detectors, In "Emission Tomography: The Fundamentals of PET and SPECT. Eds. M.N.Wernick and J.N.Aarsvold. New York: Academic Press", 2004, pp.359-382.

304. Ordonez C.E., Bolozdynya A.I., and Chang W. Dependence of angular uncertainties on the energy resolution of Compton cameras, 1997 IEEE Nucl. Sci. Sym Med. Imag. Conf. Rec., v.2, pp. 1122-1125.

305. Chepel V.Yu. Position sensitive detectors, of low energy gamma quanta, Instr. Exp. Tech., 1990, v.33, pp. 497-521.

306. Doke T., Nishikido F., Kikuchi J. Time-of-flight positron emission tomography using liquid xenon scintillation, Nucl. Instr. Meth. A, 2006, v.569, pp.863-871.

307. Bateman J.E., Connolly J.F., Stephenson R, Tappern G.J., and Fleshner A.C. Nucl. Instr. Meth., 1984, v.225, pp.209-231.

308. Townsend D., Frey P., Donath A., Clark R., Schorr B., and Jeavons A. Nucl. Instr. Meth., 1984, v.221, pp.105-112.

309. Lacy J.L., Martin S., Armendarez L.P. High sensitivity, low cost PET using lead-walled straw detectors, Nucl. lustrum. Meth., 2001, v.471, pp.88-93.

310. Chepel V.Yu. A new liquid xenon scintillation detector for positron emission tomography, Nucl. Tracks Rad. Meas., 1993, v.21, pp.47-51.

311. Lavoie L. Liquid xenon scintillators for imaging of positron emitters, Medical Physics, 1976, v.3, pp.283-293.

312. Colot J., Jan S., Taumefier E.A liquid xenon PET camera for neuron-science, Proc. IX Int. Conf. Calorimetry Particle Physics Annecy 2000, vol.21, 2001, p.305

313. Jan S., Collot J., Gallin-Martel M.-L., Martin P., Mayet F., Tounefeir E. A GEANT4 Monte Carlo simulations package for positron emission tomography, IEEE Trans. Nucl. Sei., 2005, v.52, pp. 102-206.

314. Mihara S. R&D work on a liquid-xenon photon detector for MEG experiment at PSI, Nucl. Instr. Meth. A, 2004, v.518, pp.45-48.