авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОНА В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ПОИСКУ ДВОЙНОГО БЕЗНЕЙТРИННОГО БЕТА РАСПАДА 76Ge ОТ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕСТЕСТВЕННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ ОБРАЗОВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ 74As, 68Ge, 65Zn И 60Co ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПРОТОНОВ ВЫСОКИХ

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Киановский Станислав Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОНА В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ПОИСКУ ДВОЙНОГО БЕЗНЕЙТРИННОГО БЕТА РАСПАДА 76Ge ОТ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕСТЕСТВЕННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ ОБРАЗОВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ 74As, 68Ge, 65Zn И 60Co ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПРОТОНОВ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

01.04.16. – физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата
физико-математических наук

Москва 2010

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

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук И.Р. Барабанов (ИЯИ РАН)
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук кандидат физико-математических наук Н. М. Соболевский (ИЯИ РАН) Д. Ю. Акимов (ИТЭФ)
Ведущая организация: Объединенный Институт Ядерных Исследований, г. Дубна

Защита диссертации состоится «___» _____________ 2011 г.

в «____» часов на заседании диссертационного совета Д 002.119.01

Учреждения Российской академии наук Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312, г. Москва, проспект 60-летия Октября, д.7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН.

Автореферат разослан «___»_______________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ИЯИ РАН,

кандидат физико-математических наук Б.А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Одним из фундаментальных физических открытий последних лет является открытие нейтринных осцилляций. Из существования нейтринных осцилляций следует наличие отличной от нуля массы нейтрино по крайней мере у двух типов нейтрино, а скорее всего у всех трех. В связи с этим встает вопрос о природе этой массы – майорановская или дираковская и ее величине. Анализ всех имеющихся нейтринных данных показывает, что наиболее вероятное значение массы электронного нейтрино находится в области нескольких мэВ. Единственной возможностью исследовать эту область масс является поиск двойного безнейтринного бета-распада. Эта задача является одной из основных задач экспериментальной нейтринной физики низких энергий. Современные экспериментальные данные за исключением одной работы [1] дают для нейтринной массы только верхние пределы, и общепринятая точка зрения состоит в том, что для решения вопроса необходимы новые эксперименты с более высокой чувствительностью. Однако, учитывая специфику связи экспериментально полученных данных с получаемым пределом для массы нейтрино, это возможно только в случае существенного снижения уровня фона на 2-3 порядка. В связи с этим детальный анализ фона и методов его снижения является одной из центральных задач подготовки экспериментов нового поколения. Одним из наиболее трудно устранимых источников фона в детекторах нового поколения является активация материалов детектора под действием космических лучей. Сделанные в настоящее время оценки основаны на различных ядерно-физических моделях и не обладают достаточной степенью надежности. В настоящей работе получены экспериментальные данные по сечениям образования радиоактивных изотопов в материале германия под действием высокоэнергичных частиц, что позволяет получить более корректные оценки. Другой важной проблемой является учет фона, связанного с радиоактивностью от окружающих детектор материалов с примесью естественных радиоактивных элементов при большой толщине пассивной защиты (больше 10 пробегов гамма кванта). В работе найден метод модификации стандартного пакета Geant4, позволяющего сделать точный расчет этого источника фона при разумных затратах времени вычислении. Полученные результаты являются основой для проектирования экспериментов нового поколения по поиску двойного безнейтринного бета-распада 76Ge.



Основные результаты, представленные к защите

  1. Получены впервые результаты измерений сечений образования радиоактивных изотопов 74As, 71As, 69Ge, 68Ge, 65Zn и 60Co под действием протонов с энергией 100 МэВ в германии естественного и обогащенного по изотопу 76Ge состава.
  2. Расчет скорости образования 68Ge и 60Co на уровне моря на основе экспериментальных данных.
  3. Расчет фона от распадов образовавшихся радионуклидов в экспериментах нового поколения по поиску 20-распада в германиевых детекторах естественного и обогащенного 76Ge состава.
  4. Расчет скорости образования 74As, 68Ge, 68Ga и 60Co на различных глубинах под землей под действием космического излучения на основе полученных экспериментальных данных по сечениям их образования.
  5. Расчет фона в подземных лабораториях в экспериментах нового поколения по поиску 20-распада в германиевых детекторах естественного и обогащенного 76Ge состава от распадов образовавшихся под действием коcмических лучей радионуклидов.
  6. Метод и результаты расчета фона от распадов естественных радионуклидов в материале криостата и окружающей горной породе (эксперимент GERDA).
  7. Результаты расчета энергетических спектров от распадов урана, тория и их радиоактивных рядов в германиевых детекторах и полученные значения допустимого содержания урана и тория для получения индекса фона 10-3 отс/(кг.год.кэВ).

Научная новизна

  1. Впервые измерено сечение образования ряда радиоактивных изотопов под действием протонов с энергией 100 МэВ в обогащенном 76Ge германии.
  2. Впервые рассчитана скорость образования 68Ge и 60Co на уровне моря на основании экспериментальных данных.
  3. Разработан метод расчета транспорта гамма-излучения на расстояние более 10ти пробегов и рассчитан фон от распадов естественных радиоактивных изотопов в материале криостата и окружающей горной породе (эксперимент GERDA).

Цель работы

Экспериментальное измерение сечений образования радиоактивных изотопов под действием протонов с энергией 100 МэВ в германии естественного и обогащенного по изотопу 76Ge состава и расчет фоновых эффектов в экспериментах нового поколения по поиску 20-распада 76Ge от космического излучения и внутренних и внешних радиоактивных источников.

Аппробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и представлялись на научных конференциях Neutrino 2006, рабочих встречах коллаборации GERDA, семинарах ИЯИ и конференция МФТИ.

Публикации

Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 7 публикациях, в т. ч. В 4 публикациях в ведущих научных журналах перечня Высшей аттестационной коммиссии.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 98 страниц, 42 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 39 названий.

Личный вклад диссертанта

При непосредственном участии Автора был разработан и проведен на ускорителе ИЯИ РАН эксперимент по измерению сечения образования радионуклидов в натуральном и обогащенном германии протонами с энергией 100 МэВ. На основании полученных экспериментальных данных, Автором были рассчитаны скорости образования космическими лучами радионуклидов в германии на уровне моря, а также в подземных лабораториях, и был вычислен фон, возникающий при их распадах. Автором был разработан метод ускорения Монте-Карло расчетов фона от внешних источников в эксперименте GERDA. На основании данного метода была создана программа на базе библиотеки Geant4, с помощью которой был проведен расчет фона от криостата установки GERDA, горной породы, а также получены профили дополнительной медной защиты для заданных коэффициентов ослабления. Автором был также выполнен расчет внутреннего фона германиевых детекторов от рядов 238U и 232Th, и было найдено их предельное содержание для обеспечения заданного уровня фона.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показывается, что поиск двойного безнейтринного бета-распада является одной из центральных задач современной экспериментальной физики.

В первой главе рассматривается современная экспериментальная ситуация по двойному бета-распаду. Даются основы теории двойного бета-распада. Рассматриваются основные схемы экспериментов. Показывается, что получение высокой чувствительности экспериментов невозможно без существенного снижения уровня фона. Дается обзор экспериментов по поиску 20-распада, как завершенных, так и планируемых.

Во второй главе дается обзор эксперимента по поиску 20-распада GERDA. Рассматриваются основные источники фона. Дается описание методов ускорения Монте-Карло расчетов для больших толщин вещества.

Основным источником внешнего фона являются гамма-кванты с энергией 2.615 МэВ от распадов 208Tl. Так как жидкий газ (азот или аргон) можно подвергнуть очень глубокой очистке, то основным источником фона являются стенки криостата (рис. 1).

Средний пробег гамма-кванта с энергией 2.615 МэВ в жидком аргоне составляет 21.2 см. Таким образом, расстояние от стенок криостата до детекторов составляет порядка 10 средних длин пробега гамма-кванта. Поэтому для выполнения расчетов обычным способом требуется значительное время (несколько десятков суток для цилиндрической части и до нескольких сотен суток для верхней и нижней крышек) для набора приемлемой статистики. Для ускорения расчетом был использован принцип дискриминации гамма-квантов по энергии.

Суть метода в том, что из всех гамма-квантов отбираются только те, которые могут дать событие в области 20-распада. Использовались следующие методы:

1. Дискриминация по энергии. При движении гамма-кванта через криогенную жидкость, его энергия контролировалась на каждом шаге, и при достижении порога треккинг данного гамма-кванта прекращался. В большинстве случаев, для того чтобы гамма-квант потерял всю энергию, требуется около 15 столкновений, а для того, чтобы его энергия упала ниже порога (1.8 МэВ) обычно требуется не больше 4х столкновений. Поэтому данный метод позволил поднять производительность программы 5-9 раз.

2. Дискриминация по углу. Она основана на том, что потери энергии при комптоновском рассеянии зависят от угла рассеяния. Идея данного метода состоит в том, что события с энергией выше заданного порога создаются практически исключительно гамма-квантами излученными внутри некоторого телесного угла.

Энергия гамма-кванта, после единичного акта комптоновского рассеяния выражается следующей формулой:

Отсюда можно найти, что для того чтобы в результате однократного рассеяния энергия гамма-кванта не снизилась до минимально заданной величины (Emin) угол рассеяния не должен быть больше чем:


Монте-Карло моделирование показывает, что гамма-кванты испущенные вне конуса с данным углом при вершине имеют очень низкую вероятность (на 4 порядка меньше по сравнению с гамма-квантами вылетающими из указанного конуса) дать событие с энергией более Emin, поэтому ими можно пренебречь. Т. е. генерируя гамма-кванты, вылетающие внутри данного конуса, мы получим практически такое же число событий, как если бы мы генерировали гамма-кванты сферически равномерно. При этом число событий, необходимых для такого расчета уменьшиться в 1/(1 ­– cos) раз.

3. Динамическая угловая дискриминация. Подобный метод применяется в каждой точке взаимодействия гамма-кванта в процессе прохождения через жидкий газ. Эффект от данного метода в значительной мере перекрывается дискриминацией по энергии. Тем не менее, метод поднимает скорость счета программы примерно на 50 %.

Общий эффект от применения данных методов – ускорение расчетов в 50-150 раз (в зависимости от степени приближения) по сравнению с прямым расчетом. Применение данных методов позволило выполнить расчет фона стального криостата с жидким аргоном на обычном персональном компьютере за приемлемое время (около суток) с хорошей статистической точностью.





Описаны результаты расчетов фона медного и стального криостатов заполненных жидким азотом или аргоном. Показано, что фон стального криостата (210-3 (кгкэвгод)-1) превышает допустимый индекс фона для первой фазы эксперимента GERDA (10-4 (кгкэвгод)-1) и для его снижения необходимо использовать дополнительную медную защиту.

Расчет профиля дополнительной медной защиты был проведен на основе полученной методом Монте-Карло плотности распределения фоновых событий по высоте криостата (рис. 2). При оптимальном профиле форма плотности распределения имеет горизонтальный участок.

Далее расчет выполнялся аналитическим методом, используя эмпирические значения коэффициентов поглощения в меди и аргоне.

Расчет фона от горной породы производился полуаналитическим методом. Для толщин вплоть до 10 пробегов расчет был выполнен методом МонтеКарло, как описано выше. Далее было показано, что такой же фактор ослабления фона может быть получен методом прямого интегрирования при коэффициенте поглощения от 0,85 табличного значения для узкого пучка для энергии 2600 кэВ (µтаб= 0,038 см2/г). С учетом этого фактор ослабления фона для толщин больше 10 пробегов расчет был выполнен методом прямого интегрирования с выше указанным коэффициентом поглощения (µ = 0,032 см2/г).

Были описаны различные методы активного подавления фона. Для наиболее простого метода – схемы антисовпадений – получены данные о коэффициенте подавления фона для 9 и 27 германиевых детекторов. Показано, что фон от линии 2.615 МэВ с помощью данного метода может быть снижен не менее чем на 30%.

Описан метод расчета фона от распадов радионуклидов, содержащихся в германиевых кристаллах. Для выполнения таких расчетов использовался специальный генератор событий, который генерировал частицы в соответствии со схемами распада конкретного ядра. Для каждого рассматриваемого ядра формировался набор данных включающий в себя:

  1. Моды распада данного ядра.
  2. Для каждой моды распада приводился набор уровней возбуждения дочернего ядра с вероятностями занять их при распаде и энергиями соответствующих распадов.
  3. Для каждого дочернего ядра приводилась схема уровней с вероятностями перехода на нижележащие уровни и энергиями излучаемых гамма-квантов.

Генератор работал по следующему алгоритму:

1. Выбирается мода распада в соответствии с заданными вероятностями.
2. Выбирается уровень возбуждения дочернего ядра, и соответственно энергия распада.

3. В соответствии с модой и энергией распада генерировалась излучаемая частица. В случае бета-распада энергия электрона или позитрона генерировалась согласно распределению Ферми:


где Te – кинетическая энергия электрона, Qd – энергия распада,
F(Te,Z) – функция Ферми.

4. Для дочернего ядра моделировался процесс снятия возбуждения. На каждом шаге данного процесса выполнялись следующие действия:
1) В соответствии с заданными вероятностями выбирался нижележащий уровень, на который совершался переход.

2) Излучался гамма-квант с энергией соответствующей данному переходу.
Процесс повторялся до тех пор, пока ядро не окажется на нулевом уровне. Сгенерированные частицы затем прогонялись через кристалл и давали в нем некоторое событие. Из получающегося спектра находилась вероятность фонового события в диапазоне 2034-2044 кэВ.

Результаты данного расчета были использованы в дальнейшем для вычисления фона возникшего в результате активации германия на уровне моря и в подземной лаборатории. Кроме того, были вычислены предельные содержания 238U и 232Th в германиевых детекторах.

В третьей главе дается описание эксперимента по измерению сечений образования радионуклидов в германии под действием протонов с энергией 100 МэВ. Эксперимент состоял из трех частей:

1. Ускорительная часть. Облучение мишени из исследуемого материала (натурального и обогащенного германия) пучком протонов.

2. Измерительная часть. Измерение спектра гамма-квантов излучаемых изотопами, образовавшимися в мишени в процессе облучения.

3. Вычислительная часть. Расчет по полученным данным сечений.

Облучение мишени пучком протонов производилось на установке для производства радионуклидов ускорителя ИЯИ РАН, которая установлена на отводе пучка от основного канала. Исследуемая мишень из германия вместе с алюминиевой пластинкой, служащей монитором тока пучка устанавливалась в качестве поглотителя пучка высокой энергии. Было проведено два сеанса облучения. В первом сеансе использовалась мишень, изготовленная из металлического германия природного изотопного состава, во втором – обогащенного (87%) изотопом 76Ge.

Измерение гамма-спектров монитора и мишени производилось на полупроводниковом детекторе фирмы ORTEC, модель GEM 10P с вертикальным расположением. Разрешение детектора 800 эВ на линии 122 кэВ и 1750 эВ на линии 1.33 МэВ.

Для измерения спектров мишени и монитора первого сеанса применялся также сцинтилляционный спектрометр на кристалле NaI(Tl) в виде цилиндра диаметром 200 и высотой 200 мм. В центре кристалла просверлено отверстие диаметром 10 и глубиной 100 мм, в которое помещается исследуемый источник. Такая конструкция обеспечивает геометрию близкую к 4 и высокую эффективность. При этом для каждого распада спектрометр будет регистрировать все образовавшиеся гамма-кванты. Поэтому некоторые пики в спектре будут являться суммой нескольких линий. Спектр алюминиевого монитора показан на рис. 3.

Большинство изотопов, которые образуются при облучении алюминия протонами, имеют либо короткие, либо очень длинные периоды полураспада. По истечению нескольких суток гамма-спектр алюминия состоит практически исключительно из линий изотопа 22Na имеющий период полураспада 2.6019 лет. Изотоп 22Na распадается по каналам электронного захвата и + распада и дает гамма-квант с энергией 1274.53 кэВ. С учетом позитрона, спектрометр зафиксирует 5 пиков: 511, 1022, 1274.53, 1785.53 и 2296.53 кэВ. Эти линии были использованы для калибровки дискретизатора спектрометра. Разрешение спектрометра измерялось по ширине пика 2296.53 кэВ, которая на половине высоты составила 112 кэВ. Энергетическое разрешение на данной энергии получается равным 4.88%, а на энергии 662 кэВ – 9.09%. Интенсивность распада 74As определялась по линии 1.62 МэВ (рис. 4). Линия 2.1 МэВ (1077.34 кэВ () + 1022 кэВ (e+)) принадлежит 68Ga, который является продуктом распада 68Ge. Интенсивность распада 22Na в мониторе определялась по пику 2296.53 кэВ (1274.53 кэВ () + 1022 кэВ (e+)).

Таблица 2. Результаты эксперимента



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.