3 Галлий-германиевый нейтринный телескоп

3 Галлий-германиевый нейтринный телескоп
3.1 Баксанский галлиевый эксперимент
В соответствии с программой ежемесячных измерений потока солнечных нейтрино в
2012 году выполнено 12 извлечений на ГГНТ. Все извлечения установлены на измерения.
Проведен первичный анализ данных 12 извлечений. Завершены измерения 7 извлечений,
предварительный объединенный анализ данных 7 измерений 2012 года дает величину
скорости захвата 69.7 +14.1/-13.1 (SNU).
За 23-летний период наблюдений с января 1990 года по август 2012 года в
эксперименте SAGE выполнено 220 измерений скорости захвата солнечных нейтрино (414
отдельных наборов данных). Это самый длительный период измерений среди всех
действующих солнечных нейтринных экспериментов.
В энергетических диапазонах отобрано 4557 событий, из которых 1229 отнесено
временным анализом к 71Ge.
Объединенный анализ данных измерений за 23-летний период измерений скорости
захвата нейтрино с энергией выше 233 кэВ на
71
Ga дает величину 64.8 +/-2.4(стат) +2.6/-
2.8(сист) SNU или 64.8 +3.5/-3.7 SNU (солнечных нейтринных единиц). Суммарная ошибка
результата составляет 5.6%.
Рисунок 1 - Результаты измерений, объединенных по годам; заштрихованная область
соответствует объединенному результату SAGE 64.8 +/-2.4(стат) SNU. Вертикальные линии
в каждой точке соответствуют статистической ошибке 68%, горизонтальные – временному
интервалу объединенного анализа измерений.
С использованием результатов других солнечных нейтринных экспериментов на
основе результатов SAGE вычисленна
величина потока солнечных рр нейтрино,
36
приходящих на Землю нейтрино, 3.38×1010/(см2с) [2], которая хорошо согласуется с MSWLMA решением солнечных нейтринных осцилляций
Рисунок 2 - Вероятности выживания солнечных νe, вычисленные по результатам солнечных
нейтринных экспериментов, ожидаемые вероятности с учетом MSW эффекта, спектр
солнечных нейтрино для солнечной модели BS05 (Бакал-Серенелли (2005))
Галлий-германиевый нейтринный телескоп Баксанской нейтринной обсерватории в
настоящее время является единственным в мире телескопом, обеспечивающим измерение
скорости фундаментальной протон-протонной (pp) реакции термоядерного синтеза в Солнце,
в которой генерируется подавляющая часть солнечной энергии, а также рождается
подавляющая часть нейтринного потока.
Регистрация pp нейтрино является прямым
мониторингом и проверкой состояния светимости Солнца, pp нейтрино могут обеспечить
нам более точную низкоэнергетическую нормировку для калибровки MSW эффекта,
проявляющегося в Солнце с ростом энергии нейтрино [4].
3.2 Модернизация телескопа с целью повышения его чувствительности
В результате оптимизации ICP-OES метода анализа германия по времени распыления
образца и количества реплик в одном измерении и перехода на весовой метод приготовления
стандартных растворов и образцов для анализа лигатуры более чем в два раза повышена
точность измерений содержания германия в растворе.
В 2012 году выполнена значительная часть подготовительных работ для перехода на
новую технологическую схему извлечения германия из галлиевой мишени - на
технологическую схему со сбором конденсата.
Проведены технологические испытания новой системы улавливания германия из
газового потока на насыпной колонке. Насыпная колонка по своим свойствам отличается от
тарельчатой, для определения оптимального режима работы колонки было осуществлено ряд
37
тестовых
и
калибровочных
отдувок.
После
установления
оптимального
режима
(используемого в настоящее время) эффективность отдувки с использованием насыпной
колонки составила не менее 98%.
Для повышения чувствительности ГГНТ в рамках работ по увеличению массы
мишени ГГНТ проведена регенерация 1248.8 кг экстракционных растворов. Выход
металлического чернового галлия составил 97.4%, что составляет 1216.367 кг, которые
находятся в настоящее время в стадии дальнейшей обработки и включения в активную часть
мишени ГГНТ.
3.3 Калибровочный эксперимент с искусственным источником нейтрино на
основе радионуклида 51Cr на двухзонной галлиевой мишени
3.3.1 Искусственный источник нейтрино и двухзонный галлиевый реактор
В Институте молекулярной физики Национального исследовательского центра
«Курчатовский институт» проведено совещание, на котором были рассмотрены и
согласованы основные положения совместного “Предложения нового эксперимента с
искусственным источником нейтрино 51Cr активностью 3 МКи”. С ОАО «ГНЦ НИИАР»
уточнены расчетные характеристики облучения хромовой мишени в реакторе СМ-3.
Совместно с ОАО «Композит» и ОАО «Полема» разработаны основные технические
требования к опытной установке для изготовления мишени из обогащенного хромa.
Предложена следующая схема получения мишеней из обогащенного хрома 50 состоит
из следующих операций:
- Получение электролитического хрома (ЭХ).
- Рафинирование ЭХ в печи.
- Размол в дезинтеграторе.
- Набивка порошка в капсулу из нержавеющей стали
- Газостатическое прессование
- Снятие оболочки капсулы и механическая обработка для получения мишеней
необходимой геометрии.
Электрохимический хром получается электрохимическим осаждением на катодах
металлического хрома из электролита, представляющего собой водный раствор хромовой
кислоты.
Технологический процесс рафинирования хрома основан на реакции взаимодействия
кислорода, содержащегося в хроме, с водородом при высокой температуре. Т.к. процесс
имеет лимитирующую стадию - диффузию кислорода в хроме к поверхности под действием
разности концентраций, то необходимо обеспечивать не только высокую подвижность
38
кислорода, высокое парциальное давление продуктов реакции, но и постоянный газообмен у
поверхности чешуйки. При термическом рафинировании в токе водорода наряду с
удалением газовых и газообразующих элементов уменьшается содержание легкоплавких
металлических примесей.
При производстве порошка из ЭРХ последний подвергают многократному размолу на
дезинтеграторах. Для снижения содержания натертого железа и некоторых других примесей
используется химическая обработка порошка, состоящая в отмывке хрома в горячей 5-10%
азотной кислоте с декантацией, которая наряду с отсевом фракции менее 40 мкм удаляет
мелкие инородные включения.
Для изготовления мишеней из рафинированного хрома используются различные
методы порошковой металлургии, позволяющие максимально сохранить чистоту исходного
металла в процессе изготовления. Основным методом производства изделий из хромового
порошка является газоизостатическое прессование (ГИП). Для проведения ГИП стальную
капсулу плотно набивают трамбовкой и заваривают. Окончательную заварку проводят у
исполнителя на установке электронно-лучевой сварки. При этом происходит удаление
адсорбированных газов и воды из хрома. Капсулу ГИПрессуют при 1200 ºС и давлении
около 1300 атм. Хром компактируется и после остывания направляется на механическую
обработку.
Для
измерения
калориметрическим
активности
методом
источника
разработаны
нейтрино
гидравлическая
на
и
основе
хрома-51
электрическая
схемы
калориметрической установки. Принцип измерения заключается в полном поглощении в
измерительной ячейке калориметра выделяемого источником тепла теплоносителем, в
качестве которого используется деионизованная вода, теплофизические характеристики
которой известны с высокой точностью. Тепловыделение источника определяется как
разность теплосодержаний теплоносителя на входе и выходе из измерительной ячейки.
Разработана и изготовлена измерительная ячейка калориметра. Проведены предварительные
температурные измерения, которые показали, что возможно достичь точности измерения
разницы температуры теплоносителя на входе и выходе из калориметра на уровне
нескольких тысячных градуса. Это позволяет достигнуть точности измерения активности
источника при активности в диапазоне 1-3 МКи на уровне десятых долей процента.
Одновременно разрабатывается метод определения активности источника по
измерению γ-излучения, выходящего за пределы первичной защиты источника, германиевым
полупроводниковым детектором и сцинтилляционным детектором NaI.
В распадах 51Cr рождаются фотоны с энергией 320 кэВ (10%) и внутреннее тормозное
излучение с непрерывным спектром с максимальной энергией γ квантов 750 кэВ (~10-2 %).
39
Подавляющая часть этого излучения поглощается в первичной защите источника. Вместе с
тем, часть излучения выходит за пределы защиты и может быть зарегистрирована. В 2012
году было проведено изучение выхода излучения от 51Cr и от вероятных примесей методом
Монте-Карло с использованием Geant4. Была показана возможность безопасной работы в
эксперименте с источником активностью 3 МКи в заданной защите. На основе полученных
спектров γ излучения источника будут проводиться измерения γ излучения от источника с
применением ППД и детектора NaI, установленных на разных расстояниях. Исследуются
вопросы возможной точности этих измерений с учётом угловых распределений излучения и
применения различных коллиматоров. Предполагается, что в таких измерениях может быть
достигнута точность на уровне 1-2%.
3.3.2 Дополнительные каналы системы регистрации распадов 71Ge ГГНТ
В рамках изготовления новой счетной системы телескопа в 2012 была выполнена
разработка технического задания на изготовление детектора антисовпадений на основе
кристалла NaI(Tl) габаритами ø200х200 мм, колодцем ø 00х150 мм, четырьмя ФЭУ
Hamamatsu, в корпусе из нержавеющей стали и кварцевыми иллюминаторами. Детектор
изготовлен на предприятии AMCRYS (г. Харьков, Украина) и доставлен на БНО.
Предварительные испытания показали полную работоспособность детектора, энергетическое
разрешение составило около 4.6% при энергии 1.33 МэВ.
Были разработаны:
- проект пассивной защиты для пропорциональных счетчиков и детектора
антисовпадений. Выполнена разработка комплекта конструкторской документации для
изготовления
конструкционных
элементов
защиты.
Все
конструктивные
элементы
изготовлены и доставлены в ЛГГНТ, произведена контрольная сборка пассивной защиты;
- проект модуля для размещения пропорционального счетчика в пассивной защите.
Изготовлено нескольких опытных образцов модулей, на основе которых производится
дальнейшая доводка всей конструкции до конечного вида;
- функциональная схема электроники системы регистрации. Выполнен монтаж и
настройка аппаратной части электроники. Компоновка оборудования выполнена с учетом
оптимизации его теплового режима.
В помещении в комплексе ГГНТ для размещения новой системы регистрации
проведены системы приточной и вытяжной вентиляции, стабилизированного электропитания
от ИБП, гидравлическая магистраль и линии передачи данных. Проведена модернизация
подземного сегмента локальной вычислительной сети (ЛВС).
40
Разрабатываемая в рамках проекта 8-канальная система регистрации представляет
собой результат эволюционного развития технических решений, реализованных в
существующей 8-канальной системе регистрации ГГНТ, и включает весь накопленный опыт
ее многолетней эксплуатации. В то же время новая система обладает более высокими
метрологическими характеристиками за счет применения современного оборудования. Для
изготовления новых низкофоновых счетчиков был подобран и приобретён высокочистый
материал. Изготовлена партия (5) счетчиков. Для исследования их счетных и фоновых
характеристик счетчики заполнялись стандартной смесью и устанавливались на измерения в
систему счета ГГНТ. Из 5 исследованных счетчиков 3 счетчика показали стабильные счтные
и низкие фоновые характеристики.
3.3.3 Компьютерное моделирование калибровочного эксперимента с
искусственным источником нейтрино 51Сr активностью 3 МКи на двухзонной
галлиевой мишени
3.3.3.1 Влияние геометрии галлиевой мишени в 2-зонном эксперименте
Одной из основных целей 2-зонного галлиевого эксперимента с хромовым
источником является поиск нейтринных осцилляций на короткой базе. В эксперименте
осцилляции будут наблюдаться по разнице скоростей захвата нейтрино в двух зонах
мишени. Сигнал в каждой зоне формируется суммированием взаимодействий по всей
толщине зоны.
В настоящее время есть указания на существование короткобазовых осцилляций
нейтрино, но параметры таких осцилляций очень неопределённые: при амплитуде до
десятков процентов величина Δm2 может принимать значения от десятых долей до десятков
эВ2. Галлиевые эксперименты с источниками чувствительны к области Δm2 от примерно 0.5
до 5-7 эВ2. Поскольку все значения Δm2 из области чувствительности в настоящее время
равноправны, то при изготовлении формы мишени для нового эксперимента главным
фактором является максимальная статистика нейтринных захватов. Плотность потока
нейтрино от компактного источника меняется с расстоянием R по закону 1/R2. Поэтому при
ограниченной массе галлия максимальная статистика будет достигнута в мишени в форме
шара с центральным расположением источника. Две зоны мишени располагаются на разных
расстояниях от источника и представляют собой два слоя равной толщины с единым
центром. Толщина слоя, т.е. разность внешних и внутренних радиусов зон мишени,
соответствует среднему пробегу нейтрино от источника в каждой зоне.
41
3.3.3.2 Конструкция мишени
На Рис.1 представлена конструкция, согласованная и принятая для 2-зонной мишени.
С применением метода Монте-Карло были вычислены эффективности захватов
нейтрино от источника и чувствительность к осцилляциям. Для того, чтобы производить
оценку влияния осцилляций, мы построили зависимость эффективности захвата нейтрино от
источника от расстояния до точек взаимодействия в двух зонах мишени. Для этого
симулировались
координаты
точек
испускания
(равномерно
внутри
источника)
и
поглощения нейтрино (равномерно внутри мишени), и строилось распределение расстояний
между этими точками. Искомая зависимость эффективности захвата от расстояния
получалась из построенного распределения, которое преобразовывалось по закону 1/R2 и
нормировалось по количеству событий. Геометрически эффективность захвата представляет
собой отношение площади тонкой сферической части мишени, находящейся на расстоянии R
от точечного источника, к площади сферы 4πR2:
Eff ( R) 
S Ga ( R)
. Эффективность
4R 2
отличается от единицы в случае, если на данном радиусе R тонкая сфера пересекает часть,
незаполненную галлием. Например, трубу, сквозь которую источник помещается в центр
мишени. Для точечного источника, находящегося в центре полностью заполненной шаровой
мишени, эффективность равна в точности единице на всех радиусах R.
42
Рисунок 1 - Геометрическая конструкция 2-зонной мишени
В Монте-Карло моделировании использовались следующие данные, см. Рис.1:
1) Излучатели нейтрино равномерно распределены в вертикальном цилиндрическом
источнике диаметром 2∙Rs=8.6 см и высотой hs=9.5 см.
2) Внутренняя зона имеет шаровую форму с внутренним радиусом R1=67.0 см (=
134.0/2). Внешняя зона ограничена вертикальной цилиндрической стенкой с внутренним
радиусом R2=110.2 см (=R1+0.5+44.0-(0.5+0.8)). Учитываем, что внутренняя поверхность
внешней зоны покрыта фторопластом толщиной 0.5 см. Толщина сферической оболочки
внутренней зоны 0.5 см.
3) Нижняя граница внешней зоны имеет форму сферы радиусом R0=164.5 см (= 165.00.5). Указанная сфера сопрягается с цилиндрической оболочкой через тороидальную
поверхность с радиусом сечения Rc=29.5 см (= 30.0-0.5). Поверхности соединяются без
скачков производной, т.е. в вертикальной проекции окружности R0 и Rc и прямые стенки
цилиндра касаются друг друга. Тогда (для вертикальной проекции) абсцисса точки касания
цилиндра и Rc будет x1=R2-Rc (отсчитываем координату от центральной оси мишени). Для
точки касания сферической поверхности R0 и тороидальной поверхности Rc: xp=x1∙α. Здесь α
− масштабный множитель α=R0/(R0-Rc).
43
Ордината точек касания: y1  R02  2Rc  ( R0  R2 )  R22 для касания цилиндр-тор и
yp=y1∙α для касания тор-сфера. Здесь координату отсчитываем от центра сферической
поверхности.
4) Сквозь обе зоны мишени проведена вертикальная цилиндрическая труба для ввода.
Загрузочная труба опущена ниже центра сферы на величину - 9.1 см, диаметр трубы - 21.9
см. Объем загрузочной трубы составляет 0.0462 м3
Дополнительно
вводим
возможность
для
учёта
распорок,
которые
будут
поддерживать внутреннюю шаровую зону мишени. Если считать, что распорки имеют вид
стержней (не обязательно цилиндрических) с площадью поперечного сечения Sp, то для того,
чтобы учесть вытеснение галлия и соответственное уменьшение эффективности захвата из-за
распорок, можно добавить площадь N∙Sp к площади сечения трубы для источника во
внешней зоне. Соответственно при симуляциях радиус трубы меняется:
Rt → Rt  Rt20 
1

N Sp .
Полная высота внешней цилиндрической емкости со сферическим днищем до уровня
галлия составляет – 2.273м. Полный ее объем 8.124 м3 соответствует массе 49.498 т (при
плотности галлия 6.093г/см3).
Объём мишени, вычисленный по приведённым величинам, составляет Vвнутр=1.231 м3,
Vвнеш=6.818 м3 и V0=Vвнутр+Vвнеш=7.813 м3. Масса при плотности галлия 6.095 г/см3 будет
mвнутр=7.503 т. Суммарный объём двух зон мишени составляет 8.049 м3 и соответствует
49.044 тоннам галлия.
При данной конфигурации скорость захвата нейтрино от источника во внешней зоне
на 4.5% выше, чем скорость захвата во внутренней зоне.
На Рис.2 приведены полученные зависимости эффективности захвата в зонах мишени
от длины пролёта нейтрино. Эффективности получены для 108 симуляций Монте-Карло. В
расчётах радиусы R определялись с точностью 1 мм.
44
Рисунок 2 - Зависимости относительных эффективностей в двух зонах Ga мишени от
расстояния между точками излучения и захвата нейтрино.
3.3.3.3 Чувствительность к осцилляциям
С учётом осцилляций ожидаемый сигнал в зонах мишени определяется выражением

N  N 0   Pee ( R)  Eff ( R)dR , где N0 − множитель, пропорциональный активности источника и
0
сечению захвата нейтрино в галлии, а Pee − вероятность «выживания» электронных
нейтрино,
образующихся
Pee  1  sin 2 2  sin 2 (1.27
в
источнике
(для
монохроматических
нейтрино
m 2  R
) ). Предполагается, что осцилляции нейтрино будут поE
разному влиять на скорости захвата в двух зонах. Ожидаемое отношение скоростей захвата в
двух зонах в зависимости от параметра осцилляций Δm2 показано на Рис.3.
Максимальная ожидаемая чувствительность к осцилляциям получается при Δm2=0.84
эВ2. При значении параметра sin22θ=0.30 отношение Ri/Re=1.243 = 1/0.805. Для Δm2=1.92 эВ2
Ri/Re=0.848 = 1/1.180. Для более коротких осцилляций максимальная чувствительность будет
при Δm2=4.9 эВ2: Ri/Re=0.947 = 1/1.056.
45
Рисунок 3 - Ожидаемые скорости захвата во внутренней (Ri) и внешней (Re) зонах мишени в
зависимости от параметра осцилляций Δm2 для хромового источника при значении
sin22θ=0.30. Чёрным и зелёным цветами показаны ожидаемые отношения скоростей захвата
(Ri/Re и Re/Ri). Скорости захвата нормированы относительно величины Δm2=0.
3.3.3.4 Чувствительность к нецентральному положению источника
Рассмотрим вопрос о том, как изменится статистика измерений 2-зонного
эксперимента, если источник будет смещён относительно центра мишени.
Для шаровой мишени радиусом R0 смещение положения точечного источника от
центра L0 приводит к уменьшению скорости захвата: W  AR0  (1 
1 x2
1 x
 ln
) . Здесь А
2x
|1 x |
− коэффициент, зависящий от активности источника, плотности мишени и сечения захвата;
x
L0
− величина смещения источника в единицах радиуса шаровой мишени. Модуль в
R0
знаменателе логарифма позволяет учесть как внутреннее положение источника по
отношению к шаровой мишени, так и внешнее.
Изменение скорости счёта в шаровом детекторе в зависимости от смещения
источника в относительных единицах показано на Рис. 4 синим цветом. Удаление источника
на границу мишени уменьшает скорость захвата в 2 раза относительно максимальной
скорости, которая ожидается при центральном расположении источника.
46
Рисунок 4 - Ожидаемые зависимости скоростей захвата от расстояния от точечного
источника до центра шаровой мишени. Синим цветом показана зависимость для сплошной
шаровой мишени (внутренняя зона). Для иллюстрации показаны ожидаемые скорости
захвата во внешней шаровой зоне (красным цветом) для мишеней, радиусы которых в 1.5 и 3
раза превышают радиус внутренней зоны (см. в тексте).
В 2-зонном эксперименте, где будут измеряться скорости захвата в двух зонах,
суммарная скорость захвата (в двух зонах) будет изменяться примерно по такому же закону с
учётом того, что в качестве R0 необходимо взять некоторый эффективный радиус внешней
зоны. «Эффективный» радиус внешней зоны примерно (в пределах 2-3%) соответствует
радиусу сферы, внутрь которой может быть помещена масса всей мишени.
Однако, если внутри мишени есть полость, то смещение источника внутри этой
полости будет приводить к увеличению сигнала. Например, если измеряется сигнал только
во внешней зоне, то полостью будет считаться внутренняя зона мишени. В качестве
иллюстрации на Рис.4 приведены зависимости скорости захвата в 2-зонной мишени для
сферической границы внешней зоны, радиус которой равен R2=k∙R0. В этом случае
суммарная скорость захвата в двух зонах изменяется как W1+2(x) при замене R0 на R2:
W1 2  AR0  (k 
k 2  x2
kx
 ln
) а скорость захвата во внешней зоне будет равна разности
2x
|k x|
полной скорости захвата и скорости захвата во внутренней зоне: W2=W1+2-W1. Если радиус
внешней зоны в k раз больше радиуса внутренне, то скорость счёта в двух зонах при
центральном положении источника будет в k раз выше, чем во внутренней. На рис.4
скорости захвата W1+2 (зелёным цветом) приведены в единицах скорости W1 для двух
значений k − 1.5 и 3. Для этих же значений показаны изменения скорости захвата во внешней
зоне в единицах относительно центрального расположения источника.
Оценим, как повлияет на результат измерений нецентральное расположение
источника. При смещении источника, например, на 10 см (в произвольном направлении, т.к.
47
практически неважно, происходит ли смещение по оси мишени или в сторону), уменьшение
суммарной скорости захвата в двух зонах составит около 0.3%, во внутренней зоне −
уменьшение на 1%, и во внешней − увеличение на 0.6%.
На Рис.5 показано, как изменятся эффективности захвата при смещении источника от
центра в реальной геометрии зон мишени. Притом что кривые эффективностей заметно
изменяются, суммарные скорости счёта меняются слабо. При смещении количество
ожидаемых захватов во внутренней зоне в отсутствие осцилляций уменьшается на 3%, а во
внешней − возрастает на 1%. Таким образом, заметного изменения суммарной скорости
захвата не произойдёт.
При уменьшении скорости захвата на 1-3% увеличение статистической ошибки
практически не происходит. Ожидаемая статистика в одной зоне составит около N~900
событий (это ожидаемое число зарегистрированных событий). Статистическая ошибка
составит    
1
N
≈3.7%. Здесь α ≈ 1.1 − коэффициент, учитывающий фоновые события.
При уменьшении скорости захвата на ΔN событий приведёт к увеличению статистической
ошибки на величину порядка:      
1
N  N
   (1 
N
N
. Для
) , т.е.    
2N
2N
указанных значений увеличение статистической ошибки составит 0.5-1.5% от величины
самой ошибки, т.е. Δδ≈0.02-0.06%.
Смещение источника не вызывает также заметного изменения чувствительности к
осцилляциям. Экстремальные значения ожидаемых зависимостей отношений скоростей
захвата в двух зонах Ri/Re от параметра осцилляций Δm2 (см. Рис.3) совпадают с точностью
до 1% с соответствующими значениями при центральном расположении источника.
Рисунок 5 - Сравнение зависимостей относительных эффективностей при центральном
расположении источника и при смещении источника на 10 см. (Монте-Карло, 108
розыгрышей для каждого случая расположения источника).
48
Таким образом, выбранная форма двух зон мишени вполне соответствует
требованиям
нового
галлиевого
эксперимента
с
хромовым
источником.
Общая
конфигурация 2-зонной мишени оставляет достаточно возможностей для варьирования
различных параметров геометрии зон мишени.
Моделирование со смещениями источника от центра мишеней, смещением
внутренней мишени, увеличением размера источника и уменьшением диаметра загрузочной
трубы показало, что смещение в пределах 10 см, а также 50% увеличение размера источника
и 30% уменьшение диаметра трубы не приводят к сколько-нибудь заметному изменению
скоростей захвата в зонах и чувствительности к осцилляциям.
Разработанные и используемые в лаборатории методы позволяют анализировать
результаты, ожидаемые в новом эксперименте, для различной геометрии зон мишени и
конфигурации источника.
49