ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.6
ИНДИЙСОДЕРЖАЩИЙ ЖИДКИЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКА СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО
© 2010 г. И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, В. И. Гуренцов, Н. А. Данилов*, А. di Vacгi***,
C. Cattadori**, Ю. С. Крылов*, Г. Я. Новикова, |N. Ferrari***, Е. А. Янович
Институт ядерных исследований РАН Россия, 119899, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а *Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН Россия, 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский просп., 31 **Instituto Nazionale di Fisica Nucleare-Milano Bicocca. Italy, Milano ***Instituto Nazionale di Fisica Nucleare-Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
Italy, L'Aquila Поступила в редакцию 23.12.2009 г.
Разработан жидкий органический In-сцинтиллятор на основе соли карбоновой (2-метилвалериано-вой) кислоты. При концентрации In ~50 г/л параметры сцинтиллятора составили: световыход ~9000 фотонов/МэВ, эффективная прозрачность ~1.5 м. Продемонстрирована работа оптического модуля (длиной 1 м) в качестве прототипа детектора. Проведены испытания стабильности сцинтиллятора в подземных низкофоновых условиях.
ВВЕДЕНИЕ
Индий в качестве мишени для измерения потока солнечных нейтрино впервые предложен Я. Яа§Ьауап [1]. Рассматривалась реакция обратного Р-распада на ядре 1151п (95.7%), в которой переход с возбужденного состояния 1158п* (612.8 кэВ, т = 4.6 мкс) на основное сопровождался испусканием двух фотонов, что должно позволить выделить нейтринные события над уровнем фона:
1151п + Vе ^ 1158п*(613 кэВ) + е-, 115§п*^ 1155п + У1(116 кэВ) + у2(497 кэВ).
Низкий порог реакции ve на 1151п (114 кэВ) делает возможным регистрацию потока солнечных нейтрино с энергий <2 МэВ (рр, 7Ве, СМО,рер), а характерная сигнатура перехода на основное состояние ядра 1158п позволяет рассматривать создание реального электронного детектора солнечных нейтрино.
Возможность создания 1п-детекторов рассматривалась в работах [2-4]. Основная трудность, связанная с реализацией 1п-детектора солнечных нейтрино, это фон, обусловленный собственным распадом ядра 1151п. Бета-распад 1151п (т = 6.4 • 1014 лет) эквивалентен удельной активности ~0.25 Бк/г в природном 1п, что требует его подавления с фактором -1011. Другие источники внутреннего фона (примеси естественных радиоактивных элементов и, ТЬ и др.) тоже представляют определенную проблему, но их концентрация
может быть понижена до необходимого уровня с помощью современных методов очистки.
Относительно недавно в рамках проекта LENS были вновь инициированы [5] и проведены исследования возможности создания In-детектора солнечных нейтрино на основе жидкого органического сцинтиллятора. Для подавления собственного фона от распада 115In рассматривается сегментная структура конструкции детектора, которая с применением временной корреляции и анализа пространственной топологии событий должна позволить снизить фон на 11 порядков и сделать создание детектора реальным.
Регистрация потока бериллиевых нейтрино в эксперименте Borexino [6] повлияла на программу исследований с помощью In-детектора. Теперь основной акцент сместился к измерению потока и спектра рр-нейтрино [7]. В отличие от действующих и планируемых электронных детекторов солнечных нейтрино, в In-эксперименте реакция ve + 115In чувствительна только к одному типу (аромату) нейтрино, что позволяет с использованием данных других экспериментов, регистрирующих ту же область спектра, получить более точные значения параметров нейтринных осцилляций.
Планируемая статистическая погрешность регистрации составляет <3% (pp), из чего следует, что масса In-мишени должна быть на уровне ~20 т. Такой крупномасштабный детектор влечет разработку жидкого органического сцинтиллятора с высокой концентрацией In (5—10%). С другой стороны, требования дискриминации фоновых
событий Р-распада 115In (Ee < 500 кэВ) от нейтринных событий становятся еще более жесткими. Если в случае регистрации моноэнергетических 7Ве-нейтрино (862 кэВ) энергия электрона (747 кэВ) превышает область энергий Р-распада (Emax ~ 500 кэВ), то спектр электронов отрр-ней-трино (Emax ~ 300 кэВ) полностью перекрывается со спектром электронов от 115In.
Дискриминация нейтринного события на уровне большого фона предъявляет высокие требования к энергетическому разрешению сцинтиллято-ра, его высоким сцинтилляционным и оптическим характеристикам, т.е. сцинтилляционная эффективность должна быть >8000 фотонов/МэВ, а эффективная длина поглощения должна составлять несколько метров. Длительность проведения экспериментов с солнечными нейтрино накладывает дополнительное требование на разрабатываемые сцинтилляторы — это стабильность характеристик в течение нескольких (~5) лет. В данной статье представлены результаты по разработке In-сцинтилля-тора, полученные группой ИЯИ—LNGS в рамках проекта LENS за период 2001—2004 гг.
СВЕТОВЫХОД In-СЦИНТИЛЛЯТОРА
Разработка жидкого органического In-сцин-тиллятора детектора солнечных нейтрино в основном связана с исследованиями, целью которых являлось нахождение оптимальной композиции сцинтилляционного раствора, включающей в свой состав растворитель, соединение In, стабилизирующие добавки (если необходимы) и активатор со сместителем спектра. Выбор той или иной композиции во многом определяет сцин-тилляционные и оптические характеристики системы, а также устойчивость раствора в целом. От применения того или иного растворителя зависит сцинтиляционная эффективность раствора.
В случае In-сцинтиллятора, где необходимо иметь высокий световыход, за основу взят псев-докумол РС (1,2,4-триметилбензол), имеющий ~11000 фотонов/МэВ (РРО - 1.5 г/л). Температура вспышки РС ~48°С. Близкие сцинтилляцион-ные характеристики имеют сцинтилляторы, приготовленные на основе фенилксилилэтана (РХЕ) и линейного алкилбензола (LAB), световыход которых относительно РС равен ~90% и 75% соответственно. Более высокие температуры вспышки этих растворителей (>100°C) являются важным фактором и делают их перспективными с точки зрения безопасности планируемых крупномасштабных подземных детекторов.
В рамках проекта LENS выбор химического соединения In для приготовления жидкого сцин-тиллятора был в основном сконцентрирован на исследовании двух классов веществ — карбокси-латы и Р-дикетонаты In. Класс Р-дикетонатов In
для приготовления 1п-сцинтиллятора подробно исследован другой группой коллаборации из института МР1К [8].
Для приготовления сцинтиллятора на основе карбоксилата 1п группой ИЯИ—LNGS рассмотрены соединения 1п с карбоновыми кислотами, в молекуле которых содержание атомов углерода изменяется в пределах 3—9. Низкий молекулярный вес карбоновой кислоты при той же концентрации 1п позволяет увеличить долю ароматики, от процентного содержания которой зависит световыход. В то же время карбоксилаты на основе высокомолекулярных кислот имеют более высокую растворимость в стандартных сцинтилляци-онных растворителях.
В ходе экспериментальных исследований с различными образцами соединений 1п наилучшие результаты получены с двумя представителями разветвленных карбоновых кислот — изовале-риановой (5С) и 2-метилвалериановой (6С). При окончательном выборе химического соединения 1п остановились на 2-метилвалериановой кислоте, как обладающей менее токсичными свойствами по сравнению с изовалериановой кислотой [9—11].
Поскольку энергетическое разрешение сцинтиллятора является важным фактором при подавлении фона 1п-детектора, были предприняты попытки его улучшения. Известно, что карбоксильные группы (СООН) органических кислот являются гасителями первичного возбуждения, возникающего в результате потери энергии ионизирующей частицей в среде растворителя. Чем меньше таких групп, тем выше сцинтилляционная эффективность сцинтиллятора.
В случае 1п-сцинтиллятора оказалось возможным синтезировать молекулы карбоксилата 1п, в которых группы [СОО] были частично заменены ионами гидроксила [ОН]. Благодаря такой процедуре удалось повысить световыход 1п-сцинтил-лятора в >2 раза. На рис. 1 приведена зависимость относительного световыхода сцинтиллятора от концентрации группы [ОН] в соединении 1п. Графическая зависимость приведена для сцинтиллятора с концентрацией 1п ~ 86 г/л. В качестве стандарта использовался псевдокумол с добавкой активатора ВРО - 4 г/л (~13000 фотонов/МэВ).
Естественно, что повышения сцинтилляцион-ной эффективности также можно добиться путем уменьшения концентрации 1п в растворе. Однако меньшая концентрация, как следствие, влечет увеличение полного объема 1п-детектора. На рис. 2 представлен график зависимости световыхода от концентрации 1п для образцов сцинтиллятора, приготовленных на основе псевдокумола ВРО (4 г/л).
Из графика видно, что в диапазоне концентраций 1п 60-100 г/л (~6—10% 1п) световыход падает от 70 до 55%, что соответствует ~9000 и ~7000 фо-тонов/МэВ. Эти значения ненамного отличаются
Относительный световыход, % 80 г
60 40 20 0
20 40 60 80 100 Доля групп [OH] в молекуле карбоксилата In, %
Рис. 1. Влияние концентрации группы [ОН] в молекуле ЫЯ^ОН) на световыход сцинтиллятора, где Я — радикал Н2МУА (2-метилвалериановой кислоты).
Световыход, % 100
90
80
70
60
50
40
0 20 40 60 80 100 120 Концентрация 1п, г/л
Рис. 2. Влияние концентрации растворенного 1п на световыход сцинтиллятора. Сцинтиллятор — псевдо-кумол (ВРО - 4 г/л).
0
от многих характеристик незагруженных жидких органических сцинтилляторов и находятся, по-видимому, вблизи предельно возможных значений.
Зависимость интенсивности сцинтилляцион-ной вспышки от энергии ионизирующего излучения была экспериментально измерена с помощью калибровочных у-источников в диапазоне 60—835 кэВ. На рис. 3 изображены примеры амплитудных спектров, полученные при облучении образца In-сцинтиллятора (объемом 10 мл). Большая загрузка сцинтиллятора индием позволяет наблюдать пик полного фотопоглощения, интенсивность которого возрастает с увеличением концентрации In. Для сравнения приведен комптоновский спектр электронов от источника 137Cs (662 кэВ) в сцинтилляторе на основе псевдо-кумола, не содержащем In. Достигнутое энергетическое разрешение In-сцинтиллятора позволяет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.