Двухфазный эмиссионный детектор РЭД-100 для исследования упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах ксенона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Хромов Александр Владимирович

• Хромов Александр Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Хромов Александр Владимирович

Введение

Глава 1. Устройство детектора РЭД-100

1.1. Принцип работы детектора

1.2. Дрейфовый объем

1.3. Система высоковольтного питания

1.4. Криостат

1.5. Выбор конструкционных элементов детектора

Глава 2. Регистрирующая система

2.1. Фотоэлектронные умножители Иашаша1Би

2.1.1. Делители напряжения

2.1.2. Работа ФЭУ в условиях наземной лаборатории

2.1.3. Характеризация

2.1.4. Криогенное испытание ФЭУ

2.2. Система сбора данных

Глава 3. Термосифонная криогенная система

3.1. Принцип действия термосифона

3.2. Выбор оптимальной конфигурации термосифона

3.3. Управление термосифонами

3.4. Термостабилизация детектора с жидким ксеноном

Глава 4. Подготовка ксенона к использованию в РЭД-100

4.1. Циркуляционная очистка ксенона

4.2. Электроискровая система очистки «Мойдодыр»

4.2.1. Очистка ксенона с помощью «Мойдодыра»

4.3. Подготовка РЭД-100 к охлаждению

4.4. Очистка ксенона во время работы детектора РЭД-100

4.4.1. Измерение времени жизни электронов с помощью мюонов

4.4.2. Измерение времени жизни электронов с помощью гамма-квантов..74 Глава 5. Основные характеристики детектора РЭД-100

5.1. Технические характеристики

5.2. Регистрация одиночных электронов ионизации

5.3. Регистрация гамма-квантов

5.4. Регистрация мюонов

Глава 6. Постановка экспериментов с помощью детектора РЭД-100

6.1. Реакторный эксперимент

6.2. Ускорительный эксперимент

6.3. Другие возможные эксперименты

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Двухфазный эмиссионный детектор РЭД-100 для исследования упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах ксенона»

Введение

С момента первого экспериментального обнаружения нейтрино прошло более 60 лет [1]. Однако до сих пор нейтрино остается одной из самых загадочных элементарных частиц. Например, наличие ненулевой массы нейтрино, подтвержденное в осцилляционных экспериментах [2], является прямым указанием на тот факт, что Стандартная Модель является неполной и требует расширения. Необходимость более глубокого понимания свойств нейтрино стимулирует новые эксперименты, проводимые в десятках лабораторий по всему миру. Одним из важных фундаментальных процессов, который на сегодняшний день мало изучен и может быть использован как «пробник» новой физики, является упругое когерентное рассеяние нейтрино на ядре (УКРН).

Процесс УКРН, предсказанный около 45 лет назад [3,4], заключается в том, что нейтрино (антинейтрино) путем обмена виртуальным Z0-бозоном упруго рассеивается на ансамбле нуклонов ядра, передавая ему часть своей энергии. Вследствие соотношения неопределенности Гейзенберга нейтрино низких энергий могут одновременно взаимодействовать со всеми нуклонами ядра при упругом рассеянии. Это происходит при достаточно малой величине передаваемого ядру импульса q так, что характерный размер области

9 9

взаимодействия превышает размеры ядра R ^ <1/К). Процесс УКРН должен идти эффективно при энергиях нейтрино < 50 МэВ, когда условие когерентности выполняется для всех углов рассеяния. В качестве источника нейтрино таких энергий можно использовать ядерные реакторы или сильноточные ускорители с выведенным пучком, сбрасываемым в мишень полного поглощения.

В рамках Стандартной Модели, по аналогии с упругим рассеянием нейтрино на протоне [5], дифференциальное сечение процесса УКРН на атомном ядре описывается [6] как:

Gv = (gyZ + gyN)F^ucl(Q )

Ga = {gpA(Z+ - Z_) + g%(N+ - N_))F^ucl(Q'2)

(2) (3)

где ОР - константа Ферми, М - масса ядра, Т - энергия ядра отдачи, Бу - энергия нейтрино, и дп* - векторные и аксиально-векторные константы связи нейтронов и протонов с /-бозоном, соответственно, 2 и N - количество протонов и нейтронов в ядре, и N - число протонов и нейтронов с противоположными спинами, Q - переданный четырех-импульс, 2) и 2) - векторный и

аксиальный форм-факторы ядра, близкие по величине к единице для малых значений О2 (О2 «М2). Векторные константы д^и определяются как:

= p"<¡ ( - _ 2kvN shr 0W ) + + 2\u±t + X^ + А

1

uL i r\\uR i \ dL i \ dR

п. 1 NC i \ uL i \ uR i о \ dL , о \ dR

QV = —^PuN +Л +Л +2Л +2Л '

(4)

(5)

где Оцг - угол электрослабого смешивания, р^С, ^ - электрослабые параметры, ХиЬ, - радиационные поправки, значения которых приведены в работах

[6,7]. Вклад аксиальной составляющей очень мал для тяжелых ядер, т.к. в него входят только непарные протоны и нейтроны, которых относительно немного по сравнению с полным числом нуклонов. Для ядер с нулевым спином он равен нулю.

Если вкладом аксиальной составляющей пренебречь, то при Т << Бу:

da

dT

coh

f

1 -

MT

2Ez

V

FLi«^

(6)

v У

где = [Z(1 - 4sin2 ^) - N] - слабый заряд ядра. Т.к. sin2QW ~ 0,25 , то и

da dT

N

coh

Таким образом, сечение взаимодействия УКРН значительно возрастает по

сравнению с взаимодействием с отдельными нуклонами, примерно как квадрат числа нейтронов в ядре. В приближенном виде полное сечение взаимодействия может быть представлено [8] как:

о ~ 4,2х 10 -45 N2 (Ev/МэВ)2 см2 (7)

■у

Благодаря фактору N сечение процесса УКРН для мишеней с N=50-60 превосходит сечение реакции обратного бета-распада на протонах и упругого рассеяния на электронах, обычно используемых в современных детекторах нейтрино, на 2-3 порядка. Процесс УКРН свойственен всем типам нейтрино.

Процесс УКРН имеет фундаментальное значение для описания процессов формирования Вселенной и эволюции звёзд [9]. Отклонения измеренного сечения взаимодействия УКРН от предсказаний Стандартной Модели могут быть использованы для поиска явлений за ее пределами [6,10,11]. Кроме того, процесс УРКН можно использовать для изучения ядерных форм-факторов [12,13] и магнитного момента нейтрино [14]. Упругое когерентное рассеяние солнечных и атмосферных нейтрино является фоном для следующего поколения экспериментов по прямому поиску темной материи в виде массивных слабовзаимодействующих частиц вимпов (от англ. WIMP - Weakly Interacting Massive Particle), поэтому экспериментальная информация о величине сечения УКРН поможет увеличить чувствительность этих экспериментов [15]. Процесс УКРН может также использоваться для создания новой генерации относительно компактных детекторов для мониторинга состояния активной зоны ядерных реакторов [16,17].

Процесс УКРН впервые наблюдался в 2017 году в международном эксперименте COHERENT на ускорительном комплексе Spallation Neutron Source (SNS) в Окриджской национальной лаборатории США при участии сотрудников межкафедральной лаборатории экспериментальной ядерной физики 1 НИЯУ МИФИ [18,19] в потоке нейтрино трёх различных типов (мюонных нейтрино и антинейтрино, и электронных нейтрино) c помощью 14,6 кг сцинтилляционного

1 http://enpl.mephi.ru/

детектора на основе кристалла CsI[Na]. Более детальное изучение процесса УКРН требует его исследования на источниках нейтрино одного типа, например, электронных антинейтрино на ядерном реакторе. Для проверки теоретических моделей необходимо исследование УКРН в различных энергетических диапазонах, а также зависимости величины сечения от атомного номера мишени, и в этом смысле, использование детекторов с различным элементным составом рабочей среды представляет особый интерес.

Зависимость сечения процесса УКРН как

N делает привлекательным применение мишеней на тяжелых ядрах с большим числом нейтронов. В процессе УКРН нейтрино регистрируется по энерговыделению в рабочей среде детектора от ядра отдачи. Так как максимальная энергия ядра отдачи равна:

Tmax=2Ev2/ (M+2Ev)~ 2EV2/M, (8)

то при регистрации процесса УКРН на реакторных антинейтрино с Ev< 10 МэВ, энергия, передаваемая тяжелому ядру, не превышает 1 кэВ. Поэтому для регистрации процесса УКРН в таких условиях необходим детектор с экстремально низким порогом регистрации.

На сегодняшний день известно около десяти экспериментов, направленных на исследование УКРН при помощи различных детекторных технологий (Табл.1). Несмотря на многообразие существующих экспериментальных программ, c точки зрения исследования УКРН, требующего массивного низкопорогового детектора, наиболее перспективным выглядит использование двухфазных эмиссионных детекторов на сжиженных благородных газах, обладающих высокой чувствительностью к событиям с малым ионизационным выходом (вплоть до одиночных электронов) [20].

Табл.1. Основные эксперименты, направленные на исследование УКРН.

Коллаборация Источник V Детектор Масса мишени, кг Расстояние от источника, м Поток v/см2/ с Счет событий от УКРН Ссылка

COHERENT 8№, Окридж, США Сцинт. СsI[Na] 14,6 19 4,3x10' 400 соб/год 21

Однофазный жидко-аргоновый 22 29 3,6х107 150 соб/год 21,22

Полупроводниковый ве с «точечным» контактом 15 22 2х107 220 соб/ год 21

Сцинт. ^[Т1] 185 28 3,6x10' п/а 21

CONNIE АЭС Ангра-2, Бразилия 81 ПЗС-матрица 0,05 30 7,8х1012 305 соб/год 23

vGeN Калининская АЭС, Россия Полупроводниковый ве с «точечным» контактом 1,6 10-12 5,4х1013 10 соб/сут 24,25

CONUS АЭС Брокдорф, Германия Полупроводниковый ве с «точечным» контактом 4 17 2,4х1013 1 соб/кг/сут 26

TEXONO АЭС Куошен, Тайвань Полупроводниковый ве с «точечным» контактом 1 28 6,4х1012 10 соб/ сут 27,28

v-cleus аэс сиоог, Франция Низкотемпературный болометр CaWO4 и А1203 6,8х10-3 и 4,4х10-3 15/40/100 2,8х1013/ 4х1012/ 6,4х1011/ 5/1/0,1 соб/сут 29

RICOCHET аэс сиоог, Франция Низкотемпературные ве и 2п болометры 10 400/80 >1012/ 4х1010 0,5 соб/кг/сут 11,5 соб/кг/сут 30

MINER Исследовательский реактор ТАМи, США Низкотемпературные ве и 81 болометры 5 2 4х10и 5 - 20 соб/кэВ/кг/сут 31,32

Эмиссионный метод регистрации частиц был предложен в МИФИ около 50-ти лет назад и вначале рассматривался для визуализации треков частиц в плотной среде в физике высоких энергий [33]. В основе работы детектора лежит

явление эмиссии электронов ионизации из плотной конденсированной фазы в газовую под действием электрического поля большего ~2 кВ/см. Использование усиления электронного сигнала за счет электролюминесценции газовой фазы при дрейфе через неё эмитировавших электронов в достаточно сильном поле > 1 кВ/сматм было предложено в 1995 году для поиска редких событий с малым ионизационным выходом в работе [34]. Регистрация сигналов от сцинтилляции S1 и электролюминесценции S2 позволяет создавать так называемые детекторы «без стенок», которые обеспечивают трехмерную позиционную чувствительность, позволяющую выделить внутри детектора объем - в иностранной литературе называемый fiducial volume (FV) [34,35]. В настоящее время этот тип детекторов нашел широкое применение в экспериментах по поиску частиц темной материи в форме вимпов (Табл. 2), которые ставятся в низкофоновых подземных лабораториях. В качестве рабочего вещества таких детекторов чаще всего используется жидкий ксенон.

Относительно недавно эмиссионный принцип регистрации частиц нашел новое применение: в нейтринном осцилляционном эксперименте c длинной базой DUNE в качестве дальнего детектора рассматривается использование четырех двухфазных эмиссионных детекторов на жидком аргоне общей массой 40 килотонн [36]. Прототип такого детектора с массой жидкого аргона ~300 т в настоящий момент испытывается в CERN [37]. Таким образом, уже в ближайшей перспективе масса рабочего вещества двухфазных эмиссионных детекторов может достигнуть десятков килотонн.

Табл.2. Эксперименты по поиску темной материи, проводимые с помощью двухфазных жидко-ксеноновых эмиссионных детекторов.

Эксперимент Период Место Масса Чувствитель- Статус Ссылка

проведения проведе- жидкого ность к эксперимента

ния ксенона вимпам,

общая/FV, кг см2@ ГэВ/c

ХЕШ№0 2006-2007 вБ2 25/5 4,5 х10-44 @ 30 завершен 38

гБРЬш-п 2006-2007 ВМ3 31/8 6,6х10-43 @ 65 завершен 39

гЕРыш-ш 2006-2011 ВМ 12/6 3,9х10-44 @ 50 завершен 40

ХЕК0К-100 2009-2016 вБ 165/62 1,1х10-45 @ 50 завершен 41

ыих 2013-2016 И4 370/118 1,1х10-46@ 50 завершен 42

РапёаХ-1 2009-2014 ДР5 120/37 3,7х10-44@ 49 завершен 43

РапёаХ-П 2015-2018 ДР 580/300 2,5х10-46 @ 40 завершен 44

ХЕШШТ 2016- вБ 3200/1300 2,0 х10-47 @ 50 активный 45

РапёаХ-4Т 2020- ДР 4000/2800 6х10-48 @ 40 разрабатывается 46

2019- И 10000/5600 3х10-48 @ 40 разрабатывается 47

DARWIN 2023- 50000/30000 10-49 @ 40 планируется 48

2 в8 - Лаборатория Гран Сассо (Италия);

3 ВМ - Шахта Боулби (Англия);

4 И - Шахта Хоумстейк (США);

5 ДР - Лаборатория Цзинпинь ( Китай)

Как следует из Табл. 2, за десять лет поиска вимпов с помощью двухфазных эмиссионных детекторов, масса рабочего вещества в чувствительном объеме БУ увеличилась в ~10 раз, что позволило улучшить предел на величину сечения вимпов почти на 4 порядка. Стоит также отметить, что все последние рекордные результаты по ограничению сечения рассеяния вимпов на барионной материи были получены именно с помощью двухфазных эмиссионных детекторов на жидком ксеноне.

В качестве рабочего вещества двухфазного эмиссионного детектора для исследования упругого когерентного рассеяния нейтрино наиболее целесообразно использовать жидкий ксенон из-за его уникальных детектирующих свойств:

1) большой величины сечения УКРН за счет большой атомной массы А=131;

2) эффективной «самоэкранировке» за счет относительно большой плотности

-5

р=3 г/см , высокого атомного номера 7=54 и трехмерной позиционной чувствительности, что необходимо для подавления фона от у-квантов и нейтронов;

3) отсутствия долгоживущих радиоактивных изотопов.

Все существующие двухфазные эмиссионные жидко-ксеноновые детекторы темной материи экспонируются в подземных лабораториях с низким уровнем фона от космических лучей, поэтому для постановки опыта по регистрации УКРН вблизи интенсивного нейтринного источника необходим новый детектор, адаптированный к работе в условиях практически наземной лаборатории.

В НИЯУ МИФИ для исследования УКРН на средства мегагранта по постановлению Правительства РФ № 220 «О мерах по привлечению ведущих ученых в российские образовательные организации высшего образования» (договор № 11.G34.31.0049 от 19.10.2011 г.) в 2011 году была создана межкафедральная лаборатория экспериментальной ядерной физики, в которой при участии НИЦ «Курчатовский Институт» — ИТЭФ и НИЦ «Курчатовский Институт» разработан и построен двухфазный эмиссионный детектор РЭД-100 (Российский Эмиссионный Детектор), содержащий в качестве

рабочего вещества 200 кг жидкого ксенона. Описанию этой уникальной установки и ее детектирующих характеристик посвящена данная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы. Целью работы является создание двухфазного эмиссионного жидко-ксенонового детектора для исследования упругого когерентного рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Разработан и испытан двухфазный эмиссионный жидко-ксеноновый детектор РЭД-100;

• Исследованы характеристики установки РЭД-100 и показана ее способность регистрировать слабоионизирующие события вплоть до одиночных электронов ионизации;

• Проведен анализ, демонстрирующий возможность постановки опыта по регистрации упругого когерентного рассеяния реакторных антинейтрино с помощью детектора РЭД-100 на Калининской Атомной Электростанции (г. Удомля, Россия).

Научная новизна.

1. Впервые создан двухфазный эмиссионный жидко-ксеноновый детектор РЭД-100 для исследования процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядре, в котором:

1.1. Впервые применена методика блокировки электролюминесцентных сигналов на время дрейфа ионизационных электронов, образованных от взаимодействий космических мюонов с рабочим веществом детектора, с целью защиты ФЭУ от интенсивной засветки. Данная методика позволяет уменьшить вклад от взаимодействий космических мюонов в величину среднего анодного тока фотоэлектронных умножителей более чем на три порядка, что позволяет ФЭУ эксплуатироваться в линейном режиме без ухудшения их квантовой эффективности в течение нескольких лет.

1.2. Впервые разработана и реализована методика, позволяющая с помощью электронного затвора уменьшить уровень шума, связанного со спонтанной

эмиссией неэмитировавших одиночных электронов ионизации от взаимодействий космических мюонов, который является доминирующим фоном при регистрации процесса упругого когерентного рассеяния реакторных антинейтрино.

2. Показано, что детектор РЭД-100 с достигнутыми характеристиками может позволить впервые наблюдать процесс упругого когерентного рассеяния реакторных электронных антинейтрино на ядре ксенона в условиях АЭС с чувствительностью, превосходящей более чем на порядок чувствительность всех существующих на сегодняшний день детекторов, разработанных для исследования данного процесса.

Практическая значимость состоит в создании детектора РЭД-100, который является единственным в мире двухфазным эмиссионным жидко-ксеноновым детектором для исследования процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино. Отработка методики регистрации упругого когерентного рассеяния антинейтрино от ядерного реактора с помощью РЭД-100 может послужить началом развития нового направления применения компактных жидко-ксеноновых детекторов для нейтринной диагностики АЭС в интересах госкорпорации «Росатом» и МАГАТЭ. Разработанные и реализованные методики, позволяющие эксплуатировать РЭД-100 в условиях высокого уровня фона от космических мюонов вблизи интенсивного источника нейтрино, могут быть применены в других экспериментах. Кроме того, в конструкции детектора заложены оригинальные технические решения, защищенные патентами на полезную модель РФ №178641 и №184222 .

Положения, выносимые на защиту.

• Двухфазный эмиссионный жидко-ксеноновый детектор РЭД-100 для исследования упругого когерентного рассеяния нейтрино, включающий конструктивные элементы, обеспечивающие его функционирование;

• Методики, позволяющие эксплуатировать РЭД-100 в условиях высокого уровня фона от космических мюонов;

• Характеристики установки РЭД-100, полученные в результате физических испытаний;

• Анализ возможности постановки эксперимента с помощью детектора РЭД-100 по исследованию процесса упругого когерентного рассеяния электронных антинейтрино на ядре ксенона от ядерного реактора на Калининской АЭС.

Достоверность полученных результатов подтверждена

экспериментальными испытаниями, проведенными с использованием современных измерительных приборов и программного обеспечения; использованием общепринятых программ моделирования и обработки данных; соответствием результатам, полученным другими авторами.

Личный вклад автора. Все результаты, приведенные в диссертационной работе, были получены непосредственно автором или при его активном участии, включая:

• Разработку и создание двухфазного эмиссионного жидко-ксенонового детектора РЭД-100 для исследования упругого когерентного рассеяния нейтрино;

• Разработку и реализацию методики блокировки электролюминесцентных сигналов на время дрейфа ионизационных электронов, образованных от взаимодействия космических мюонов с рабочим веществом детектора;

• Разработку и реализацию методики, позволяющей уменьшить уровень фона, связанного со спонтанной эмиссией неэмитировавших электронов ионизации от космических мюонов;

• Проведение физических испытаний детектора РЭД-100 и обработку полученных экспериментальных данных;

• Проведение расчетов, демонстрирующих возможность постановки эксперимента с помощью детектора РЭД-100 по исследованию процесса упругого когерентного рассеяния электронных антинейтрино на ядре ксенона от ядерного реактора на Калининской АЭС.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международной конференции Наука Будущего (Санкт-Петербург 2014, Казань 2016), международной конференции по физике частиц и

астрофизике ICPPA (Москва, 2015-2018), международном симпозиуме по физике низких энергий LEPP (Москва, 2015), Научной Сессии НИЯУ МИФИ (2014, 2015).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, входящих в перечень ВАК и проиндексированных в базах данных Web of Science и Scopus. Также в результате работ по теме диссертации получено 2 патента на полезную модель РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, 6-ти глав и Заключения. Она изложена на 115 страницах печатного текста и содержит 65 рисунков, 7 таблиц, а также список литературы из 107 наименований.

Глава 1. Устройство детектора РЭД-100

Двухфазный эмиссионный детектор РЭД-100 предназначен для регистрации упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах в условиях наземной лаборатории [49,50,51]. Детектор содержит 200 кг жидкого ксенона, находящегося в дрейфовом объеме, который формируется с помощью полезадающей электродной структуры, расположенной внутри тефлоновой светособирающей конструкции. Регистрация фотонов с длиной волны ~175 нм из дрейфового объема детектора осуществляется с помощью двух матриц по 19 штук криогенных УФ-чувствительных ФЭУ Иашаша1Би Я11410-20. Работа РЭД-100 обеспечивается несколькими системами, объединенными в единую установку.

Схематичное изображение основных блоков и внешний вид установки РЭД-100 в экспериментальном зале межкафедральной лаборатории экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ представлены на Рис.1.1. Детектор находится внутри титанового криостата, а для его термостабилизации при температуре жидкого ксенона ~170 К применяется оригинальная криогенная система на основе термосифонной технологии. С целью удаления электроотрицательных и молекулярных примесей из ксенона используется система очистки, а сигналы с двух матриц ФЭУ записываются системой сбора данных. Для минимализации уровня радиоактивности вблизи чувствительного объема детектора потенциально радиоактивные компоненты вынесены за пределы пассивной защиты, а в конструкции самого детектора использованы низкофоновые материалы. Детектор соединяется с основными системами через интерфейсный модуль Вгеак-ТЬго^И-Вох (ВТВ) при помощи гибких металлорукавов, в которых проходят высоковольтные (ВВ) и сигнальные кабели, а также газовые коммуникации.

(б)

Рис.1.1. Блок-схема установки РЭД-100 (а): 1 - система управления термосифонами; 2 - жидко-азотный дьюар термосифонной криогенной системы; 3 - пассивная защита; 4 - детектор РЭД-100; 5 - интерфейсный модуль Вгеак-ТЬгои§Ь-Вох (ВТВ); 6 - система газовой очистки; 7,8 - система хранения газообразного ксенона; 9 - система сбора данных; внешний вид установки

РЭД-100 в экспериментальном зале межкафедральной лаборатории экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ (б).

1.1. Принцип работы детектора

В основе работы детектора РЭД-100 лежит эмиссионный принцип регистрации ионизирующих частиц [33]. Устройство и принцип работы детектора показаны на Рис. 1.2.

Рис. 1.2. Принцип работы и устройство детектора РЭД-100: 1 - внешний сосуд титанового криостата, 2 - внутренний сосуд титанового криостата, 3 - верхняя матрица из девятнадцати ФЭУ типа Иашаша1Би Я11410-20, 4 - сетчатый анод и электронный затвор, 5 - рабочий объем, окруженный тефлоновым отражателем со

встроенными полезадающими электродами, 6 - сетчатый катод, 7 - нижняя матрица из девятнадцати ФЭУ, 8 - нижний центральный теплосъемник с термосифоном, 9 - медная обойма для нижней матрицы ФЭУ, 10 - медный кожух холодного сосуда криостата, 11 - один из двух боковых теплосъемников с термосифонами, 12 - медная обойма верхней матрицы ФЭУ, 13 - гибкий тепловой мост, 14 - верхний центральный теплосъемник с медным диском, на котором конденсируется ксенон, 15 - теплоизолирующий подвес на основе материала УеБре1®, 16 - сильфонная тепловая развязка для вывода кабелей; е- - электроны ионизации, V - антинейтрино, передающее энергию ионизирующему ядру отдачи, - сцинтилляционная вспышка,

Б2 - электролюминесцентная вспышка.

При взаимодействии с плотной рабочей средой детектора ионизирующая частица теряет свою энергию на возбуждение атомов жидкого ксенона и ионизацию. Переход возбужденных атомов ксенона в основное состояние приводит к генерации сцинтилляции Б1. Образовавшиеся в результате ионизации электроны вытягиваются электрическим полем в газовую фазу. При дрейфе в газе при достаточно сильном электрическом поле (более ~1 кВ/сматм) электроны возбуждают атомы среды, что приводит к генерации второго светового сигнала Б2, называемого электролюминесценцией (пропорциональной сцинтилляцией). Интенсивность электролюминесценции составляет несколько сотен фотонов на один электрон ионизации на 1 см дрейфа в поле ~10 кВ/см-атм, таким образом данный процесс является превосходным способом усиления слабого сигнала. Время высвечивания основных возбужденных состояний ксенона составляет т1=3 нс и т2=27 нс, а максимум спектра излучения газообразного и жидкого ксенона для сигналов и Б2 лежит в области вакуумного ультрафиолета ~175 нм. Для регистрации световых сигналов используются ФЭУ Иашаша1Би Я11410-20, специально разработанные для работы в жидком ксеноне и чувствительные к данной длине волны, что позволяет обходиться без применения спектросместителей. Пространственная координата в плоскости ХУ

восстанавливается по распределению интенсивности сигнала 82 в матрице ФЭУ, а по временной задержке на время дрейфа электронов между сигналами 81 и 82 определяется третья координата Ъ. Таким образом, двухфазный эмиссионный детектор можно рассматривать как своеобразную время-проекционную камеру. Трехмерная реконструкция координат точки первичного взаимодействия позволяет выделить БУ внутри детектора, где производится поиск полезных событий, при этом все события вблизи стенок детектора могут быть отброшены как фоновые события от внешней радиоактивности. Такой подход позволяет организовывать считывание сигналов в режиме детектора «без стенок» [34]. В РЭД-100 БУ содержит ~100 кг жидкого ксенона. Еще одной особенностью детекторов данного типа является возможность эффективной дискриминации между событиями вызванными взаимодействием гамма-квантов и ядрами отдачи по отношению сигналов 82/81, что позволяет достичь исключительно хорошего разделения полезного сигнала и фона (при условии достаточно интенсивного сигнала 81).

1.2.Дрейфовый объем

Дрейфовый объем детектора РЭД-100 (Рис. 1.3) предназначен для создания электрического поля в жидком ксеноне, собирания электронов ионизации и сцинтилляционных фотонов, а также генерации электролюминесцентного сигнала в газе. Дрейфовый объем выполнен в виде двенадцатигранной тефлоновой полости, содержащей систему дрейфовых электродов, и просматривается двумя матрицами по 19 штук ФЭУ Иашаша1Би Я11410-20. Со стороны ФЭУ дрейфовый объем заключен между сетчатыми6 электродами, включая катод С и электронный затвор (состоящий из верхнего 01 и нижнего 02 электродов), находящиеся в жидкости, а также анод А, расположенный в газе. Электронный затвор располагается непосредственно под поверхностью раздела фаз. Уровень жидкости устанавливается посередине между сеткой 01 и анодом А. Электроны

6 Плоскими, электролитически сформированными из фольги из нержавеющей стали толщиной 0,2 мм с гексагональными ячейками 4x6 мм

ионизации дрейфуют под действием электрического поля, создаваемого между катодом С и анодом А. Для однородности дрейфового поля между ними используются 20 медных дрейфовых колец, последовательно соединенных друг с другом через цепочку 1 ГОм резисторов. Вытягивание электронов ионизации из жидкой в газовую фазу и последующая электролюминесценция обеспечиваются разностью потенциалов между сеткой 01 и анодом А.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хромов Александр Владимирович, 2019 год

- 1

: | 1,

ю кН ..... кг

Рис. 6.5. Расчётный спектр событий УКРН, на предполагаемом месте установки детектора РЭД-100 на Калининской АЭС.

Одним из основных источников фона являются нейтроны и гамма-кванты. Для измерения потока тепловых и эпитермальных нейтронов использовался нейтронный детектор на базе 3Не счетчиков. Для регистрации быстрых нейтронов использовался детектор производства компании Bicron на основе жидкого сцинтиллятора ВС-501А объемом 579,2 мл, который был предварительно калиброван с помощью радиоактивных нейтронных источников в лабораториях ИТЭФ (Москва) и ОИЯИ (Дубна). Измерения на реакторе производились при содействии персонала эксперимента DANSS, который имеет доступ на КАЭС вблизи предполагаемого места постановки эксперимента с РЭД-100. Было показано, что поток нейтронов в диапазоне энергий от тепловых до 1 МэВ не превышает поток нейтронов в наземной лаборатории в НИЯУ МИФИ, где производились физические испытания детектора РЭД-100, при этом форма нейтронных спектров подобна, что доказывает их космогенную природу [94].

С помощью германиевого детектора, принадлежащего коллаборации DANSS, было подтверждено, что интенсивность гамма-фона на месте постановки эксперимента при работающем реакторе в среднем вдвое превышает интенсивность гамма-фона в лабораториях вне КАЭС. При этом формы спектров практически совпадают за исключением превышения гамма-фона на реакторе тяжёлыми изотопами и 60Co. Вероятная причина этого эффекта связана с тем, что защита реактора выполнена из тяжёлого бетона с повышенным содержанием гранита. Таким образом, было сделано заключение, что при расчётах можно пользоваться гамма-спектрами, измеренными в нормальных наземных лабораториях.

Суммарный фон от гамма-квантов и нейтронов в детекторе РЭД-100 с минимальной защитой из 10 см свинца и 15 см воды ожидается на уровне эффекта от УКРН, таким образом, эксперимент может быть поставлен в режиме сравнения скорости счета событий при включенном и выключенном реакторе [49].

6.2. Ускорительный эксперимент

Принципиально возможно также проведение эксперимента с помощью

РЭД-100 на ускорителях. Наиболее подходящими являются импульсные

+

ускорители, где неитрино генерируются от остановившихся п -мезонов, образующихся при сбросе ускоренных протонов на мишень. Интенсивный протонный пучок с энергией порядка 1 ГэВ сталкиваясь с мишенью генерирует п+ и п--мезоны. Последние быстро захватываются атомными ядрами, а п+-мезоны, останавливаясь, распадаются с испусканием монохроматических нейтрино v^ с энергией 30 МэВ и мюонов, распады которых дают и ve с энергиями порядка

нескольких десятков МэВ. Энергии протонов ~1 ГэВ позволяют значительно подавить вклад от каонов и пионов, распадающихся на лету. Так как вклад нейтрино от распадов налету невелик, то размытие линии 30-МэВных v^ незначительно. Мюонные нейтрино генерируются непосредственно во время сброса протонов на мишень, а основная часть электронных нейтрино и мюонных антинейтрино - после сброса в течение нескольких микросекунд, с постоянной времени спада интенсивности потока, равной времени жизни мюона 2,2 мкс. Средняя плотность потока нейтрино при выделяемой на мишени мощности

7 2 1

порядка 1 МВт составляет ~10 v см- с- . Импульсная временная структура потока нейтрино является важной характеристикой, используемой для подавления фона не связанного с работой ускорителя. В мире существует всего несколько ускорительных комплексов такого типа, а их сравнительные характеристики приведены в Табл. 6.1. Из числа работающих ускорительных комплексов наилучшими условиями с точки зрения общей интенсивности (выделяемой мощности на мишени) и фактора подавления фона, определяемого отношением длительности промежутка времени, в течение которого испускаются нейтрино, к интервалу между сбросами, является Spallation Neutron Source (ORNL), но возможна постановка эксперимента и на ряде других ускорителей.

Табл. 6.1. Ускорительные комплексы, на которых возможна постановка экспериментов по исследованию УКРН с помощью РЭД-100.

Ускоритель- Местоположение, Энергия Мощность Структура Частота

ный лаборатория протонов, на мишени, банча повторения,

комплекс ГэВ МВт Гц

LAMPF США, LANL 0,8 0,8 600 мкс 120

ISIS Великобритания, RAL 0,8 0,16 2 х 200 нс 50

BNB США, FNAL 8 0,032 1,6 мкс 5-11

SNS США, ORNL 1.3 1,4 700 нс 60

MLF Япония, J-PARC 3 1 2х(60-100) нс 25

CSNS Китай (планируемый) 1,6 0,1 <500 нс 25

ESS Швеция (планируемый) 1,3 5 2 мс 17

DAE5ALUS планируемый 0,7 ~7 100 мс 2

Стоит также отметить, что кроме ускорителей представленных в Табл. 6.1. в качестве источника нейтрино для регистрации УКРН можно рассматривать накопленный пучок тяжелых ионов в бустере коллайдера NICA [101], проходящий через установку BM@N и сбрасываемый на мишень полного поглощения.

В настоящее время процесс УКРН исследуется на SNS международной коллаборацией COHERENT. Пучок протонов с энергией 1 ГэВ бомбардирует мишень из жидкой ртути 700-наносекундными импульсами с частотой 60 Гц. Протоны останавливаются в мишени и благодаря распадам п+-мезонов производят

7 2 1

, v^ и ve. Суммарный поток нейтрино составляет ~ 4,3*10 см- с- в 20 метрах

от центра мишени. Энергетический и временной спектры нейтрино от SNS представлены на Рис. 6.6.

(а) (б)

Рис.6.6. Энергетический (а) и временной (б) спектры нейтрино на SNS [21]. Распад п+-мезонов в состоянии покоя производит моноэнергетичные v^ с

энергией 30 МэВ. Последующий 3-частичный ^+-распад дает спектр v^ и ve с

энергиями до 52,6 МэВ.

Для постановки эксперимента COHERENT было выбрано помещение в

подвале мишенного здания ускорителя («нейтринная аллея»), характеризующееся

низким уровнем нейтронного фона. Подвал находится на глубине,

соответствующей толщине ~ 8 м.в.э., и на минимальном расстоянии ~ 19 м от

мишени.

Потенциально детектор РЭД-100 может быть размещен в «нейтринной аллее», как показано на Рис.6.7 и 6.8.

Рис.6.7. Схема подвального помещения на SNS c расположением различных детекторов [102].

Рис.6.8. Возможное расположение детектора РЭД-100 в «нейтринной аллее» на

Средний поток нейтрино на БКБ в ~106 меньше в сравнении с реактором.

2 /■

Однако увеличение сечения взаимодействия УКРН как ~Е , а также большая энергия нейтрино до ~50 МэВ позволяют получить спектр ядер отдачи в РЭД-100 до ~40 кэВ (Рис 6.9).

Хе recoils kinetic energy modZ<207.05mm, R<189mm

h82

En 0193 19590 iVoai вчТУ? RMS 7.153

Overflew о irtegrai I 95!W)4

1

- ,, , ,,,, 1,,,, , III

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

recoil energy, keV

Рис.6.9. Скорость счета событий в детекторе для ядер отдачи в РЭД-100 на SNS.

Кроме постоянного внешнего фона от гамма квантов и космогенных нейтронов, на SNS присутствует фон от прямых нейтронов, рождающихся в момент сброса протонов на мишень. Для оценки этого фона коллаборацией COHERENT была проведена кампания по измерению нейтронного фона (Рис. 6.10). Измерения показывают, что небольшой фоновый вклад от нейтронов, связанных с пучком, может присутствовать в «быстром» окне v^ (совпадающем

со сбросом протонов на мишень), в то время как в «задержанном» окне и V, их вклад пренебрежимо мал.

(а) (Ь)

Рис.6.10. Измеренный нейтронный фон на SNS (а) в различных местах мишенного зала SNS. В «нейтринной аллее» (basement) фон подавлен на 4-5 порядков относительно экспериментального зала; временная структура быстрых нейтронов (б) [21].

Импульсная временная структура пучка (дьюти-фактор) позволяет снизить фон в 1600 раз. Однако для у детектора РЭД-100 существует мертвое время, равное времени собирания электронов ионизации от взаимодействия нейтрино, определяемое временем дрейфа ~250 мкс. Для того чтобы воспользоваться преимуществом импульсного ускорителя в подавлении фона в 1600 раз с учетом необходима временная привязка по сцинтилляционному сигналу S1 (Рис. 6.11).

Рис.6.11. Временная шкала, показывающая возможность использования импульсной структуры пучка для подавления фона в РЭД-100, не связанного с работой ускорителя.

Отклик детектора РЭД-100 на возможном месте проведения эксперимента с защитой из 10 см свинца и 15 см воды на расстоянии ~30 м от мишени в «нейтринной аллее» 8К8 был получен с помощью моделирования в GEANT4. Для получения спектра событий УКРН использовался полученный спектр ядер отдачи (Рис. 6.9) с учетом ионизационного и сцинтилляционного выхода, а также дьюти-фактора. В расчет также принимались данные по измеренным нейтронным фонам, а также внешний и внутренний гамма-фоны. Результаты расчетов представлены на Рис.6.12. При расчетах использовалась временная привязка к сбросу пучка со сцинтилляционным триггером S1>2 SPE.

(а)

(б)

0 2000 4000 6000 &000 10000 12000 14000 16000

рЬоюе1ес1гопз

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

рИо1ое1ес1гоп5

(в)

(г)

Рис.6.12. Расчетный спектр событий от УКРН и фона на SNS: сигнал и гамма-фон без учета дьюти-фактора (а); сигнал и гамма-фон с учетом дьюти-фактора 1600 и S1>2 SPE (б); сигнал и нейтронный фон с учетом дьюти-фактора 1600 и S1>2 SPE (в); сигнал и нейтронный фон с учетом дьюти-фактора 1600 и S1>2 SPE для окна >1 мкс после сброса пучка (г).

За 9 месяцев экспозиции на ускорителе SNS можно зарегистрировать ~1900 событий от УКРН. Гамма-фон существенно понижается за счет дьюти-фактора ускорителя. Однако для уверенного подавления фона от прямых нейтронов от SNS необходимо регистрировать сигнал от «задержанных» нейтрино в окне >1мкс с момента сброса пучка (при этом сигнал от «быстрых» v^ будет потерян). С учетом этого критерия статистика от УКРН составит 1200 событий за 9 месяцев работы SNS, при соотношении сигнал/шум 8:1.

6.3.Другие возможные эксперименты

С помощью РЭД-100 можно также организовать поиск двойного

10 А 7R

безнейтринного бета-распада Xe и Kr. Этот процесс (A, Z) ^ (A, Z ± 2)+2р± нарушает закон сохранения лептонного числа и возможен только в том случае, если нейтрино является массивной Майорановской частицей, т.е. своей собственной античастицей [103]. Период полураспада активных изотопов относительно этих процессов обратно пропорционален квадрату эффективной Майорановской массы электронного нейтрино. В случае обнаружения безнейтринного двойного бета-распада из величины периода полураспада T1/2 может быть установлена величина эффективной Майорановской массы электронного нейтрино, а с учётом данных по осцилляциям определены величины масс других типов нейтрино. Стандартным для поиска массы нейтрино процессом является двойной безнейтринный электронный бета-распад (0v2p-). Наилучшие на сегодняшний день экспериментальные пределы на массу нейтрино получены из результатов по измерению периода полураспада изотопов распадающихся именно по этому каналу [104]. Для ряда изотопов возможен также двойной электронный

захват (ECEC), электронный захват с образованием позитрона (P+EC) и двойной позитронный распад (2р+). Несмотря на то, что подверженные таким распадам изотопы как правило характеризуются пониженным содержанием в естественной смеси и большей теоретической величиной периода полураспада по отношению к 2р- распадам, преимуществом 2р+ распада является образование пары позитронов, аннигилирующих на четыре гамма кванта, что предает данной реакции уникальную сигнатуру. Стандартной технологией поиска 2р+ является тщательные спектрометрические измерения в районе возможного проявления энергетического пика от позитронов при подавлении и учёте всех возможных

124 78

фонов в этой области. Чувствительными к 2р+ изотопами являются Xe и Kr, а наилучшие на сегодняшний день экспериментальные пределы на их период полураспада в 2p0v моде были получены более 20 лет назад в экспериментах с газовыми ионизационными камерами в низкофоновых подземных лабораториях [105,106]. В этих экспериментах в качестве рабочего вещества использовались высокообогащенные изотопы, что из-за их высокой стоимости сильно ограничивает дальнейшее развитие такого рода подхода. Поэтому для поиска 2p+0v процесса для 124Хе можно использовать РЭД-100 без дополнительного

78

обогащения по данному изотопу, а для исследования распада Kr этот изотоп может быть растворен непосредственно в жидком ксеноне.

_1_ 124 78

Полезное событие 2р -распада изотопов Хе и Kr в жидком ксеноне будет выглядеть как 5 точечно-подобных ионизационных кластеров, лежащих практически (с точностью до нескольких миллиметров) в одной плоскости, причём, центральный кластер будет иметь хорошо определённую энергию в безнейтринной моде: 821 кэВ в случае 124Хе (2fi+0у)-распада и 801 кэВ в случае

7R +

Kr (2в 0у)-распада (Рис.6.13). Размер ионизационных кластеров не будет превышать 2 мм. Четыре кластера, окружающие центральный кластер, будут размещены попарно на одной линии, проходящей через центральный кластер, в круге радиусом 11 см с вероятностью около 80%, представляя точки взаимодействия аннигиляционных гамма-квантов с жидким ксеноном, т.е. точки

комптоновского рассеяния с энерговыделением порядка 100 кэВ либо (с меньшей

вероятностью) точки фотопоглощения с энерговыделением 511 кэВ.

■у

Рис.6.13. Схематическое изображение события позитронного двойного бета-распада в детекторе РЭД-100, заполненном жидким ксеноном. Пробеги позитронов в жидком ксеноне выглядят как квазиточечные ионизационные

безнейтринных распадов. Пары аннигиляционных гамма-квантов, разлетаясь в противоположные стороны из ионизационного кластера претерпевают комптоновское рассеяние с энерговыделениями в точке рассеяния ~100 кэВ или (реже) фотопоглощение с энерговыделением 511 кэВ [35,107].

Триггером на возможное полезное событие может служить сцинтилляционная вспышка, соответствующая энерговыделению в чувствительном объеме детектора порядка 1 МэВ. Система сбора данных должна содержать в оперативной памяти амплитуды всех точечно-подобных событий с энерговыделениями >100 кэВ за период времени ~250 мкс, соответствующий дрейфу электронов через ~40 см жидкого ксенона. В случае появления триггера вся эта информация должна быть записана для последующего оффлайн анализа. Анализ заключается в поиске 3-4 точечно-подобных событий с энерговыделениями >100 кэВ, лежащих в одной плоскости и окружающих вершинное точечно-подобное событие с энерговыделением 821 или 801 кэВ в зависимости от искомого распада. Принадлежность к одной плоскости определяется из существования решения системы из 3 уравнений относительно коэффициентов А, В, С

78 1 9 А

кластеры с энерговыделениями 801 кэВ ( &) и 821 кэВ ( Хе) в случае

А х +В у; + С ^ = 0, (19)

где координаты х;, у;, определяются как разница координат точечно-подобных событий с энерговыделениями >100 кэВ, окружающих вершинное точечно-подобное событие с энерговыделением 821 или 801 кэВ, и соответствующих координат этого вершинного события.

Оценки показывают, что вероятность имитации таких специфических событий естественным радиоактивным фоном достаточно мала, поэтому можно поставить эксперимент по установлению рекордных значений периодов (2в+0у)-распадов в условиях нормальной наземной лаборатории. Согласно масс-спектрометрическим

124

данным, в ксеноне, который используется в РЭД-100, содержится около 20 г Хе.

124

При экспозиции в течение месяца с данным количеством Хе можно

21

рассчитывать получить ограничение > 10 лет на время полураспада по каналу

по

(2в 0у). Экспозиция детектора порядка 2 месяцев с массой изотопа & 100 г

22

позволит установить новый рекорд на период полураспада на уровне >10 лет. Следует отметить, что среди всех действующих сейчас двухфазных эмиссионных детекторов на жидком-ксеноне, только РЭД-100 можно использовать для решения этой задачи, благодаря существенно пониженному против естественного

124

содержанию изотопа Хе в рабочей среде, распады которого трудно отличить от

78

распадов Характеристики детектора РЭД-100, включающие возможность

регистрировать гамма-кванты с энергией > 500 кэВ, а также восстанавливать точку его взаимодействия, позволяют рассчитывать на получение рекордных результатов.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Создан двухфазный эмиссионный детектор РЭД-100 на основе жидкого ксенона с массой рабочего вещества 200 кг, включающий оригинальные конструктивные элементы, обеспечивающие его функционирование с целью исследования процесса упругого когерентного рассеяния реакторных электронных антинейтрино на тяжелых ядрах ксенона:

- систему термостабилизации низкофонового титанового криостата детектора РЭД-100 на базе термосифонной технологии с мощностью охлаждения в стационарном режиме до 400 Вт;

- систему циркуляционной очистки газообразного и жидкого ксенона для обеспечения собирания электронов ионизации из рабочего объема детектора с длиной дрейфа, превышающей линейные размеры рабочего объема детектора;

- систему питания криогенных фотоэлектронных умножителей Hamamatsu R11410-20, которая позволяет блокировать электролюминесцентные сигналы на время дрейфа ионизационных электронов, образованных от взаимодействия космических мюонов с рабочим веществом детектора, с целью защиты ФЭУ от интенсивной засветки, вызванной фоном космических мюонов при эксплуатации детектора на поверхности Земли;

- электронный затвор для разгрузки поверхности жидкого ксенона от неэмитировавших электронов ионизации от фоновых событий.

2. Проведены испытания установки РЭД-100, которые продемонстрировали, что:

- система термосифонного криостатирования позволяет поддерживать жидкий ксенон в детекторе РЭД-100 при температуре 170 К с точностью ±0,2 К и градиентом температуры по высоте детектора <1 К/м при уровне потребления жидкого азота не более 2 л/ч в режиме непрерывной циркуляционной очистки жидкого ксенона;

- система циркуляционной очистки газообразного и жидкого ксенона позволяет собирать электроны ионизации из всего рабочего объема детектора при длине дрейфа до захвата электроотрицательными примесями >3 м;

- детектор РЭД-100 позволяет проводить спектрометрию одиночных электронов ионизации в области энергий < 1 кэВ с величиной удельного светового выхода 25±1 ф.э./электрон;

- система питания криогенных фотоэлектронных умножителей Hamamatsu R11410-20 позволяет уменьшить величину среднего анодного тока от космических мюонов более чем на три порядка, что позволяет ФЭУ работать в линейном режиме без ухудшения их квантовой эффективности в течение нескольких лет;

- электронный затвор позволяет понизить в 3 раза шум от спонтанной эмиссии одиночных электронов ионизации, который является доминирующим фоном при регистрации процесса упругого когерентного рассеяния реакторных антинейтрино.

3. Проведен анализ возможности постановки эксперимента с помощью детектора РЭД-100 с достигнутыми характеристиками по исследованию процесса упругого когерентного рассеяния электронных антинейтрино на расстоянии 19 м от активной зоны ядерного реактора на Калининской АЭС с тепловой мощностью 3 ГВт, который показал, что скорость счета полезных событий может составить 1700 соб/сут при отборе сигналов, состоящих из >3 электронов ионизации. Таким образом, согласно расчетам создан детектор с рекордной чувствительностью к реакторным антинейтрино, который может позволить впервые наблюдать эффект упругого когерентного рассеяния реакторных антинейтрино на тяжелых ядрах ксенона.

Лабораторные испытания детектора РЭД-100 были проведены при поддержке Российского Научного Фонда (договор №18-12-00135). Детектор РЭД-100 полностью готов к экспериментам по исследованию процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах ксенона, а в настоящий

момент при поддержке госкорпорации «Росатом» ведутся подготовительные работы по его установке на одном из энергетических блоков Калининской АЭС.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность моему научному руководителю и заведующему межкафедральной лабораторией экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ А.И. Болоздыне за предоставленную возможность участвовать в эксперименте мирового уровня, а также неоценимый вклад в организацию работы и постоянную поддержку.

Я также признателен Ю.В. Ефременко, благодаря которому была создана межкафедральная лаборатория экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ в рамках мегагранта №№1Ш34.31.0049 от 19.10.2011 г., и осуществлявшему руководство проектом с 2011 г. по 2016 г.

Хотелось бы также поблагодарить всех сотрудников межкафедральной лаборатории экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ, без помощи которых данная работа была бы невозможна. Особенную благодарность хочу выразить Акимову Д. Ю., Сосновцеву В. В., Белову В. А., Этенко А. В., Кумпану А. В., Шакирову А. В., Меликяну Ю. А., Коновалову А. М., Рудику Д. Г., Симакову Г. Е., Козловой Е. С., Разуваевой О. Е.

Список литературы

1. F. Reines, C.L. Cowan. Detection of the free neutrino, Phys. Rev. Lett., (1953), v. 92, p. 830-831.

2. K. Eguchi, S. Enomoto, K. Furuno et al., First results from KamLAND: Evidence for reactor Anti-Neutrinos disappearance, Phys. Rev. Lett., (2003), 90, 021802.

3. Копелиович В Б, Франкфурт Л Л. Изотопическая и киральная структура нейтрального тока, Письма в ЖЭТФ, (1974), 19 236.

4. Freedman D Z. Coherent effects of a weak neutral current, Phys. Rev. D, (1974), 9 1389.

5. Beacom J F, Farr W M, Vogel P. Detection of Supernova Neutrinos by NeutrinoProton Elastic Scattering. Phys. Rev, (2002), D6 033001.

6. J. Barranco, O. G. Miranda, and T.I. Rashba. Probing new physics with coherent neutrino scattering off nuclei. J. High Energy Phys., (2005), 12 021.

7. K.A. Olive et al. "Review of Particle Physics." Chin. Phys. (2014), C 38, 090001.

8. A. Drukier and L. Stodolsky. Principles and Applications of a Neutral Current Detector for Neutrino Physics and Astronomy, Phys. Rev., (1984), D 30 2295.

9. D. Z. Freedman, D. N. Schramm, D. L. Tubbs.The weak neutral current and its effects in stellar collapse. Annu. Rev. Nucl. Sci, (1977), 27, 167-207.

10. Barranco J, Miranda O G, Rashba T I. Sensitivity of low energy neutrino experiments to physics beyond the standard model. Phys. Rev. D, (2007), 76 073008.

11. Dutta B et al. Sensitivity to Z-prime and non-standard neutrino interactions from ultra-low threshold neutrino-nucleus coherent scattering, Phys. Rev. D, (2016), 93 013015.

12. P.S. Amanik and G.C. McLaughlin. Nuclear neutron form factor from neutrino nucleus coherent elastic scattering. J. Phys. G36, (2009), 015105.

13. Patton K et al. Neutrino-nucleus coherent scattering as a probe of neutron density distributions. Phys. Rev. C86, (2012), 024612.

14. Kosmas T.S. et al. Probing neutrino magnetic moments at Spallation Neutron Source facilities. Phys. Rev. D , (2015), 92 013011.

15. J. Billard, E. Figueroa-Feliciano, and L. Strigari. Implication of neutrino backgrounds on the reach of next generation dark matter direct detection experiments. Phys. Rev. D89, (2014), 023524.

16. L.A.Mikaelyan. Neutrino laboratory in the atomic plant. Conf. "Neutrino-77", (1978), v.2, p. 383-387. "Nauka", Moscow.

17. A. Bernstein et al. Nuclear security applications of antineutrino detectors: current capabilities and future prospects. Science & Global Security, (2010), Volume 18, Issue 3, pp 127-192.

18. Akimov D et al. Observation of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering. (2017), Science 357 1123.

19. Акимов Д Ю, Белов В А, Болоздыня А И и др. Упругое когерентное рассеяние нейтрино на атомном ядре - недавно обнаруженный тип взаимодействия нейтрино низких энергий, УФН, (2019), 189, 173-186.

20. А.А. Буренков, Д.Ю. Акимов, Ю.Л. Гришкин и др. Регистрация одиночного электрона ионизации в электролюминесцентных детекторах на основе ксенона. Phys. Atom. Nucl. (2009), 72: 653-661.

21. Akimov D et al. COHERENT 2018 at the Spallation Neutron Source. (2018), arXiv:1803.09183.

22. Rex Tayloe for COHERENT collaboration. The CENNS-10 Liquid Argon Detector to measure CEvNS at the Spallation Neutron Source. Proceedings of "LIDINE 2017: Light Detection In Noble Elements", (2017).

23. Aguilar-Arevalo A, Bertou X, Bonifazi C et al. The CONNIE experiment. J. Phys.: Conf. Ser. (2016), 761 012057.

24. Medvedev D "Investigation of neutrino properties with Ge detectors on KNPP", доклад на международной сессии-конференции секции ядерной физики ОФН РАН "Физика фундаментальных взаимодействий", посвященной 50-летию Баксанской нейтринной обсерватории, (2017).

25. Belov V et al. The vGeN experiment at the Kalinin Nuclear Power Plant. JINST, (2015), 10 P12011.

26.W. Maneschg. Status of the CONUS experiment. Доклад на конференции «Neutrino 2018», (2018).

27. Wong H T. Low energy neutrino physics at the Kuo-Sheng Reactor Neutrino Laboratory in Taiwan, Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.), (2005), 138 333-336.

28. Soma A K et al. Characterization and Performance of Germanium Detectors with sub-keV Sensitivities for Neutrino and Dark Matter Experiments, (2016), NIM A 836 67.

29. Strauss R et al. The v-cleus experiment: A gram-scale fiducial-volume cryogenic detector for the first detection of coherent neutrino-nucleus scattering.

Eur. Phys. J. C, (2017), 77 506.

30. Billard J et al. Coherent neutrino scattering with low temperature bolometers at Chooz reactor complex. J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. (2017), 44 105101.

31. Веб-сайт коллаборации MINER http://miner.physics.tamu.edu/index.html#

32. Agnolet G et al. Background Studies for the MINER Coherent Neutrino Scattering Reactor Experiment NIM A, (2017), 853 53.

33. B.A. Dolgoshein, V.N. Lebedenko and B.U. Rodionov. New method of registration of ionizing particle tracks in condensed matter, JETP Lett. (1970), 11, 351.

34. Bolozdynya A., Egorov V., Rodionov B., Miroshnichenko V. Emission detectors. IEEE Transactions on Nuclear Science, (1995), Vol. 42, No. 4.

35. A. Bolozdynya. Emission detectors Singapore: World Scientific, (2010), 209 p.

36. R. Acciarri, et al., LBNF and DUNE CDR (Volume 4: The DUNE Detectors at LBNF), (2016), arXiv: 1601.02984v 1.

37. L. Zambelli, S. Murphy for the WA105 Collaboration. WA105: A large demonstrator of a liquid argon dual phase TPC. Journal of Physics:Conference Series, (2017), Volume 888, conference 1.

38. Aprile E. et al. First Results from the XENON10 Dark Matter Experiment at the Gran Sasso National Laboratory. Phys. Rev. Lett. (2008), 100, 021303.

39. G.J. Alner et al. First limits on WIMP nuclear recoil signals in ZEPLIN-II: A two-phase xenon detector for dark matter detection. Astroparticle Physics, (2007), 28 287302.

40. D. Y. Akimov et al. WIMP-nucleon cross-section results from the second science run of ZEPLIN-III", Phys. Lett. B, (2012), 709: 14.

41. Aprile E. et al. (XENONIOO Collaboration). XENONIOO dark matter results from a combination of 477 live days. Phys. Rev. D, (2016), 94, 122001.

42. Akerib D. S. et al. (LUX Collaboration). Results from a search for dark matter in the complete LUX exposure. Phys. Rev. Lett., (2017), 118, 021303.

43. Mengjiao Xiao et al.First dark matter search results from the PandaX-I experiment. Science China Physics, Mechanics and Astronomy, (2014), volume 57, issue 11, pp 2024-2030.

44. Tan A. et al. (PandaX-II Collaboration). Dark matter results from first 98.7 days of data from the PandaX-II experiment. Phys. Rev. Lett. (2016), 117, 121303.

45. E. Aprile et al. (XENON). Physics reach of the XENON1T dark matter experiment. (2016), JCAP 1604 027.

46. HongGuang Zhang et al. Dark matter direct search sensitivity of the PandaX-4T experiment. Science China: Physics, Mechanics and Astronomy, (2019), 62(3):31011.

47. B.J. Mount et al.LUX-ZEPLIN (LZ) Technical Design Report, (2017), arXiv: 1703.09144 [physics.ins-det].

48. Aalbers J. et al. (DARWIN Collaboration) DARWIN: towards the ultimate dark matter detector. J. Cosmol. Astropart. Phys. 1611, 017, 2016.

49. D.Yu. Akimov et. al., Status of the RED-100 experiment, Journal of Instrumentation, (2017), Volume 12.

50. D.Yu. Akimov et. al., The RED-100 two-phase emission detector, Instruments and Experimental Techniques, (2017), Volume 60, Issue 2, pp 175-181.

51. D.Yu. Akimov et al. RED-100 detector for the first observation of the elastic coherent neutrino scattering off xenon nuclei. Journal of Physics Conference Series, (2016), 675(1):012016.

52. Д.Ю. Акимов и др. Измерение одноэлектронных шумов в эмиссионном детекторе на жидком ксеноне. Приборы и техника эксперимента, (2012), № 4, с. 7-13.

53. D Akimov et al. Observation of delayed electron emission in a two-phase liquid xenon detector, JINST, (2016), Volume 11, C03007.

54. P. Sorensen and K. Kamdin. Two distinct components of the delayed single electron noise in liquid xenon emission detectors, JINST, (2018), volume 13, P02032.

55. Патент на полезную модель №184222 Российская Федерация, МПК G01T 1/00. Двухфазный эмиссионный низкофоновый детектор, Акимов Д.Ю., Болоздыня А. И., Коновалов А.М., Кумпан А.В., Меликян Ю.А.,Рудик Д.Г., Сосновцев В.В., Хромов А. В., Шакиров А. В.; заявитель и патентообладатель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ). - №2018124350; заявл. 03.07.2018; опубл. 18.10.2018, Бюл. № 29.

56. Патент на полезную модель №178641 Российская Федерация. МПК F25D 3/00. Криостат для охлаждения и поддержания при заданной температуре массивных устройств, Акимов Д.Ю., Болоздыня А. И., Сосновцев В.В., Хромов А. В., Шакиров А. В.; заявитель и патентообладатель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ). - № 2017135914; заявл. 09.10.2017; опубл. 16.04.2018, Бюл. №11.

57. Montaser A. et al. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry. Wiley- VCH, 1998.

58. Poteshin S S et al., Determination of traces of uranium and thorium in titanium and copper used for the construction of the Russian Emission Detector 100 by inductively coupled plasma mass spectrometry, European Journal of Mass Spectrometry, (2015), 21(3):335-40.

59. D Akimov et al., Investigation of Coherent Neutrino Scattering at the Spallation Neutron Source , Physics Procedia, (2015), 74:411-415.

60. D. Yu. Akimov et al. Search for Elastic Coherent Neutrino Scattering off Atomic Nuclei at the Kalinin Nuclear Power Plant. Physics Procedia, (2015), 74:423-430.

61. D. Akimov et. al. Performance of Hamamatsu R11410-20 PMTs under intense illumination in a two-phase cryogenic emission detector. JINST, (2016), volume 11.

62. Hamamatsu Photonics K.K. "Photomultiplier Tubes: Basics and Applications," Edition 3a, (2007).

63. Jinno, T., Mori, T., Ohshima, T., Arita, Y., Inami, K., Ihara, T., Nishizawa, H., and Sasaki, T. Lifetime-Extended MCP-PMT. Nucl. Instrum. Meth. (2010), A 629, 111.

64. M Yu Barnyakov and A V Mironov .Photocathode aging in MCP PMT, Journal of Instrumentation, (2011), Volume 6.

65. D.Yu. Akimov et al. A controllable voltage divider for Hamamatsu R11410-20 photomultipliers for use in the RED100 emission detector, Instruments and Experimental Techniques, (2014), 57 no.5, 615-619.

66. D. Yu. Akimov et al. Noise characteristics of low-background Hamamatsu R11410-20 photomultiplier tubes. Instruments and Experimental Techniques, (2015), 58(3):406-409.

67. D. Yu. Akimov et al. Characterization of the low-background Hamamatsu R11410-20 cryogenic PMTs for the RED100 detector. Journal of Physics Conference Series (2016), 675(1):012022.

68. D. Yu. Akimov et al. Peculiarities of the Hamamatsu R11410-20 photomultiplier tubes. Proceedings of Science, (2016), Volume 252.

69. D. Yu. Akimov et al. Prospects for observation of neutrino-nuclear neutral current coherent scattering with two-phase xenon emission detector . Journal of Instrumentation, (2013), 8(10).

70. D. Akimov et al. Observation of light emission from Hamamatsu R11410-20 photomultiplier tubes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment, (2015), v. 794.

71. Наумов П.П. и др. Цифровая триггерная система для детектора RED-100. Ядерная физика и инжиниринг, (2014), том 5, номер 9-10, c. 824.

72. Brun R., Rademakers F. ROOT - An object oriented data analysis framework, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, (1997), Vol. 389, no. 1-2., P. 8186.

73. G.S.H. Lock, The Tubular Thermosyphon, Oxford: Oxford Univ. Press,

(1992).

74. A. Bolozdynya et al. IEEE Transactions on Nuclear Science: Cryogenics for the LUX Detector, (2009), Volume 56, Issue 4 Part 3 pp. 2309 - 2312.

75. V.V. Ananiev et al. Thermal stabilization system for the RED-100 liquid-xenon emission detector._Instruments and Experimental Techniques, (2015), 58(4):581-586.

76. Bolozdynya A. I. et al. Thermostabilization system based on two-phase closed cryogenic thermosyphon for RED100 Detector. Physics Procedia, (2015), Volume 74, pages 431-434.

77. A. I. Bolozdynya et al. Thermostatting of the RED-100 Liquid-Xenon Emission Detector. Instruments and Experimental Techniques, (2017), Volume 59, Issue 3, pp 483-486.

78. A I Bolozdynya et al. The two-phase closed tubular cryogenic thermosyphon. International Journal of Heat and Mass Transfer, (2015), 80:159-162.

79. Веб-сайт компании SAES Inc. http://saespuregas.com

80. D Akimov et al., A Two-Phase Emission Liquid Xe Detector for Study of Low-Ionization Events at the Research Reactor IRT MEPhI, IEEE Transactions on Nuclear Science, (2015), Vol. 62, No. 1.

81. M. Auger et. al. The EX0-200 detector, part I: detector design and construction Journal of Instrumentation. (2012). - May. - Vol. 7, no. 05. - P05010.

82. D Yu Akimov et al. Purification of liquid xenon with the spark discharge technique for use in two-phase emission detectors. Instruments and Experimental Techniques, (2017), Volume 60, Number 6, page 782.

83. Анисимов С.Н.,БарабашА.С.,Болоздыня А.И.,Стеханов В.Н. Установка для очистки жидких благородных газов объемом до 100 литров электроискровым методом. Препринт ИТЭФ ,(1987), No106., М.: ЦНИИатоминформ.

84. Ободовский И.М., Покачалов С.Г., Шилов В.А Новый метод очистки жидких благородных газов от электроотрицательных примесей. ЖТФ, (1980), т.50, № 9, с.2028-2030.

85. D. Yu. Akimov et. al., Synthesis of Titanium Nanoparticles in Liquid Xenon by a High-Voltage Discharge Technical Physics Letters, (2018),Vol. 44, No. 7, pp. 637-639.

86. Caio Licciardi for the nEXO Collaboration, The Sensitivity of the nEXO. Experiment to Majorana Neutrinos, Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series, (2017), 888, 012237.

87. E.L Patrick and M.L. Andrews. Electron drift velocities in xenon and xenon-nitrogen gas mixtures. Appl. Phys. Lett. (1991), 59, 3239.

88. Д.Ю. Акимов и др. Комплексный метод подготовки ксенона для использования в качестве рабочей среды двухфазного эмиссионного детектора РЭД-100. Приборы и техника эксперимента. (2019), Номер 4, с. 5-11.

89. V. Solovov et al. Position Reconstruction in a Dual Phase Xenon Scintillation Detector. IEEE Transactions On Nuclear Science, (2012), Vol. 59, No. 6.

90. E. Conti et al. Correlated fluctuations between luminescence and ionization in liquid xenon, Physical Review B, (2003), Vol. 68, no. 5.

91. E. Aprile, K. L. Giboni, P. Majewski, K. Ni and M. Yamashita. Observation of anticorrelation between scintillation and ionization for MeV gamma rays in liquid xenon, Physical Review B, (2007), 76, 014115.

92. Ardellier F et al., Letter of Intent for Double-CHOOZ: a Search for the Mixing Angle Theta13, (2004), hep-ex/0405032.

93. Beda, A.G. et al. Gemma experiment: The results of neutrino magnetic moment search . Phys. Part. Nucl. Lett. (2013), 10 pp. 139-143.

94. I. Alekseev et al. DANSS: Detector of the reactor AntiNeutrino based on Solid Scintillator. Journal of Instrumentation, (2016), Volume 11, P11011.

95. S. Agostinelli et al., Geant4 - a simulation toolkit, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, (2003), Vol. 506, no. 3., P. 250-303.

96. Веб-сайт коллаборации NEST, http://nest.physics.ucdavis.edu/site/

97. Szydagis, M. et al. NEST: A Comprehensive Model for Scintillation Yield in Liquid Xenon, JINST, (2011), 6 P10002.

98.Thomas J, Imel D A. Recombination of electron-ion pairs in liquid argon and liquid xenon. Phys. Rev. A, (1987), 36 614.

99. D Akerib et al. Low-energy (0.7-74 keV) nuclear recoil calibration of the LUX dark matter experiment using D-D neutron scattering kinematics, (2016), arXiv:1608.05381.

100. B. Leonardo et al. A Global Analysis of Light and Charge Yields in Liquid Xenon, IEEE Transactions on Nuclear Science, (2015), Volume 62, Issue: 6.

101. Vladimir Kekelidze, Vadim Kolesnikov and Alexander Sorin. BM@N and MPD experiments at NICA, EPJ Web Conf. , (2018), Volume 171.

102. A. Bolozdynya, F. Cavanna, Y. Efremenko, G.T. Garvey, V. Gudkov et al. Opportunities for Neutrino Physics at the Spallation Neutron Source: A White Paper. (2012), arXiv:1211.5199.

103. J. Schechter and J.W.F. Valle, Neutrinoless double-p decay in SU(2)xU(1) theories, Phys. Rev. D, (1981), 25 2951.

104. Laura Cardani. Neutrinoless Double Beta Decay Overview, (2018), https://arxiv.org/abs/1810.12828.

105. C. Saenz et al. Results of a search for double positron decay and electron-positron conversion of 78Kr, Physical Review C, (1994), Vol 50, No 2.

106. A. S. Barabash, V. V. Kuzminov, V. M. Lobashev, V. M. Novikov, B. M. Ovchinnikov and A. A. Pomansky, Results of the experiment on the search for double beta decay of 136Xe, 134Xe and 124Xe, Phys. Lett. B, (1989), 223, 273.

107. Bolozdynya A., Egorov V., Koutchenkov A., Safronov G., Smirnov G., Medved S. and Morgunov V. An electroluminescence emission detector to search for double beta positron decays of 124Xe and 78Kr, IEEE Trans. Nucl. Sci. (1997), 44, 1046-1051.