Исследование нейтронных фонов в низкофоновых экспериментах с применением новых методов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Пономарев Дмитрий Владимирович

• Пономарев Дмитрий Владимирович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Пономарев Дмитрий Владимирович

Введение

Глава 1. Основные источники нейтронов. Взаимодействие нейтронов с веществом

1.1. Источники нейтронов

1.1.1. Спонтанное и вынужденное деление

1.1.2. Ядерные реакции

1.1.3. Космические лучи

1.2. Взаимодействие нейтронов с веществом

1.2.1. Виды реакций с участием нейтронов

1.2.2. Взаимодействие нейтронов в веществе

1.2.3. Защита от нейтронов

1.3. Выводы к первой главе

Глава 2. Низкофоновые эксперименты по поиску редких событий

2.1. Эксперимент иGeN

2.2. Эксперимент EDELWEISS

2.3. Эксперимент Ricochet

2.4. Выводы ко второй главе

Глава 3. Сцинтилляционные детекторы нейтронов

3.1. Органические сцинтилляторы

3.2. Детекторы на основе литийсодержащих неорганических сцин-тилляторов

3.3. Регистрация нейтронов с помощью йодсодержащих сцинтил-ляторов

3.4. Выводы к третьей главе

Глава 4. Метод регистрации низких потоков нейтронов йодсодер-

жащим детектором по задержанным 77-совпадениям

4.1. Описание метода

4.2. Тестовые измерения в Дубне

4.3. Реализация метода в подземной лаборатории LSM в Модане

4.4. NaI(Tl+Li)-сцинтиллятор, как детектор нейтронов

4.4.1. Методы регистрации нейтронов NaI(Tl+Li)-детектором

4.4.2. Экспериментальное исследование характеристик NaI(Tl+Li)-детектора

4.4.3. Чувствительность NaI(Tl+Li)-детектора к нейтронам

4.5. Выводы к четвертой главе

Глава 5. Определение нейтронного фона и оценка соотношения сигнал/фон в эксперименте Ricochet на основе измерений потока

быстрых нейтронов 3He-счетчиком

5.1. Регистрация тепловых и быстрых нейтронов низкофоновым 3Не-счетчиком

5.2. Geant4 моделирование

5.2.1. Моделирование низкофонового 3Не- счетчика

5.2.2. Моделирование космогенных и реактогенных нейтронов

5.3. Поток быстрых нейтронов

5.3.1. Моделирование нейтронных событий в детекторах-болометрах, на основании результатов измерений потока быстрых нейтронов 3Не-счетчиком

5.3.2. Исследования фона быстрых нейтронов в ILL

5.4. Ожидаемый нейтронный фон в эксперименте Ricochet

5.5. Выводы к пятой главе

Заключение

108

Словарь терминов

Литература

Список иллюстраций

Список таблиц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование нейтронных фонов в низкофоновых экспериментах с применением новых методов»

Введение

Актуальность темы исследования. Изучение свойств нейтрино и поиск частиц темной материи являются одними из основных направлений в физике частиц. Отдельным классом экспериментов, направленных на решение указанных задач, являются низкофоновые эксперименты. Такими экспериментами являются те, в которых число фоновых событий сопоставимо или меньше числа взаимодействий нейтрино или темной материи с детектором. Для корректной интерпретации результатов низкофонового эксперимента требуется иметь как можно более точную модель фона.

Нейтроны являются одним из опасных источников фоновых событий для экспериментов по изучению нейтрино и по поиску темной материи. Это связано с проникающей способностью нейтронов, и с тем, что попадая в детектор, нейтроны могут вызывать в нем сигналы, неотличимые от искомых [1, 2]. Нейтронные фоны могут изучаться с помощью основного и вспомогательных детекторов. Предварительные измерения нейтронных потоков в месте проведения эксперимента позволяют выбрать оптимальную конфигурацию защиты установки и сделать предположения о вкладе нейтронного фона в результат. Мониторинг изменений потока нейтронов во время основных измерений является основой для корректной интерпретации результатов эксперимента. Нетривиальная задача измерения быстрых, тепловых и эпитер-мальных нейтронов зачастую заменяется измерением только тепловых нейтронов и использованием приближенных моделей нейтронного спектра. При этом, наличие даже минимальной информации о быстрых нейтронах приводит к качественному улучшению понимания нейтронного фона. Поэтому поиск простого способа регистрации быстрых нейтронов актуален в физике частиц.

«Золотым стандартом» для измерения потоков тепловых нейтронов являются пропорциональные 3Не-счетчики. Это обусловлено высоким сечением

захвата теплового нейтрона ядром 3Не (5333 б [3]) и низкой чувствительностью таких детекторов к 7-фону. Содержание изотопа 3Не в природном гелии крайне мало и составляет 0,000137% [3]. По этой причине весь коммерчески доступный 3Не нарабатывают в ядерных реакторах. Спрос на 3Не постоянно увеличивается, а производство остается на прежнем уровне. Это привело к серьезной нехватке этого изотопа. Так, в 2009 году мировой потенциальный спрос на 3Не составил 65000 литров, в то время как для поставок было доступно только 15000 литров [4, 5]. В 2020 году стоимость одного литра газообразного 3Не составляла более 2750 долларов [6]. Все выше перечисленное сделало 3Не-счетчики дорогим и труднодоступным средством для нейтронных измерений.

В настоящее время предпринимаются многочисленные усилия по поиску замены 3Не-счетчикам [7, 8]. Однако, большинство новых детекторов и методов регистрации нейтронов разрабатываются для направлений науки и техники, в которых изучаемые потоки нейтронов достаточно велики (нейтронная и ядерная физика, атомные станции и т.д.). В низкофоновых же экспериментах требуется регистрация потоков на уровне естественного нейтронного фона, составляющего порядка 10-3 нейтронов см-2 с-1 [9], а как правило, намного ниже. К примеру, в подземной лаборатории ЬБМ в Модане (далее ЬБМ) поток тепловых нейтронов составляет порядка 10-6 нейтронов см-2 с-1 [10]. Для регистрации таких потоков детектор должен обладать высокой чувствительностью и малым собственным фоном. Таким образом, несмотря на большое количество методов и детекторов регистрации нейтронов, только небольшой их класс может подходить для измерения низких потоков нейтронов. Например, 3Не-счетчики СНМ-57 были изготовлены по специальной технологии [11]. Зачастую, при создании новой низкофоновой установки задачу регистрации низких потоков нейтронов приходится решать заново, с использованием новых уникальных подходов. Конечной целью исследования нейтронных потоков ранее известными или новыми методами,

является оценка фоновых событий в «больших» экспериментах. Результаты измерений нейтронных потоков, выполненные до создания основной исследовательской установки, имеют критическую значимость для оценки чувствительности эксперимента, а также для оптимизации конструкции детектирующих элементов, пассивной и активной защиты.

Цели и задачи диссертационной работы: Целями представленной работы было разработать новые способы регистрации потоков нейтронов, в том числе быстрых нейтронов, и использовать разработанные способы в низкофоновых экспериментах. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

1. Разработка нового метода регистрации тепловых нейтронов при помощи 77-совпадений в йодсодержащих детекторах.

2. Проведение измерений потоков тепловых нейтронов разработанным методом в подземной лаборатории LSM в Модане.

3. Разработка методики регистрации нейтронов разных энергий NaI(Tl+Li)-детектором.

4. Разработка новой методики прямой регистрации быстрых нейтронов 3Не-счетчиками.

5. Определение фона быстрых нейтронов в эксперименте Ricochet, с помощью 3Не-счетчика.

6. Проведение оценки отношения ожидаемого нейтринного сигнала к фону в эксперименте Ricochet.

Научная новизна.

1. Разработан новый метод регистрации нейтронов при помощи йодсодер-жащих сцинтилляторов.

2. Экспериментально показана возможность регистрации низких потоков нейтронов в подземной лаборатории по 77-совпадениям в №1(Т1)-детекторе.

3. Предложена и экспериментально изучена методика использования №1(Т1+ Ы)-детектора для регистрации нейтронов в широком энергетическом диапазоне.

4. Впервые показана возможность прямого измерения спектра быстрых нейтронов с помощью 3Не-счетчика для целей низкофонового эксперимента.

5. Показана возможность оценки фоновых событий в области когерентного рассеяния нейтрино на основе измерений потоков быстрых нейтронов 3Не-счетчиком.

Практическая значимость.

1. Разработанный метод регистрации нейтронов с помощью йодсодержа-щих сцинтилляторов позволяет регистрировать нейтронные потоки на уровне 10-6 нейтронов см-2 с-1. Это дает возможность использовать стандартные №1(Т1)-детекторы для одновременной регистрации 7- и нейтронного фонов в низкофоновых экспериментах.

2. Благодаря разработанной методике возможно использовать №1(Т1+Ы)-детектор для регистрации тепловых, эпитермальных и быстрых нейтронов тремя независимыми способами.

3. Продемонстрирована возможность регистрации спектра быстрых нейтронов низкофоновым 3Не-счетчиком, что позволяет проводить точную оценку потока нейтронов в широком энергетическом диапазоне.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод регистрации низких потоков нейтронов по задержанным 77- совпадениям в йодсодержащих детекторах для целей низкофоновых экспериментов.

2. Результаты измерения фона тепловых нейтронов в подземной лаборатории LSM в Модане с помощью ^Ц^-детектора.

3. Методика регистрации нейтронных потоков NaI(Tl+Li)-детектором, позволяющая разделять зарегистрированные нейтроны по трем энергетическим диапазонам (тепловые, эпитермальные и быстрые).

4. Результаты исследования собственного фона NaI(Tl+Li)-детекторов.

5. Новая методика и результат измерения спектра быстрых нейтронов с помощью низкофонового 3Не-счетчика в эксперименте Ricochet.

6. Результаты оценки фоновых событий в области сигналов от когерентного рассеяния нейтрино в эксперименте Ricochet. По этой оценке счет фоновых событий будет лежать в диапазоне от 9±2 до 44±3 в день. Согласно разработанной и экспериментально проверенной модели фона, статистическая значимость регистрации когерентного рассеяния нейтрино в эксперименте Ricochet составит от 7,5 до 13,6 а после одного реакторного цикла.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается применением общепринятых подходов к проведению исследований и анализу экспериментальных данных. Измерения, описанные в диссертации, выполнены с использованием стандартного оборудования. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях «Ядро 2018», «Ядро 2019», «ОМУС 2019», «NEC 2019». Также результаты были представлены и обсуждались на семинарах ЛЯП ОИЯИ,

47-ой сессии Программно-консультативного комитета ОИЯИ по ядерной физике, 123-ей сессии Ученого совета ОИЯИ, рабочих совещаниях коллабора-ции Ricochet. Результаты проведённых исследований были удостоены премии 47-ой сессии Программно-консультативного комитета ОИЯИ по ядерной физике за лучший постерный доклад и премии ЛЯП ОИЯИ в номинации «Методические и прикладные исследования» в 2020 году.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4 статьях в рецензируемых журналах [12-15] и в одном материале конференции [16].

Личный вклад автора. Вклад автора диссертации был определяющим при разработке новых подходов к регистрации нейтронов. Автор принимал участие в создании измерительных установок, проводил измерения, в том числе с источниками нейтронов, осуществлял обработку и анализ данных. Автор занимался подбором и закупкой оборудования, для проведения описанных в диссертации исследований, а также подготовкой документов для таможенного оформления ввозимого в РФ оборудования. Автор принимал активное участие в написании статей и его вклад был основополагающим.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, словаря терминов и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 136 страниц, включая 50 рисунков и 9 таблиц. Библиография включает 121 наименование.

Во введении описываются актуальность и методика исследований, которым посвящена диссертация. Представлены выносимые на защиту результаты и вклад автора в их получении.

В первой главе рассмотрены основные источники и виды взаимодействия нейтронов с веществом.

Нейтроны могут образовываться в результате деления, ядерных реакций и взаимодействия космических лучей с веществом. Разные источники нейтронов имеют разный выход и энергетический спектр нейтронов. Вклад нейтронов различного происхождения может отличаться, в зависимости от

места измерений (подземная лаборатория, здание реактора, наземная лаборатория). На поверхности земли преобладают космогенные нейтроны, в то время как в подземной лаборатории основной вклад в суммарный поток будут вносить нейтроны деления и нейтроны от ядерных реакций.

В результате взаимодействия нейтронов с веществом могут возникать ядра отдачи, 7-кванты, заряженные частицы и другие нейтроны. Указанные частицы могут быть источниками фоновых сигналов в физическом эксперименте. Для борьбы с нейтронами используют специальную нейтронную защиту, которую можно разделить на пассивную и активную. Распространенным видом пассивной защитой является полиэтилен с добавлениям бора или лития. В качестве активной защиты используют вспомогательные детекторы, которые позволяют отсеивать фоновые сигналы при обработке данных эксперимента.

Во второй главе приведено краткое описание трех низкофоновых экспериментов по поиску редких событий, в рамках которых требовалось изучение нейтронных фонов. Эксперименты иGeN [17, 18] и Ricochet [16] направлены на изучение когерентного рассеяния реакторных антинейтрино на ядрах (CENNS). Целью проведения эксперимента EDELWEISS [19] является прямой поиск частиц темной материи. Оба изучаемых явления имеют важное значение для науки и могут стать ключом к Новой физике.

Ожидаемым сигналом от рассеяния нейтрино или темной материи являются ядра отдачи. Регистрация таких ядер представляет собой сложную задачу, так как их регистрируемая энергия может составлять всего несколько сотен эВ. Опасным фоном в указанных экспериментах являются нейтроны, так как рассеиваясь на ядрах детектора, они могу вызывать сигнал, аналогичный сигналу от рассеяния нейтрино или темной материи. Установка и GeN расположена в энергоблоке АЭС под ядерным реактором, а эксперимент EDELWEISS находится в подземной лаборатории. Это обеспечивает обоим экспериментам эффективную защиту от космического излучения равную ^50

метрам водного эквивалента (м.в.э.) и ^4800 м.в.э., соответственно. В обоих экспериментах нейтронный фон измерялся с помощью 3Не-счетчиков. Измерения тепловых нейтронов позволили выбрать оптимальную конфигурацию защиты, а в случае EDELWEISS еще и дали возможность провести корректный анализ экспериментальных данных. Это позволило идентифицировать зарегистрированные события в области интереса как ядра отдачи от рассеяния нейтронов.

Эксперимент Ricochet будет проводиться вблизи исследовательского реактора ILL. Возможный высокий фон от быстрых нейтронов реакторного происхождения и относительно слабое подавление космогенного фона зданием реактора (^15 м.в.э.) требуют прецизионного изучения потоков нейтронов, в том числе и быстрых нейтронов. Разработка методики регистрации быстрых нейтронов и оценка нейтронного фона в эксперименте Ricochet описаны в Главе 5.

В третьей главе приведены распространенные альтернативы 3Не- счетчикам. Рассмотрена регистрация нейтронов детекторами на основе сцинтил-ляторов: органических [20, 21], неорганических литийсодержащих [22, 23] и йодсодержащих [24-29].

Одной из основ регистрации нейтронов органическими и литийсодер-жащими неорганическими сцинтилляторами является техника разделения сигналов по форме импульса (PSD), которая позволяет разделять 7-фон и нейтронные сигналы, будь то протоны отдачи в органическом сцинтиллято-ре или продукты реакции захвата нейтрона на 6Li и 10B. Благодаря своим характеристикам (высокая эффективность регистрации нейтронов, простота в использовании и относительная дешевизна) указанные сцинтилляторы получили широкое распространение. Однако, для регистрации низких потоков нейтронов такими детекторами необходимо скрупулезное изучение их функций отклика. В случае литийсодержащих детекторов дополнительным и более серьезным фактором, препятствующим их применению в низкофоновых

экспериментах, являются их собственные а- и 7- фоны.

Детекторы на основе йодсодержащих сцинтилляторов (йодид натрия и йодид цезия) являются одними из самых распространенных 7-спектрометров в физических экспериментах. Это обусловлено их низкой стоимостью, высокой эффективностью регистрации 7-квантов и хорошим энергетическим разрешением (~7% для линии 662 кэВ в значении полуширины на полувысоте (ПШПВ) [30]). Ввиду наличия относительно высокого сечения захвата нейтронов у натрия, цезия и йода, входящих в состав указанных сцинтилля-торов, были предложены различные методы регистрации нейтронов с использованием таких сцинтилляторов. Высокая чувствительность йодсодержащих детекторов к 7-фону сильно препятствует регистрации низких потоков нейтронов разработанными ранее методами.

В четвертой главе описан новый метод регистрации нейтронов с использованием задержанных 77-совпадений в йодсодержащих детекторах. В разработанном методе детектирование нейтронов происходит по их захвату ядром 1271. В результате захвата образуется ядро 1281 в возбужденном состоянии. При разрядке этого ядра в основное состояние ^30% распадов проходит через уровень 137,8 кэВ с периодом полураспада 845 нс. Это дает возможность регистрировать нейтроны по задержанным 77-совпадениям с временным окном в несколько мкс. Переход на уровень 137,8 кэВ создает мгновенный сигнал в детекторе, а распад уровня является задержанным сигналом. Так как фон случайных совпадений находится почти в квадратичной зависимости от общего фона, то использование этого метода становится особенно эффективным при проведении низкофоновых измерений.

Для проверки метода был использован №1(Т1)-детектор 0 63 мм х 63 мм, подсоединенный к многоканальному анализатору ЭТ5780. Для каждого события записывались амплитуда и время.

Для проверки чувствительности разработанного метода к природным потокам нейтронов (10-3 н см-2 с-1), указанным выше детектором были про-

ведены фоновые измерения в ЛЯП ОИЯИ. Для подтверждения полученных с №1(Т1)-детектором результатов, одновременно с ним нейтронные потоки регистрировались низкофоновым 3Не-счетчиком СНМ-57 [11]. Из анализа полученных результатов была определена чувствительность использованного №1(Т1)-детектора к потоку нейтронов на уровне 1 н см-2 с-1, которая составила 6,5 ± 1 отсчетов в секунду.

Для определения возможности регистрации разработанным методом потоков нейтронов на уровне 10-6 н см-2 с-1 были проведены измерения в ЬБМ. В этих измерениях использовался №1(Т1)-спектрометр, аналогичный примененному в исследованиях в ОИЯИ. Для проверки результатов нейтронные потоки регистрировались двумя счетчиками СНМ-57. За ^260 дней измерений №1(Т1)-спектрометр зарегистрировал 70 задержанных событий в области энергии 137,8 кэВ. Из них 34 события были определены как фон случайных совпадений. Фон рассчитывался по количеству одиночных событий во всем энергетическом спектре и в области пика 137,8 кэВ. Зарегистрированный №1(Т1)-детектором нейтронный поток был определен на уровне 2,1 ± 0,5 10-6 н см-2 с-1. Это значение согласуется с потоками нейтронов, измеренными 3Не-счетчиками СНМ-57, которые составили (2,3 ± 0,1стат ± 0,2сист) 10-6 н см-2 с-1 и (3,1 ± 0,1стат ± 0,3сист) 10-6 н см-2 с-1. Измерения в ЬБМ показали чувствительность метода к нейтронным потокам на уровне 10-6 н см-2 с-1.

Метод регистрации нейтронов по 77-совпадениям в йодсодержащих сцинтилляторах позволяет использовать спектрометр на основе кристалла №1(Т1+Ы) как детектор нейтронов в широком диапазоне энергий. Регистрация тепловых нейтронов в детекторе осуществляется по реакции захвата на 6Ы. Детектирование эпитермальных нейтронов возможно по 77-совпадениям после захвата нейтрона на йоде. Это связано с тем, что йод имеет большое количество резонансов в сечении захвата нейтронов с энергиями от 50 эВ до 10 кэВ. Интеграл этих резонансов равен 153,9 б [31, 32]. Регистрация быст-

рых нейтронов возможна по реакции неупругого рассеяния быстрого нейтрона на ядре 127I с возбуждением уровня 57,6 кэВ [28, 33]. Измерения, проведенные с №1(Т1+и)-детектором, размерами 0 127 мм х 152 мм, весом 7 кг и концентрацией природного лития более 1%, подтвердили предположение о том, что с помощью таких детекторов можно регистрировать нейтроны разных энергий по трем независимым каналам. Моделирование, проведенное в среде Geant4 [34-36], показало, что увеличение концентрации 6Li в кристалле приведет к увеличению числа реакций с тепловыми нейтронами на 6Li, и соответственно к уменьшению захватов тепловых нейтронов на 127I. Это позволит более эффективно разделять тепловые и эпитермальные нейтроны. В ходе исследований характеристик NaI(T1+Li)-детектора было обнаружено загрязнение а-изотопами материалов детектора. Методом BiPo часть «-событий была идентифицирована как а-частицы с энергией 7,69 МэВ от распада 214Po, счет которых оказался равен 170±1 событий в день. Измеренный квенчинг-фактор для таких а-частиц составил ^0,6. Для применения NaI(T1+Li)-детекторов в низкофоновых экспериментах необходимы дополнительный отбор и очистка материалов детектора от радиоактивных изотопов.

В Пятой главе диссертации представлены результаты измерений фона быстрых нейтронов в эксперименте Ricochet. Измерения проводились оригинальным методом регистрации быстрых нейтронов с низкофоновым 3Не-счетчиком. Целью измерений была оценка фона быстрых нейтронов в области CENNS. Быстрые нейтроны регистрировались по реакции :

п + 3Не —> р + t (764 кэВ + Еп) (1)

где Еп — кинетическая энергия нейтрона. Для энергий от 100 кэВ до 10 МэВ сечение реакции захвата остается на уровне б, такое же сечение имеет и реакция упругого рассеяния [37]. Так как сечение захвата остается на уровне б, то это открывает возможность регистрации быстрых нейтронов низкофоновым 3Не-счетчиком. При проведении исследований, сигналом от

быстрого нейтрона считалось событие с энергией более 1 МэВ. Собственный фон детектора в области интереса (1-4,5 МэВ) составлял 2 события на МэВ в день [38]. При проведении измерений разработанной методикой необходимо было учитывать ядра отдачи 3He, возникающие при упругом рассеянии нейтронов, и «стеночный» эффект.

При подготовке к исследованиям были проведены тестовые измерения, целью которых было определение различных параметров используемого счетчика. Так, было показано отсутствие зависимости эффективности регистрации от напряжения в пределах рабочего диапазона. В ходе этого теста напряжение, прикладываемое к счетчику, менялось от 1200 В до 1800 В. В результате тестов напряжение равное 1650 В было выбрано рабочим для регистрации нейтронных событий с энергией до 10 МэВ. Также была исследована зависимость отклика детектора СНМ-57 от направления падающего нейтрона. Были рассмотрены случаи радиального и аксиального попадания нейтрона в детектор. В ходе этого теста не было выявлено сильной зависимости энергетического спектра от направления падающего нейтрона.

Для оценки нейтринного сигнала к фону была разработана модель кос-могенных нейтронов и нейтронов реакторного происхождения (реактоген-ных). Корректность модели подтвердилась в ходе измерений потоков нейтронов в лаборатории Института физики двух бесконечностей в Лионе (IP2I) и месте проведения эксперимента Ricochet (вблизи реактора Института Лауэ — Ланжевена в Гренобле (ILL)) оригинальным методом с низкофоновым 3Не-счетчиком. Измерения, проведенные с германиевыми детекторами-болометрами в IP2I, показали, что разработанная модель позволяет проводить моделирование спектра ядер отдачи, вызванных нейтронами. Это позволило провести оценку нейтронных событий в эксперименте Ricochet.

Моделирование и измерение потоков быстрых нейтронов в месте проведения эксперимента Ricochet показало значительное превышение числа ре-актогенных нейтронов над космогенными. Максимальная энергия реактоген-

ных нейтронов составляет МэВ, в то время как энергия космогенных нейтронов может достигать ^200 МэВ. Средний пробег нейтрона с энергией 6 МэВ в борированном полиэтилене составляет 6 см. Поэтому реактоген-ная компонента фона будет сильно подавляться пассивной защитой из 35 см борированного полиэтилена. Создание эффективной защиты от космогенных нейтронов не представляется возможным.

Исследование фоновых условий в месте проведения Ricochet продолжалось почти сто дней и включало в себя периоды с включенным и выключенным реактором. Усредненная мощность реактора во время измерений составила 42 МВт, в то время как номинальная мощность равна 58 МВт В ходе измерений счетчик СНМ-57 регистрировал 11,5 ± 0,9 событий в день при выключенном реакторе (космогенные нейтроны) и 121,9 ± 1,9 событий в день при включенном реакторе (реактогенные + космогенные нейтроны).

Моделирование показало, что вклад быстрых нейтронов от реактора в общий фон составит около одной четверти от общего числа нейтронных событий. Основным источником фоновых событий, несмотря на их общее меньшее количество, будут являться космогенные нейтроны. Общий ожидаемый фон от нейтронов составил 9±2 событий в сутки (7±2 от космогенных нейтронов, 2±0,3 от реактогенных). Ожидаемый счет CENNS составляет 12,8 событий в сутки при эффективности регистрации равной 70%.

По результатам исследований было определено, что статистическая значимость регистрации CENNS в эксперименте Ricochet составит от 7,5 до 13,6 а после одного реакторного цикла.

В заключении приведено обобщение результатов выполненной работы.

18

Глава 1

Основные источники нейтронов. Взаимодействие

нейтронов с веществом

Настоящая диссертация посвящена измерению нейтронных фонов в низкофоновых экспериментах. Поэтому в данной Главе будет дано краткое описание источников и типов взаимодействия нейтронов.

1.1. Источники нейтронов

1.1.1. Спонтанное и вынужденное деление

Спонтанное деление ядра было открыто советскими учеными К.А. Пет-ржаком и Г.Н. Флеровым в 1940 году [39]. Часть материалов этой главы хорошо известна и частично взята из [40]. Спонтанное деление — это кван-товомеханический процесс, связанный с преодолением потенциального барьера. Высота барьера и, соответственно, скорость деления сильно зависят от зарядового и массового чисел (^ и А). Вероятность деления у урана, тория и плутония существенное ниже вероятности а-распада. С увеличением Z и А вероятность деления увеличивается.

Спонтанное деление урана и тория является одним из основных природных источников нейтронов. В процессе деления ядра этих элементов распадаются на ядра более легких элементов с вылетом нескольких нейтронов, называемых мгновенными.

Изотопы с нечетным количеством нейтронов (например, 235и) имеют значительно меньшую вероятность спонтанного деления, чем четно-четные изотопы (например, 238и). Однако, изотопы с нечетным количеством нейтронов могут испытывать вынужденное деление при захвате нейтрона с низкой энергией.

Спектр мгновенных нейтронов спонтанного деления может быть описан распределением Ватта [41]:

N (а,Ь,Е') = Се-аЕ' зтк(л/ЪЁ),

(1.1)

где С = у к ' Е — энергия нейтрона деления, а и Ь —коэффициенты, которые почти не различаются для разных изотопов [41]. На Рисунке 1.1 показан расчетный спектр нейтронов спонтанного деления 238 ^ полученный во время изучения нейтронного фона в подземной лаборатории Гран Сассо в Италии.

Рис. 1.1. Расчетный спектр нейтронов спонтанного деления 238U, полученный во время изучения нейтронного фона в подземной лаборатории Гран Сассо в Италии [42].

ъ

Количество мгновенных нейтронов, испускаемых при делении, может меняться от 0 до 6 (иногда и больше) в зависимости от распределения энергии между осколками. Испускание нейтронов происходит до тех пор, пока остаточная энергия возбуждения осколков не станет меньше энергии связи

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пономарев Дмитрий Владимирович, 2023 год

Литература

1. Heusser G. Low-Radioactivity Background Techniques // Annual Review of Nuclear and Particle Science. 1995. Vol. 45, no. 1. P. 543-590.

2. Formaggio J., Martoff C. Backgrounds to sensitive experiments underground // Annual Review of Nuclear and Particle Science. 2004. Vol. 54, no. 1. P. 361-412.

3. Firestone R. et al. Table of Isotopes 8th edition, edited by V.S. Shirley. New York: Wiley, 1998. ISBN: 0471246999.

4. Kouzes R. The 3He Supply Problem [Электронный ресурс]. Technical Report. Richland: Pacific Northwest National Laboratory, 2009. URL: https://www.pnnl.gov/main/publications/ external/technical_reports/PNNL-18388.pdf (дата обращения: 12.08.2022).

5. Архаров А.М., Архаров И.А., Долгопятов Д.А., Бондаренко В.Л. Кризис поставок гелия-3: причины и пути преодоления // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2013. Т. 1. С. 30-33.

6. Niechcial J. et al. Operational Costs of He3 Separation Using the Superfluidity of He4 // Energies. 2020. Vol. 13. P. 6134.

7. Kouzes R. et al. Neutron detection alternatives to 3He for national security applications // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2010. Vol. 623, no. 3. P. 1035-1045.

8. Sacchetti F. et al. 3He-free neutron detectors and their applications // The European Physical Journal Plus. 2015. Vol. 130, no. 03. P. 53.

9. Komura K. et al. Variation of Environmental Neutron Flux with the Depth

of Water and Soil // Journal of Nuclear and Radiochemical Sciences. 2008. Vol. 9. P. 45-47.

10. Розов С.В. и др. Система мониторинга потока тепловых нейтронов в эксперименте по поиску тёмной материи EDELWEISS II // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74, № 4. С. 502-504.

11. Видякин Г.В. и др. Нейтронный пропорциональный счетчик с пониженным уровнем собственного фона // Приборы и техника эксперимента. 1989. Т. 32, № 4. С. 70-73.

12. Yakushev E., Rozov S., Drokhlyansky A., Filosofov D., Kalaninova Z., Timkin V., Ponomarev D. Sensitive neutron detection method using delayed coincidence transitions in existing iodine-containing detectors // Nu-cl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2017. Vol. 848. P. 162-165.

13. Пономарев Д.В., Каланинова З., Медведев Д.В., Розов С.В., Розова И.Е., Тимкин В.В., Философов Д.В., Шахов К.В., Якушев Е.А. Измерение слабых потоков нейтронов в подземной лаборатории в Модане с помощью йодсодержащих сцинтилляторов // Приборы и техника эксперимента. 2019. № 3. С. 9-11.

14. Ponomarev D., Filosofov D., Khushvaktov J., Lubashevskiy A., Rozova I., Rozov S., Shakhov K., Shitov Yu., Timkin V., Yakushev E., Zhitnikov I. NaI(Tl+Li) scintillator as multirange energies neutron detector // Journal of Instrumentation. 2021. Vol. 16, no. 12. P. 12011.

15. Augier C., Baulieu G., Belov V., Berge L., Billard J., Bres G., Bret J-. L., Broniatowski A., Calvo M., Cazes A., Chaize D., Chapellier M., Chap-linsky L., Chemin G., Chen R., Colas J., De Jesus M., de Marcillac P., Dumoulin L., Exshaw O., Ferriol, S., Figueroa-Feliciano E., Filippini J. -B., Formaggio J. A., Fuard S., Gascon J., Giuliani A., Goupy J., Goy

C., Guerin C., Guy E., Harrington P., Heine S. T., Hertel S. A., Heusch M., Hirjibehedin C. F., Hong Z., Ianigro J.-C., Jin Y., Johnston J. P., Juillard A., Karaivanov D., Kazarcev S., Lamblin J., Lattaud H., Li M., Lubashevskiy A., Marnieros S., Mayer D. W., Minet J., Misiak D., Mo-cellin J-.L., Monfardini A., Mounier F., Oliver W. D., Olivieri E.,Oriol C., Patel P. K., Perbet E., Pinckney H. D., Poda D., Ponomarev D., Rarbi F., Real J.-S., Redon T., Robert A., Rozov S., Rozova I., Salagnac T., Sanglard V., Schmidt B., Shevchik Ye., Sibille V., Soldner T., Stachurska J., Stutz A., Vagneron L., Van De Pontseele W., Vezzu F., Weber S., Winslow L., Yakushev E., Zinatulina D . Fast neutron background characterization of the future Ricochet experiment at the ILL research nuclear reactor // The European Physical Journal C. 2023. Vol. 83. P. 20.

16. Augier C., Beaulieu G., Belov V., Berge L., Billard J., Bres G., Bret J-.L., Broniatowski A., Calvo M., Cazes A., Chaize D., Chapellier M., Chaplinsky L., Chemin G., Chen R., Colas J., de Jesus M., de Marcillac P., Dumoulin L., Exshaw O., Ferriol S., Figueroa-Feliciano E., Filippini J.B., Formag-gio J.A., Fuard S., Gascon J., Giuliani A., Goupy J., Goy C., Guerin C., Hirjibehedin C.F., Harrington P., Heine S.T., Hertel S.A., Heusch M., Hoarau C., Hong Z., Ianigro J.-C., Jin Y., Johnston J.P., Juillard A., Kazarcev S., Lamblin J., Lattaud H., Lubashevskiy A., Mayer D.W., Marnieros S., Minet J., Misiak D., Monfardini A., Mounier F., Olivieri E., Oriol C., Patel P.K., Perbet E., Pinckney H.D., Ponomarev D., Poda D., Rarbi F., Real J.-S., Ricol J.-S., Redon T., Robert A., Rozov S., Rozova I., Salagnac T., Sanglard V., Schmidt B., Shevchik Ye., Sibille V., Soldner T., Stachurska J., Stutz A., Vagneron L., van de Ponteseele W., Vezzu F., Weber S., Winslow L., Yakushev E., Zinatulina D. Ricochet Progress and Status [Электронный ресурс] // 19th International Workshop on Low Temperature Detectors. Online Conference, United States: 2021. URL:

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03454410 (дата обращения: 12.08.2022).

17. Belov V. et al. The ^GeN experiment at the Kalinin Nuclear Power Plant // Journal of Instrumentation. 2015. Vol. 10, no. 12. P. 12011.

18. Alekseev I. et al. First results of the vGeN experiment on coherent elastic neutrino-nucleus scattering// Phys. Rev. D. 2022. Vol. 106. P. L051101.

19. Armengaud E. et al. Performance of the EDELWEISS-III experiment for direct dark matter searches // Journal of Instrumentation. 2017. Vol. 12, no. 08. P. 08010.

20. Knoll G. Radiation Detection and Measurement, 3rd Edition. New York: Wiley, 1999. ISBN: 0471073385.

21. Hamel M. Plastic Scintillators. Cham: Springer Cham, 2021. ISBN: 9783030734879.

22. Bourne M. et al. Characterization of the CLYC detector for neutron and photon detection // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2014. Vol. 736. P. 124-127.

23. Yang K., Menge P. R., Lejay J., Ouspenski V. Scintillation properties and temperature responses of Cs2LiLaBr6:Ce3+ // 2013 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (2013 NSS/MIC). 2013. P. 1-6.

24. Metwally W. A. Existing NaI detectors; an efficient alternative to He-3 detectors // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. B. 2014. Vol. 338. P. 48-51.

25. Holm P. et al. Neutron detection with a NaI spectrometer using high-en-

ergy photons // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2013. Vol. 697. P. 59-63.

26. Bernabei R. et al. On the investigation of possible systematics in WIMP annual modulation search // Eur. Phys. J. C. 2000. Vol. 18. P. 283-292.

27. Kuznetsov A. S. et al. First experiments on neutron detection on the accelerator-based source for boron neutron capture therapy // Technical Physics Letters. 2009. Vol. 35, no. 4. P. 346-348.

28. Collar J. et al. Coherent neutrino-nucleus scattering detection with a CsI[Na] scintillator at the SNS spallation source // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2015. Vol. 773. P. 56-65.

29. Bartle C., Haight R. Small inorganic scintillators as neutron detectors // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 1999. Vol. 422, no. 1. P. 54-58.

30. Muminov I. et al. Application of NaI(Tl) detector for measurement of natural radionuclides and 137Cs in environmental samples: new approach by decomposition of measured spectrum // Journal of Environmental Radioactivity. 2005. Vol. 84, no. 3. P. 321-331.

31. Pritychenko B., Sonzogni A. Sigma: Web Retrieval Interface for Nuclear Reaction Data // Nuclear Data Sheets. 2008. Vol. 109, no. 12. P. 2822-2827.

32. Сечения реакций на нейтронах [Сайт]. URL: https://www.nndc. bnl.gov/sigma/ (дата обращения: 12.08.2022).

33. Cecil F. E., Killian K., Rymes M. Gamma ray production cross sections in 127I by inelastic neutron scattering // Phys. Rev. C. 1979. —Jun. Vol. 19. P. 2414-2416.

34. Agostinelli S. et al. Geant4—a simulation toolkit // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2003. Vol. 506, no. 3. P. 250 - 303.

35. Allison J. et al. Recent developments in Geant4 // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2016. Vol. 835. P. 186-225.

36. Среда моделирования Geant4[Сайт]. URL: https://geant4.web. cern.ch (дата обращения: 12.08.2022).

37. Sayres A. R., Jones K. W., Wu C. S. Interaction of Neutrons with He3 // Phys. Rev. 1961. Vol. 122. P. 1853-1863.

38. Rozov S. et al. Monitoring of the thermal neutron flux in the LSM underground laboratory [Электронный ресурс] // ArXiv e-prints. 2010. 1001.4383. URL: https://arxiv.org/abs/1001.4383 (дата обращения: 12.08.2022).

39. Петржак К.А., Флеров Г. Н. Спонтанное деление урана // ЖЭТФ. 1940. Т. 10, № 9-10. С. 1013-1017.

40. Reilly D., Ensslin N., Smith H., Kreiner S. Passive nondestructive assay of nuclear materials. Washington: US Nuclear Regulatory Commission, 1991. ISBN: 9780160327247.

41. Verbeke J., Hagmann C., Wright D. Simulation of Neutron and Gamma Ray Emission from Fission and Photofission [Электронный ресурс]. 2010. URL: https://www.researchgate.net/ publication/228390042_Simulation_of_Neutron_and_ Gamma_Ray_Emission_from_Fission_and_Photofission (дата обращения: 12.08.2022).

42. Wulandari H., Jochum J., Rau W., Feilitzsch F. Neutron flux at the Gran

Sasso underground laboratory revisited // Astroparticle Physics. 2003. Vol. 22. P. 313-322.

43. Keepin G. R. Physics of nuclear kinetics. New York: Addison-Wesley Pub. Co, 1965.

44. Perry R., Wilson W. Neutron production from (a,n) reactions and spontaneous fission in ThO2, UO2, and (U,Pu)O2 fuels. Report LA-8869-MS. New Mexico: Los Alamos National Lab, 1981.

45. Johnson D. L. Evaluation of Neutron Yields from Spontaneous Fission of Transuranic Isotopes // American Nuclear Society. 1975. Vol. 22. P. 673.

46. Evaluated Nuclear Data File [Сайт]. URL: https://www.nndc.bnl. gov/endf/ (дата обращения: 12.08.2022).

47. Evans R. D. The Atomic Nucleus. New York: McGraw-Hill Book Co., 1955. ISBN: 9780898744149.

48. Howerton R. Thresholds and Q values of nuclear reactions induced by neutrons, protons, deuterons, tritons, 3He ions, alpha particles, and photons. Report ucrl-50400(vol.24). Livermore: Lawrence Livermore National Laboratory, 1981.

49. Jacobs G. J. H., Liskien H. Energy spectra of neutrons produced by alpha particles in thick targets of light elements // Annals of Nuclear Energy. 1983. Vol. 10. P. 541.

50. Bair J. K., Gomez del Campo J. Neutron yelds from alpha-particle bombardment // Nuclear Science and Engineering. 1979. Vol. 71. P. 18.

51. West D., Sherwood A. C. Measurements of thick target (a,n) yelds from light elements // Annals of Nuclear Energy. 1982. Vol. 9. P. 551.

52. Roberts J. Neutron yields of Several Light Elements Bombarded with Polonium Alpha Particles. Report MDDC-731. Oak Ridge: Atomic Energy Commission, 1947.

53. Wilson W., Perry R. Thick-target neutron yeld in Boron and Fluorine. Memorandum T-2-M-1835 to N. Ensslin. New Mexico: Los Alamos National Lab, 1987.

54. De Angelis A., Pimenta M. Introduction to Particle and Astroparticle Physics. Cham: Springer Cham, 2018. ISBN: 9783319781808.

55. Cinausero M. et al. A Proton Recoil Telescope for Neutron Spectroscopy // Journal of Physics: Conference Series. 2006. Vol. 41, no. 1. P. 219.

56. Glasstone S., Sesonske A. Nuclear Reactor Engineering. Princeton: D. Van Nostrand Co., Inc., 1967. ISBN: 9780442027254.

57. Bonet H. et al. Large-size sub-keV sensitive germanium detectors for the CONUS experiment // The European Physical Journal C. 2021. Vol. 81. P. 267.

58. Freedman D. Z. Coherent effects of a weak neutral current // Phys. Rev. D. 1974. Vol. 9. P. 1389-1392.

59. Бедняков В.А., Наумов Д.В. Концепция когерентности в рассеянии нейтрино и антинейтрино на ядрах // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2021. Т. 52, № 1. С. 75-309.

60. Anderson A. J. et al. Coherent neutrino scattering in dark matter detectors // Phys. Rev. D. 2011. Vol. 84. P. 013008.

61. Abdullah M. et al. Coherent elastic neutrino-nucleus scattering: Terrestrial and astrophysical applications [Электронный ресурс] // ArXiv e-prints.

2022. URL: https://arxiv.org/abs/1001.4383 (дата обращения: 12.08.2022).

62. Akimov D. et al. First Measurement of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering on Argon // Phys. Rev. Lett. 2021. Vol. 126. P. 012002.

63. Akimov D. et al. Observation of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering// Science. 2017. Vol. 357, no. 6356. P. 1123-1126.

64. Stekl I. et al. Present status of the experiment TGV II // Czech. J. Phys. 2002. Vol. 52. P. 541-545.

65. Антивибрационная платформа TS-C30[Сайт]. URL: http: //tablestable.com/en/products/view/45/ (дата обращения: 12.08.2022).

66. Alekseev I. et al. DANSS: Detector of the reactor AntiNeutrino based on Solid Scintillator // Journal of Instrumentation. 2016. Vol. 11, no. 11. P. 11011.

67. Bergstrom L. Non-baryonic dark matter: observational evidence and detection methods // Reports on Progress in Physics. 2000. — apr. Vol. 63, no. 5. P. 793-841.

68. Armengaud E. et al. Searching for low-mass dark matter particles with a massive Ge bolometer operated above-ground // Phys. Rev. 2019. Vol. D99, no. 8. P. 082003.

69. Arnaud Q. et al. Optimizing EDELWEISS detectors for low-mass WIMP searches // Phys. Rev. D. 2018. Vol. 97. P. 022003.

70. Armengaud E. et al. Background studies for the edelweiss dark matter experiment // Astroparticle Physics. 2013. Vol. 47. P. 1-9.

71. Kozlov V. et al. A detection system to measure muon-induced neutrons for direct dark matter searches // Astroparticle Physics. 2010. Vol. 34, no. 2. P. 97-105.

72. Eitel K. et al. Measurements of neutron fluxes in the LSM underground laboratory // Journal of Physics: Conference Series. 2012. Vol. 375, no. 1. P. 012016.

73. Armengaud E. et al. Constraints on low-mass WIMPs from the EDEL-WEISS-III dark matter search // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2016. Vol. 2016, no. 05. P. 019-019.

74. Hehn L. et al. Improved EDELWEISS-III sensitivity for low-mass WIMPs using a profile likelihood approach // The European Physical Journal C. 2016. Vol. 78. P. 1-10.

75. Gascon J. Low-mass WIMP searches with the EDELWEISS experiment // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1342, no. 1. P. 012064.

76. Salagnac T. et al. Optimization and performance of the CryoCube detector for the future RICOCHET low-energy neutrino experiment [Электронный ресурс] // ArXiv e-prints. 2021. URL: https://arxiv.org/abs/ 2111.12438 (дата обращения: 12.08.2022).

77. van Loef E. V. et al. Novel organic scintillators for neutron detection // IEEE Nuclear Science Symposuim & Medical Imaging Conference. IEEE, 2010. P. 1007-1009.

78. Zaitseva N. et al. New solid-state organic scintillators for fast and thermal neutron detection // International Journal of Modern Physics: Conference Series. 2020. Vol. 50. P. 2060003.

79. Jagemann T., Feilitzsch F., Jochum J. Measurement of the scintillation

light quenching at room temperature of sodium recoils in NaI(Tl) and hydrogen recoils in NE 213 by the scattering of neutrons // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2006. Vol. 564, no. 1. P. 549-558.

80. Jagemann T. Measurement of the Scintillation Light Quenching for Nuclear Recoils induced by Neutron Scattering in Detectors for Dark Matter Particles [Электронный ресурс]: Theses / Technische Universi-tat Munchen. 2021. URL: https://mediatum.ub.tum.de/doc/ 603031/603031.pdf (дата обращения: 12.08.2022).

81. Firestone R. B., Revay Z. Thermal neutron radiative cross sections for 6'7Li, 9Be, 10'11B, 12'13C, and 14'15N // Phys. Rev. C. 2016. Vol. 93. P. 054306.

82. Zaitseva N. et al. Pulse shape discrimination with lithium-containing organic scintillators // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2013. Vol. 729. P. 747-754.

83. Frangville C. et al. Nanoparticles-loaded plastic scintillators for fast/thermal neutrons/gamma discrimination: Simulation and results // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2019. Vol. 942. P. 162370.

84. Breukers R., Bartle C., Edgar A. Transparent lithium loaded plastic scintillators for thermal neutron detection // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2013. Vol. 701. P. 58-61.

85. Brudanin V. et al. Element-Loaded Organic Scintillators for Neutron and Neutrino Physics // Particles and Nuclei, Letters. 2001. Vol. 6. P. 69-77.

86. Gabella G. et al. Neutron Response of the EJ-254 Boron-Loaded Plastic Scintillator // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2021. Vol. 68, no. 1. P. 46-53.

87. Pawelczak I. et al. Boron-loaded plastic scintillator with neutron-7 pulse shape discrimination capability // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2014. Vol. 751. P. 62-69.

88. Nicholson K. P., Snelling G. F. Some lithium iodide phosphors for slow neutron detection // British Journal of Applied Physics. 1955. Vol. 6, no. 3. P. 104.

89. Vuong P. Q. et al. Silver-Doped Lil Crystal: A Sensitive Thermal Neutron Detector With Pulse Shape Discrimination // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2020. Vol. 67, no. 10. P. 2290-2294.

90. Syntfeld A. et al. 6LiI(Eu) in neutron and 7-ray spectrometry-a highly sensitive thermal neutron detector // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2005. Vol. 52, no. 6. P. 3151-3156.

91. Khan S., Kim H., Lee M. Scintillation properties of the silver doped lithium iodide single crystals at room and low temperature // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2016. Vol. 821. P. 81-86.

92. Cieslak M. J., Gamage K. A. A., Glover R. Critical Review of Scintillating Crystals for Neutron Detection [Электронный журнал] // Crystals. 2019. Vol. 9, no. 9. URL: https://www.mdpi.com/2073-4352/9/9/480 (дата обращения: 12.08.2022).

93. Wen X., Enqvist A. Pulse shape discrimination of Cs2LiYCl6:Ce3+ detectors at high count rate based on triangular and trapezoidal filters // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2017. Vol. 866. P. 129-133.

94. Mesick K., Coupland D., Stonehill L. Pulse-shape discrimination and energy quenching of alpha particles in Cs2LiLaBr6:Ce3+ // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2017. Vol. 841. P. 139-143.

95. Liang F. et al. Lithium-Loaded Scintillators Coupled to a Custom-Designed Silicon Photomultiplier Array for Neutron and Gamma-Ray Detection // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2018. Vol. 65, no. 8. P. 2162-2168.

96. D'Olympia N. et al. Pulse-shape analysis of CLYC for thermal neutrons, fast neutrons, and gamma-rays // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2013. Vol. 714. P. 121-127.

97. Smith M. B. et al. Fast Neutron Spectroscopy Using C^LiYCloiCe (CLYC) Scintillator // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2013. Vol. 60, no. 2. P. 855-859.

98. Smith M. et al. Fast neutron measurements using Cs2LiYCl6:Ce (CLYC) scintillator // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2015. Vol. 784. P. 162-167.

99. D'Olympia N. et al. Fast neutron response of 6Li-depleted CLYC detectors up to 20MeV // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2014. Vol. 763. P. 433-441.

100. Woolf R. S., Phlips B., Wulf E. A. Characterization of the internal background for thermal and fast neutron detection with CLLB // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2016. Vol. 838. P. 147-153.

101. Martinez T. et al. Characterization of a CLYC detector for underground experiments // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2018. Vol. 906. P. 150-158.

102. Hofstadter R. Alkali Halide Scintillation Counters // Phys. Rev. 1948. Vol. 74. P. 100-101.

103. Metwally W. A., Emam A. G. Experimental validation and testing of a NaI

boron-lined neutron detector // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. B. 2018. Vol. 422. P. 7-11.

104. Bernabei R. et al. The DAMA/LIBRA apparatus // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. A. 2008. Vol. 592, no. 3. P. 297-315.

105. Sakharov S. et al. Low-lying 128I excited states from the (n,7) reaction // Nuclear Physics A. 1991. Vol. 528, no. 2. P. 317 - 347.

106. ФЭУ Hamamatsu R6091[Сайт]. URL: https://www.hamamatsu. com/jp/en/product/optical-sensors/pmt/pmt_tube-alone/ head-on-type/R6091.html (дата обращения: 12.08.2022).

107. Анализатор CAEN DT5780[Сайт]. URL: https://www.caen.it/ products/dt5780/ (дата обращения: 12.08.2022).

108. Yang K., Menge P. R., Ouspenski V. Li Co-Doped NaI:Tl (NaIL)-A Large Volume Neutron-Gamma Scintillator With Exceptional Pulse Shape Discrimination // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2017. Vol. 64, no. 8. P. 2406-2413.

109. NaIL детекторы Saint-Gobain Crystals [Сайт]. URL: https://www.crystals.saint-gobain. com/radiation-detection-scintillators/ crystal-scintillators/nail-scintillation-crystals (дата обращения: 12.08.2022).

110. Vega-Carrillo H., Torres-Muhech C. Low energy neutrons from a 239PuBe isotopic neutron source inserted in moderating media // Rev. mex. fis. 2002. Vol. 48, no. 5. P. 405 - 412.

111. Martin J. E. Physics for Radiation Protection, Third Edition. Weinheim: Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, 2013. ISBN: 9783527667062.

112. Leder A. et al. Unfolding Neutron Spectrum with Markov Chain Monte Carlo at MIT Research Reactor with He-3 Neutral Current Detectors // Journal of Instrumentation. 2018. Vol. 13, no. 02. P. 02004.

113. Ziegler F., Ziegler M., Biersack J. SRIM— The Stopping and Range of Ions in Matter // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. B. 2010. Vol. 268, no. 11. P. 1818-1823.

114. Allemandou N. et al. The STEREO Experiment // Journal of Instrumentation. 2018. Vol. 13, no. 07. P. 07009.

115. Mendenhall M. H., Weller R. A. An algorithm for computing screened Coulomb scattering in Geant4 // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. B. 2005. Vol. 227, no. 3. P. 420-430.

116. Hagmann C., Lange D., Wright D. Cosmic-ray shower generator (CRY) for Monte Carlo transport codes // 2007 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. Vol. 2. 2007. P. 1143-1146.

117. Marteau J. et al. DIAPHANE: muon tomography applied to volcanoes, civil engineering, archaelogy // Journal of Instrumentation. 2017. Vol. 12, no. 02. P. C02008.

118. Angloher G. et al. Exploring CE^NS with NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant // Eur. Phys. J. C. 2019. Vol. 79, no. 12. P. 1018.

119. Theodorsson P. Measurement of weak radioactivity. Singapore: World Scientific, 1996.

120. Misiak D. Development of new cryogenic low-threshold detectors for the search of light dark matter and low-energy neutrino physics [Электронный ресурс]: Theses / Universite de Lyon. 2021. URL:

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03328713 (дата обращения: 12.08.2022).

121. Adari P. et al. EXCESS workshop: Descriptions of rising low-energy spectra [Электронный ресурс] // SciPost Phys. Proc. 2022. P. 001. URL: https://scipost.org/10.214 68/SciPostPhysProc.9.001 (дата обращения: 12.08.2022).

Список иллюстраций

1.1 Расчетный спектр нейтронов спонтанного деления 238U, полученный во время изучения нейтронного фона в подземной лаборатории Гран Сассо в Италии [42]................ 19

1.2 Типичный спектр AmBe источника нейтронов [40]........ 22

1.3 Поток вторичных космических лучей и нейтронов, рожденных от них в свинцовой защите, в зависимости от глубины защиты. Нуклонная компонента на 97% состоит из нейтронов [1]..... 24

1.4 Виды взаимодействий нейтрона с веществом (адаптировано

из [40])................................. 25

1.5 Сечения взаимодействия нейтронов с ядром 23Na [32]. Синим показано общее сечение, зеленым — сечение упругого рассеяния, красным — сечение неупругого рассеяния, черным — сечение захвата нейтрона........................ 27

1.6 Мощности дозы на поверхности полиэтиленовой сферы с источником 252Cf в центре [40]..................... 32

2.1 Схема установки иGeN [18]..................... 37

2.2 Характерный для 3Не-счетчиков энергетический спектр [66]. . 38

2.3 Схематический вид установки EDELWEISS [19]......... 41

2.4 Калибровочные спектры детекторов EDELWEISS (зависимость ионизационного выхода от энергии ядер отдачи). Левый спектр получен в присутствии 7-источника 133Ba, правый — в присутствии AmBe источника нейтронов. На обоих спектрах синими линиями показана область электронов, красными — область ядер отдачи [19]............................ 42

2.5 Калибровочный спектр счетчика нейтронов СНМ-57. Вертикальными линиями обозначены перегибы спектра, возникающие из-за «стеночного» эффекта [10, 38].............. 43

2.6 Система контроля потока тепловых нейтронов на основе счетчика СНМ-57 [38].......................... 44

2.7 Схема нейтронного счетчика на основе ЖС [72]......... 44

2.8 Германиевые детекторы-болометры эксперимента Ricochet. Слева показано схематическое изображение всего набора детекторов. Справа показан отдельный детектор [16]........ 45

2.9 Общая конструкция спектрометра Ricochet [16].......... 46

2.10 Место размещения установки Ricochet в ILL [15]......... 47

3.1 Слева показана форма импульса сигнала с ОС для нейтронов и

7-квантов. Справа показан характерный для ОС PSD-спектр [78]. 50

3.2 PSD-спектр, полученный с помощью ОС с добавкой 10B [87]. . 52

3.3 PSD-спектр, полученный CLYC-детектором в присутствии источника 252Cf, расположенного внутри замедлителя нейтронов [101]. Сигналы от 7-квантов лежат в районе значений параметра PSD от 0,6-0,8, сигналы от захвата нейтронов на 35Cl и 6Li находятся выше полосы 7-квантов. Сигналы от захвата

тепловых нейтронов на 6Li обозначен как nth........... 54

3.4 Слева показан PSD-спектр фона, измеренного CLYC-детектором в подземной лаборатории в Канфранке (адаптировано из [101]). Справа показан PSD- спектр фона, измеренного CLLB-детектором [94]........................ 55

3.5 PSD-спектр, полученный №1(Т1)-детектором при его облучении нейтронами [29]. По оси абсцисс — каналы АЦП, т.е. энергия, по оси ординат — PSD-параметр............. 58

4.1 Слева: №1(Т1) внутри свинцовой защиты (передняя сторона защиты убрана). Справа: №1(Т1)- и 3Не-детекторы нейтронов во время тестовых измерений. 1) 0 63 мм х 63 мм №1(Т1)-сцинтиллятор, 2) ФЭУ И6091, 3) Свинцовая защита, 4) Светозащитный ящик с №1(Т1)-спектрометром внутри, 5) СНМ-57— 3Не-наполненный пропорциональный счетчик, 6) Предусилитель 3Не-счетчика, 7) Многоканальный анализатор ЭТ5780, на который приходили сигналы с обоих нейтронных детекторов............................... 62

4.2 Задержанные совпадения без (левая половина каждого графика) и в присутствии (правая половина каждого графика) РиВе источника нейтронов. Каждая точка соответствует задержанному событию. На верхнем графике представлены задержанные сигналы с энергией ~ 137,8 кэВ (диапазон каналов АЦП от 150 до 350, см. Рисунок 4.4). В присутствии РиВе источника виден спад задержанных совпадений с увеличением времени задержи. Так, количество событий при времени задержки менее 7 мкс оказалось существенно выше, чем для больших временных интервалов. На нижнем графике показаны задержанные совпадения с энергией значительно выше 137,8 кэВ (каналы АЦП от 1000 до 8000). На этом графике можно видеть увеличение числа случайных совпадений в присутствии РиВе источника, которое не зависит от времени задержки. . . 64

4.3 Спектр задержанных совпадений, полученный при измерении естественного фона. Выделенная область соответствует сигналам с энергией 137,8 кэВ (нейтронные события). Большое количество событий при временном окне задержки менее 1,8 мкс

— послеимпульсы ФЭУ....................... 65

4.4 Экспериментальный спектр, полученный №1(Т1)-детектором за 42 дня. Черные точки — общий спектр. голубые точки с ошибками и красные треугольники — мгновенные и задержанные сигналы от захвата нейтрона (время задержки от 1,8 до 10 мкс), соответственно. зеленые точки — задержанные события во временном окне от 10 до 500 мкс. Вставка: голубым показаны нейтронные события (пик 137,8 кэВ соответствует 150-350 каналам АЦП, несимметричность пика обусловлена влиянием мгновенных сигналов на задержанные сигналы). Красные квадраты — задержанные сигналы при сдвинутом на 10 мкс временном окне (от 11,8 до 20 мкс). Точки с ошибками — калибровочный 7-спектр, полученный с 139Се (линия 165,9 кэВ)............................... 66

4.5 Задержанные совпадения. Верхний график — а-распад 214Ро. На нижнем графике показан период полураспада уровня 137,8 кэВ. На обоих рисунках: точки с ошибками соответствуют экспериментальным данным (задержанные совпадения с соответствующим временем), сплошной линией показана функция фитирования — / = С + Аехре1п(2)г/Т1/2. С помощью этой функции определялись периоды полураспада для каждого из распадов................................ 67

4.6 Сравнение нейтронного потока измеренного 3Не-детектором (черные точки с ошибками) и количества нейтронных событий зарегистрированных №1(Т1)-спектрометром (красные треугольники). ............................. 68

4.7 Задержанные события, зарегистрированные №ЦТ1)-детектором за 5 дней измерений в присутствии AmBe источника нейтронов. Точками с ошибками обозначены события с окном задержки 1,8-5 мкс. Сплошной линией показаны задержанные совпадения с окном 11,8-15 мкс. Диапазон каналов от 380 до

460 соответствует энергии 137,8 кэВ............... 70

4.8 Задержанные события, зарегистрированные №1(Т1)-детектором при измерении фона. Диапазон каналов от 380 до 460 соответствует энергии 137,8 кэВ. Точками с ошибками обозначены события с окном выборки 1,8-5 мкс. Сплошной линией показаны задержанные совпадения с окном 11,8-15 мкс........ 71

4.9 Спектры, полученные №1(Т1)-детектором в измерениях с источником нейтронов и фона в LSM. Синяя линия — общий 7-фон. Красная линия — спектр, полученный в присутствии AmBe источника нейтронов. Розовая линия — задержанные совпадения в присутствии AmBe источника нейтронов. Виден пик нейтронных событий с энергией 137,8 кэВ. Зеленая линия

— задержанные совпадения при измерении фона......... 72

4.10 Сечения захвата нейтронов на 6Li (зеленая линия) и 127I (синяя линия) для разных энергий, взято из [32]............. 74

4.11 PSD-диаграмма, полученная NaIL-детектором в измерениях с PuBe источником. По оси абсцисс — каналы АЦП, по оси ординат — отношение площади «хвоста» сигнала к площади всего импульса............................ 76

4.12 PSD-диаграмма, полученная NaIL-детектором в фоновых измерениях. Видно, что часть а- событий накладывается на нейтронные................................ 77

4.13 Сравнение PSD-диаграмм, полученных NaIL-детектором с PuBe источником (цветная часть) и при измерениях фона (черные точки).............................. 77

4.14 Энергетический спектр задержанных совпадений, полученный NaIL-детектором при измерениях с PuBe источником. Красная линия — спектр при окне задержки от 0,9 до 10 мкс. Синяя линия — совпадения в интервале задержки от 10,9 до 20 мкс. Пик

в районе 1000 канала АЦП соответствует линии 137,8 кэВ. . . 78

4.15 Модель нейтронного поля от PuBe источника в отсчетах в секунду. ................................ 81

4.16 Результаты МС, показывающие количество взаимодействий на один падающий нейтрон в зависимости от их глубины проникновения в NaIL-детектор (концентрация природного лития 1%

на моль)................................ 82

4.17 Результаты МС, показывающие количество взаимодействий на один падающий нейтрон в зависимости от их глубины проникновения в NaIL-детектор (концентрация обогащенного лития

2% на моль).............................. 82

5.1 Сечения реакций захвата и упругого рассеяния нейтронов на

3He [31, 32].............................. 86

5.2 Энергетический спектр до 900 кэВ, измеренный счетчиком СНМ-57 в ILL. Пик в правой части соответствует захвату тепловых нейтронов............................ 87

5.3 Сверху: энергетические спектры, измеренные в 1Р21 с ЛшБе источником нейтронов (синяя линия) и без него (красная линия). Снизу слева: Измеренный энергетический спектр до 6 МэВ. Голубым показан спектр, полученный за 49 дней набора фоновых данных в ЬБМ. Красным — спектр, набранный за несколько часов измерений с калибровочным нейтронным источником ЛшБе в 1Р21. Снизу справа: СНМ-57 в 1Р21, обер-

нутый в Б4С.............................. 88

5.4 Спектры, полученные 3Не-счетчиком в 1Р21 с ЛшБе источником при напряжении 1650 В (черная линия) и в Дубне с РиВе источником для двух напряжений: 1200 В (красная линия) и 1500 В (синяя линия)......................... 90

5.5 Энергетический спектр, полученный в Дубне 3Не-счетчиком при напряжении 1200 В для аксиального (красная линия) и радиального (синяя линия) положения РиБе источника нейтронов................................. 91

5.6 Моделирование отклика 3Не-счетчика к изотропному потоку нейтронов с энергиями 1 МэВ (верхний график) и 3 МэВ (нижний график). Красным показан вариант для реального газового

состава детектора — 400 кПа 3Не и 500 кПа 40Лг. Синим показан случай для чистого 3Не под давлением 400 кПа...... 94

5.7 Модельные энергетические спектры реактогенных и космоген-ных нейтронов. Красным показан спектр реактогенных нейтронов в 1ЬЬ-Н7. Синим и зеленым показаны спектры космоген-ных нейтронов в 1Р21 и в 1ЬЬ-Н7, соответственно........ 96

5.8 Изменение счета мюонов в лаборатории IP2I со временем. Фиолетовые, оранжевые и коричневые точки — результаты измерений потока мюонов в лаборатории IP2I, зеленые точки — измеренный поток мюонов на крыше здания. Голубая линия — изменение атмосферного давления. Красная линия — функция фитирования мюонного потока.................... 98

5.9 Сравнение результатов моделирования (синие точки) со спектром, измеренным за 18 дней 3Не-счетчиком в лаборатории IP2I (красные точки). Из-за внутреннего фона счетчика статистически значимый вклад нейтронов в часть спектра выше 4,5 МэВ может быть определен ^0,25 событий в день на доверительном уровне 95% (серая область). Во вставке показана наиболее чувствительная к нейтронам область спектра.....100

5.10 Сравнение спектров, измеренных болометрами, с результатами моделирования космогенного фона. Черная линия — спектр, измеренный болометрами RED20. Красная и голубая линии — полученные болометрами RED80 спектры 7-квантов и ядер отдачи, соответственно. Закрашенными гистограммами показаны результаты моделирования космогенного фона: красная — 7-компонента, голубая — ядра отдачи, черная — суммарный фон. Ошибки в экспериментальных данных не показаны, но составляют 10% для RED20 [68] и 30% для RED80 [120] ... 101

5.11 Место проведения эксперимента Ricochet в ILL. В центре находится 3Не-счетчик, обернутый в B4C...............103

5.12 Верхний график: сравнение космогенного фона в ILL-H7, измеренного 3Не-счетчиком за 40,7 дней (красные точки), с результатами МС (синие точки). Нижний график: сравнение фона реактогенных нейтронов, измеренного 3Не-счетчиком за 46,3 дня при усредненной мощности реактора 42 МВт (красные точки) с результатами МС (синие точки). При измерениях счетчик был обернут в B4C толщиной 1 см....................104

136

Список таблиц

1.1 Значения выхода и множественность нейтронов при спонтанном и вынужденном делении ядер 232Th, 235U, 238U [3, 44-46]. . 20

1.2 Значения пороговой энергии, Q и кулоновского барьера для некоторых (a,n) реакций [47, 48].................. 21

1.3 Выход и энергия нейтронов в реакциях (a,n) с Еа = 5,2 МэВ

при облучении а-частицами тонких мишеней [49-53]...... 22

1.4 Среднее число актов упругого рассеяния на различных элементах, необходимое для термализации нейтрона с энергией

2 МэВ [40]............................... 26

1.5 Замедляющие способности и коэффициенты замедления некоторых материалов [56]........................ 30

2.1 Измеренный поток тепловых и быстрых нейтронов в А336 при разных конфигурациях защиты. Данные, приведенные в последнем столбце, получены в измерениях с закрытыми бориро-ванным полиэтиленом выходами ионизационных камер [66]. . . 39

4.1 Возбужденные уровни ядра 128I с энергиями ниже 200 кэВ. [3,

12, 105]................................. 61

4.2 Счет нейтронов в тестовых измерениях............... 79

5.1 Результаты моделирования фона от нейтронных событий и их сравнение с ожидаемым числом CENNS-событий в эксперименте Ricochet [15]..........................106