Установка для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Громушкин, Дмитрий Михайлович

• Громушкин, Дмитрий Михайлович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Громушкин, Дмитрий Михайлович

Введение

Гпава 1. Детектор нейтронов (эн-детектор)

1.1. Эн-детектор

1.1.1. Сцинтиллятор ZnS(Ag)+6LiF

1.2.1. Первые образцы детектора

1.2.2. Выбор корпуса эн-детектора

1.2.3. Основные элементы эн-детектора

1.2.4. Описание эн-детектора

1.2. Тестирование эн-детектора

1.2.1 Методика отбора нейтронов

1.2.2 Стенд для тестирования и калибровки эн-детекгоров

1.2.4 Эффективность отбора нейтронов с использованием методики отбора по форме импульса

1.2.5. Оценка эффективности регистрации тепловых нейтронов сцинтиллятором

ZnS(Ag)+6LiF

1.2.5. Тестирование и подбор усиления эн-детектора

1.2.6 Диапазон линейности ФЭУ

1.2.7 Тестирование эн-детектора на координатно-трековом детекторе

1.3. Выводы к Главе 1

Гпава 2. Установка ПРИЗМА-32

2.1 Опытный образец установки для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ

2.1.1. Схема и принцип работы

2.1.2. Результаты регистрации нейтронов в ШАЛ, полученные на опытном образце установки

2.2 Электроника установки для регистрации ШАЛ

2.2.1 АЦП

2.2.2 Дискриминатор-интегратор-усилитель (ДИУ)

2.2.3. Предусилитель 7d

2.2.4. Схема совпадений, отбор событий

2.2.5. Создание единой триггерной системы НЕВОД и установки ПРИЗМА-32

2.3. Схема установки и подключение

2.3.1. Изучение влияния водного бассейна на концентрацию тепловых нейтронов

2.3.2. Схема расположения эн-детекгоров

2.3.3. Схема подключения эн-детекторов

2.3.4. Пункт сбора информации

2.4 On-line программы

2.4.1. Методика регистрации нейтронной компоненты ШАЛ

2.4.2. On-line программа для регистрации электромагнитной и нейтронной компоненты ШАЛ

2.4.3. База данных

2.4.4. Программа on-line_EAS_7d

2.5 Обеспечение непрерывной работы

2.5.1 Стабилизация напряжения

2.5.5. Контроль за работой установки

2.6 Пример регистрации события ШАЛ

2.7. Выводы к Главе 2

Гпава 3. Исследование фона тепловых нейтронов

3.1. Влияние метеопараметров на поток тепловых нейтронов вблизи поверхности Земли

3.1.1. Установка для изучения фонового потока тепловых нейтронов "Нейтрон"

3.1.2. Влияние давления на темп счета тепловых нейтронов

3.1.3. Влияние температуры на темп счета тепловых нейтронов

3.1.4. Влияние снега на темп счета нейтронов

3.2. Темп счета тепловых нейтронов на разных высотах

3.3. Выводы к Главе 3

Гпава 4 Исследование нейтронов ШАЛ

4.1 Подготовка данных

4.1.1 Проведение экспериментальной серии

4.1.2 Объединение экспериментальных данных двух кластеров

4.2 Сопоставление экспериментальных данных ПРИЗМА-32 с данными установок экспериментального комплекса НЕВОД: СКТ-ЧДВ

4.3. Определение числа заряженных частиц в эн-детекторе

4.4. Обработка данных установки

4.4.1. Корреляция между энерговыделением и числом зарегистрированных нейтронов

4.4.2. Зависимость среднего числа зарегистрированных нейтронов в событии от числа сработавших детекторов

4.4.3. Временные распределения регистрации нейтронов ШАЛ

4.5. Примеры регистрации событий с наибольшим энерговыделением от прохождения ШАЛ как по электромагнитной, так и нейтронной компонентам

4.6. Выводы к Главе 4

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Установка для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ»

Введение

Изучение энергетического спектра космических лучей высоких и сверхвысоких энергий на сегодняшний день является весьма важной задачей. Множество рабочих групп и коллабораций работало и работают над данным вопросом. Несмотря на многолетние исследования до сих пор не решена проблема так называемого «излома» в спектре космических лучей.

Существует два метода исследования энергетического спектра и состава космических лучей: "прямой", в котором измеряется энергия и заряд первичных частиц за пределами атмосферы при помощи космических аппаратов или высотных аэростатов, и "косвенный" - регистрация ливней вторичных частиц, образующихся при вхождении в атмосферу первичных частиц благодаря многочисленным ядерным и электромагнитным взаимодействиям вторичных частиц ливня с ядрами и электронами атомов атмосферы.

Из проведенных прямых экспериментов получено, что интенсивность КЛ резко падает с ростом энергии по закону I (>Е) ~ Е"17 до энергии Е ~ 1015 эВ, а измеренный энергетический спектр ШАЛ (широких атмосферных ливней) имеет характерный излом в области энергий ~ 3x1015 эВ и дальше изменяется по закону I (> Е) ~ Е"2-1. Излом энергетического спектра ШАЛ с ~ Е"1,7 на ~ Е"2'1 получил название «колено» и наблюдается в разных компонентах ШАЛ. На сегодняшний день создано множество моделей физической интерпретации «колена». Все существующие модели можно условно разделить на три группы: «ядерно-физические», «астрофизические» и «феноменологические», но ни одна из них не описывает всю совокупность имеющихся экспериментальных данных.

Возможности провести прямое изучение ПКЛ за пределами атмосферы в интересующем диапазоне энергий (1015—1016 эВ) у исследователей не было, и пока нет - слишком дорого и методически трудно из-за очень низкой интенсивности космических лучей при этих энергиях. Поэтому поиск решения последние 60 лет происходит на наземных установках для исследования ШАЛ. Создано множество установок, направленных на

изучение спектра и состава космических лучей: Тунка, Ice Cube, KASCADE-Grande, TA, ARGO-YBJ, Tibet AS, Я КУШАЛ, НЕВОД-ДЕКОР и др. Часть установок уже закрыта, некоторые работают и сегодня, какие-то находятся на модернизации, помимо этого существует несколько новых проектов установок, которые находятся в стадии разработки и создания. На установках измеряются различные параметры ШАЛ (число заряженных частиц, число мюонов, энергия ствола ливня на уровне наблюдения и другие характеристики), которые затем пересчитываются в энергию первичной частицы при известном значении ее массы и заряда, которые, в свою очередь, могут быть оценены по некоторым параметрам ШАЛ: отношению NM/Ne, высоте максимума развития ливня Хтах и т. д. Результаты проведенных экспериментов не всегда согласуются, а часто и противоречат друг другу. Поэтому требуется развитие новых методов исследования ШАЛ и создание установок на их основе.

В настоящее время особо важным направлением по изучению ШАЛ, наряду с уже созданными и создающимися установками по регистрации электромагнитных составляющих ШАЛ, является изучение адронов в ШАЛ (KASCADE-Grande [1, 2], Ковер, L HAAS О [3]). В отличие от электромагнитной компоненты, которая является вторичной компонентой ШАЛ и ее перевод в энергию первичной частицы требует использования математических моделей взаимодействия, которые, в свою очередь, могут искажать данные по первичной компоненте, адронная компонента является первичной, формирующей все основные свойства ШАЛ. Данный факт значительно упрощает пересчет измеряемых параметров ШАЛ в энергию первичной частицы, но создание калориметров большой площади типа использованного в KASCADE довольно трудоемкая и затратная задача.

Одним из альтернативных методов изучения адронной компоненты ШАЛ является регистрация ее нейтронной компоненты на поверхности Земли. Нейтроны в ШАЛ могут рождаться в результате адрон-ядерных и фотоядерных взаимодействий в процессе развития ливня или ядерных расщеплений ядер среды при прохождении адронной составляющей. В процессе развития ливня в атмосфере нейтроны рождаются до тех пор, пока энергия частиц больше порога рождения нуклонов. Доля нейтронов,

рождаемых в каскадном процессе, мала, поскольку большую часть вторичных частиц составляют более легкие пионы и каоны.

При энергиях ниже порога рождения нуклонов начинает преобладать процесс рождения нейтронов в результате развала ядер среды под действием развивающегося ливня. Нейтроны, рожденные в результате данного процесса, называются испарительными.

Нейтронная компонента ШАЛ является единственной до настоящего времени практически не изученной компонентой. На сегодняшний день не существует установок и полноценных экспериментов по исследованию нейтронной компоненты ШАЛ. Упоминания о нейтронах в ШАЛ можно найти в работах по исследованию нейтронов вблизи поверхности Земли или в результатах, полученных на нейтронных мониторах.

Первое такое упоминания о нейтронах в ШАЛ датируется далеким 1940 годом в работе Бете [4], где впервые рассмотрены вопросы рождения и взаимодействия нейтронов вблизи поверхности Земли. В работах [5-7] приводятся описание первых экспериментов по регистрации нейтронов в ШАЛ с использованием борных счетчиков. К сожалению, результаты данных экспериментов не были в то время востребованы из-за бурного развития установок для регистрации электромагнитной компоненты.

Следующим важным шагом в изучении нейтронов в ШАЛ, являются их упоминания при создании сети нейтронных мониторов [8]. Следует отметить, что нейтронные мониторы направлены на регистрацию низкоэнергетичных адронов около ГэВных энергий с помощью регистрации вторичных замедленных нейтронов, рожденных в мишени нейтронного монитора при прохождении адрона. Тем не менее, в нескольких работах были сделаны попытки регистрации нейтронной компоненты ШАЛ с использованием нейтронных мониторов [9].

В последнее время интерес к нейтронам в ШАП значительно возрос (проект PRISMA [10], Тянь-Шаньский супермонитор [11, 12] и др). Наиболее полным исследованием возможности регистрации нейтронной компоненты ШАЛ являются работы Ю.В. Стенькина (ИЯИ РАН), где на примере нескольких макетов показана возможность регистрации нейтронной компоненты ШАЛ, а также приведено сопоставление данных по нейтронной компоненте как на нейтронных мониторах, так и на сцинтилляционных

детекторах [13, 18]. Полученные в данных работах результаты объясняют причины ошибочной интерпретации данных, полученных ранее на нейтронных мониторах. Наблюдавшиеся ранее различные «аномалии» объясняются невозможностью регистрации больших кратностей нейтронов газовыми счетчиками из-за длительного времени их восстановления. Поэтому в работах [19, 20] предлагается использовать для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ сцинтилляционные детекторы на основе сцинтиллятора 2п8(Ад)+ 6ЫР.

Несмотря на перечисленные работы и исследования, нейтронная компонента ШАЛ в настоящее время является малоизученной и пока нет полномасштабных установок по ее измерению и изучению. В то же время показано, что нейтронная компонента ШАЛ может нести в себе важнейшую информацию о спектре и составе космических лучей, и соответственно разработка и создание установок для ее регистрации является на сегодняшний день весьма актуальной задачей.

Все перечисленные исследования проводились на макетах установок малой площади. Поэтому для более детального исследования был создан совместный проект НИЯУ МИФИ и ИЯИ РАН, результатом которого стало создание установки из 32 больших неэкранированных детекторов для регистрации тепловых нейтронов в ШАЛ. В рамках совместного проекта под руководством и при непосредственном участии соискателя проведены исследования детектора для регистрации тепловых нейтронов, разработаны и опробованы методы регистрации и создана установка для регистрации нейтронов в ШАЛ, состоящая из 32 детекторов. Цель работы:

Разработка и создание ПРототипа установки для Измерения Атмосферных нейтронов, состоящей из 32 эн-детекторов (ПРИЗМА-32). Научная новизна:

• Разработана универсальная конструкция нового типа детектора, способного регистрировать одновременно две компоненты ШАЛ: электромагнитную и нейтронную.

• Впервые создан полноценный прототип установки для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ.

• Впервые получены экспериментальные данные о временном распределении тепловых нейтронов в ШАЛ за длительный период.

• Впервые измерена корреляция между электромагнитной и нейтронной компонентами ШАЛ.

Практическая значимость:

Созданная установка позволила впервые получать данные о нейтронной компоненте в ШАЛ. Опыт создания установки для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ будет полезным при развертывании крупномасштабных установок с использованием детекторов подобного типа. Разработанные детекторы и методы регистрации нейтронов могут использоваться в прикладных задачах, например: для изучения вариаций потока тепловых нейтронов в течение длительного периода, в системах контроля радиационной обстановки и т.п. Созданная установка в дальнейшем будет интегрирована в экспериментальный комплекс НЕВОД, что позволит одновременно получать данные по основным компонентам ШАЛ: электронной, нейтронной, мюонной и ее энерговыделению. Личный вклад:

Автор внес весомый вклад в разработку и создание установки нового типа для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ: участвовал в создании стендов технологической линии по сборке элементов детектора и разработке программного обеспечения для них, принимал участие в подготовке и проведении эксперимента, внес вклад в обработку и анализ экспериментальных данных, полученных на установке. Автор является ответственным исполнителем в совместном проекте НИЯУ МИФИ и ИЯИ РАН по созданию установки нового типа для исследования ШАЛ. Автор защищает:

1. Разработанную конструкцию эн-детектора и его характеристики.

2. Установку ПРИЗМА-32 для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ, состоящую из 32 эн-детекторов.

3. Методы калибровки и тестирования эн-детектора.

4. Результаты исследования фона тепловых нейтронов вблизи поверхности Земли.

5. Измеренную корреляцию между электромагнитной и нейтронной компонентами ШАЛ.

Апробация:

Результаты работы были доложены на российских и международных конференциях: 30-й, 31-й, 32-й и 33-й Всероссийских конференциях по космическим лучам, 22-м и 23-м Европейских симпозиумах по космическим лучам, 31-й Международной конференции по космическим лучам, научной сессии-конференции секции ЯФ ОФН РАН 2013, Международной конференции "Instrumentation for Colliding Beam Physics 2014", Баксанской молодежной школе экспериментальной и теоретической физики, Научных сессиях НИЯУ МИФИ, 18-й международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов", 7-й Курчатовской молодежной научной школе; опубликованы в трудах этих конференций, а также в 10 статьях в рецензируемых российских и зарубежных журналах, цитируемых в WoS и Scopus: «Известия РАН. Серия физическая», «Краткие сообщения по физике», «Journal of Physics: Conférence Sériés», «Astrophysics and Space Sciences Transactions» и Journal of Instrumentation (JINST).

Автору присуждена медаль Российской академии наук для молодых ученых России 2013 в области ядерной физики за цикл работ «Установка для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ».

Основные публикации по теме диссертации:

1. Д.М. Громушкин, В.В. Алексеенко, А.А. Петрухин, Ю.В. Стенькин, И.И. Яшин. "Регистрация потока тепловых нейтронов вблизи поверхности Земли", Известия РАН. Серия физическая, 73, №3, (2009), с. 426.

2. Ю.В. Стенькин, В.В. Алексеенко, В.И. Волченко, Д.М. Громушкин, В.В. Джаппуев, А.У. Куджаев, О.И. Михайлова, А.А. Петрухин, В.И. Степанов, В.П. Сулаков, А.Л. Цябук, И.И. Яшин. "Как выглядит ШАЛ в тепловых нейтронах?", Известия РАН. Серия физическая, 73, №5, (2009), с. 647.

3. В.В. Алексеенко, Ю.М. Гаврилюк, Д.М. Громушкин, Д.Д. Джаппуев, А.У. Куджаев, В.В. Кузьминов, О.И. Михайлова, Ю.В. Стенькин, В.И. Степанов. "Связь вариаций потока тепловых нейтронов из земной коры с лунными периодами и сейсмической активностью". Физика Земли, № 8, (2009), с. 91.

4. Д.М. Громушкин, Ю.В. Стенькин, И.Б. Хацуков. "Мониторинг потока тепловых нейтронов, с использованием детекторов нового типа", Краткие сообщения по физике, 37, №11, (2010), с. 24-28.

5. Д.М. Громушкин, А.А. Петрухин, Ю.В. Стенькин, И.И. Яшин. "Изучение временной структуры нейтронной компоненты ШАЛ". Известия РАН. Серия физическая, 75, № 3, (2011), с. 403.

6. D.M. Gromushkin, A.A. Petrukhin, Yu.V. Stenkin, I.I. Yashin. "Study of EAS neutron component temporal structure", Astrophysics and Space Sciences Transactions, 7, p. 115, (2011).

7. D.M. Gromushkin, V.V. Alekseenko, A.A. Petrukhin, O.B. Shchegolev , Yu.V. Stenkin, V.l. Stepanov, V.l. Volchenko, I.I. Yashin. "The ProtoPRISMA array for EAS study: first results", Journal of Physics: Conference Series, 409, 012044, (2013).

8. V. Alekseenko, F. Arneodo, G. Bruno, W. Fulgione, D. Gromushkin, O. Shchegolev, Yu. Stenkin, V. Stepanov and V. Sulakov. "Registration of Forbush decrease 2012/03/08 with a global net of the thermal neutron scintillation en-detectors", Journal of Physics: Conference Series, 409, 012190.

9. Д.М. Громушкин, В.И. Волченко, A.A. Петрухин, Ю.В. Стенькин, В.И. Степанов, О.Б. Щеголев, И.И. Яшин. "Установка нового типа для регистрации ШАЛ: первые результаты", Известия РАН. Серия физическая, 77, № 5, (2013), с. 704-706.

10.D. Gromushkin, V. Alekseenko, A. Petrukhin, О. Shchegolev, Yu. Stenkin, V. Stepanov, I. Yashin, E. Zadeba. "The array for EAS neutron component detection", Journal of Instrumentation, 2014_JINST_9_C08028, doi:10.1088/1748-0221/9/08/С08028

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации: 121 стр., 98 рис., 2 табл., 55 наименований цитируемой литературы.

В первой главе приводится описание процесса разработки и создания эн-дететора для установки ПРИЗМА-32 с подробным перечислением основных узлов. Описываются разработанные методики регистрации тепловых нейтронов и основные результаты тестирования эн-детектора.

Вторая глава посвящена разработке и созданию прототипа установки для измерения атмосферных нейтронов ШАЛ (ПРИЗМА-32). Описывается структура установки и ее основные элементы, схемы триггирования и online программы обработки данных. Приводятся примеры регистрации событий.

В третьей главе приведены результаты исследования фона тепловых нейтронов вблизи поверхности Земли и результаты оценки влияния на него метеопараметров (давления, температуры, толщины снежного покрова).

В четвертой главе диссертации продемонстрирована стабильность работы установки в течение длительного периода времени и показаны примеры зарегистрированных событий совместно с данными других установок НОЦ НЕВОД. Приводятся результаты обработки данных за более чем два года работы установки: зависимость среднего числа зарегистрированных нейтронов как функция суммарного энерговыделения электромагнитной компоненты и временное распределение нейтронов в ШАЛ.

В заключении диссертации перечислены основные результаты работы.

Глава 1. Детектор нейтронов (эн-детектор)

1.1. Эн-детектор

Для создания установки требовалось разработать и создать конструкцию нового детектора. В качестве экспериментального образца детектора для регистрации нейтронов использовался стандартный стальной корпус пирамидального типа, площадью 1 кв. м, на котором были проведены первые работы по тестированию сцинтиллятора и разработке методики регистрации тепловых нейтронов, а также определены основные критерии при создании конструкции нового детектора. В результате был создан эн-детектор простой и в тоже время надежной конструкции, который способен регистрировать одновременно две основные компоненты ШАЛ: электромагнитную (э) и нейтронную (н).

1.1.1. Сцинтиллятор гп8(Ад)+ 6ЫР

Сцинтилляторы для регистрации тепловых нейтронов основаны на методе регистрации заряженных частиц, образовавшихся в результате взаимодействия нейтронов с различными добавками (6Ы, 10В и др.), имеющими большое сечение захвата тепловых нейтронов.

Наиболее часто используемыми добавками в сцинтилляторе для регистрации тепловых нейтронов являются соединения 6Ы, который при взаимодействии с нейтроном рождает тритон и альфа частицу: реакция взаимодействия нейтрона с 6Ы:

6Ы + п —► Т + а + 4,78 МэВ.

Заряженные частицы производят в сцинтилляторе ионизацию и возбуждение его молекул. Через очень короткое время (10"6 — 10"9 сек) молекулы переходят в стабильное состояние, испуская фотоны - возникает вспышка света (сцинтилляция). Для регистрации вспышек света используется фотоэлектронный умножитель - ФЭУ.

Наиболее известным неорганическим сцинтиллятором для регистрации является сцинтиллятор на основе 2пБ(Ад). представляет собой

кристаллическое вещество плотностью 4,09 г/см3 и температурой

плавления 1850 °С, время высвечивания быстрой компоненты составляет ~ 40 нсек [22]. Кроме быстрой компоненты, сцинтиллятор имеет еще несколько более медленных компонент, однако основная энергия свечения выделяется именно за время быстрой компоненты. Неактивированный сернистый цинк даёт голубое излучение, при введении в качестве примеси Ад в количествах порядка 0,01% голубое излучение сильно увеличивается и сцинтилляционная эффективность возрастает, максимум эмиссии приходится на 450 нм.

Сернистый цинк, активированный серебром ZnS(Ag) - уникальный сцинтиллятор который является одним из наиболее эффективных и одним из лучших сцинтилляторов для регистрации тяжелых частиц; он дает в 2 раза больше света, чем Nal (рисунок 1.1) [22]. a-частица и тритон от захвата нейтрона на 6Li дают в нем больше света, чем релятивистские электрон или мюон в пластике толщиной 3 см. ZnS(Ag) считается одним из первых сцинтилляторов для регистрации ядерных излучений.

CWlOaoi HUi] шшЬНфМ /ИмГи.МЯТвЦО* в . «Т». tt.

Няд кчбужлмык*

- i Mrxrptm (фОКИ) х- «KM ■c ш ШМК1 ДМИ1ШИ

Si 1 L h 1 fe i и 1 St I h i i

Лргпн (г»») _ - 16 — -I - - _

: Арго« (¡кмхаш) | 77 ! - j -t

Кмюя (газ) «1 "I - - ZI -1 -i _ J - -

K«HWI (»«и««*) * _ - 34 j — - "I - -

Kenn* (ткрдыД) 138 -1- -I-I "I"

2£nS (Ají 7М 730 380 450 117 13, J- :йо - IIb

Llt (Eii) 30 - _ M 5 7 20 - S.2

N.l (Tí) ílfl 380 1« S20 Я re 210 1® - 48

Kl (Tlj w 90 1« 10 15 - +0 - 14,2

C»! (TS) гаю j ?i<» 1 iza jis? |. «й ¡40 12» 41 i 58

Ampum i&i ¡;® i 40 ]<. IS 43 39 i13 | 12

СтшМ5«1 i too 100 I 32 | за 1" 11 Э0 j 30 |9.3 | 9,3

Тола Ii ее 100 и a i 16 11 — M 1- | 9.3

Ньфтядш! 30t ¡8,0 9,1 1* г _ 8 - 3.4

крфаш» +f>,06?¿ РОРОн * пкыж'шрчк- 7b 61 21 20 s 0.3 17 1С. 5,5 J 5.8

a Г/.1 т«фгикла , SO иф I4>äPOi> В толуоле rs 1 60 21 19 s 6,i . _ 10 5.7 U.fi i

Рисунок 1.1. Таблица световыхода с наиболее известными сцинтилляторами.

Несмотря на то, что ZnS(Ag) является одним из наиболее эффективных из ныне известных сцинтилляторов, и он имеет эмиссионный спектр, идеально подходящий к фотоумножителям, применение его в сцинтилляционных счётчиках очень ограничено по двум причинам: очень трудно изготовить большие монокристаллы, и, кроме того, кристалл непрозрачен к собственному излучению. Тем не менее, 2п5(Ад) является хорошим сцинтиллятором для счёта тяжёлых заряженных частиц в тонких слоях.

Регистрация тепловых нейтронов происходит следующим образом: используется сплав ZnS(Ag) и ЫР, обогащенного 6Ы, который и захватывает нейтрон:

где образовавшиеся а-частица и ядро трития вызывают свечение ZnS(Ag) в видимом диапазоне волн. За один акт захвата нейтрона гпЗ(Ад) испускает 160000 фотонов. Схема регистрации тепловых нейтронов в сцинтилляторе ZnS(Ag) с добавкой ЫР представлена на рисунке 1.2 [26].

6Ы + п -> Т + а + 4,78 МэВ,

Рисунок 1.2. Регистрация тепловых нейтронов на сцинтилляторе

2п8(Ад) с добавкой /./'Р.

Чаще всего сцинтиллятор ZnS(Ag)+ 6ЫР применяется исключительно в виде тонкого слоя с максимальной толщиной слоя около 30 мг/см2. Сцинтиллятор хорошо подходит для регистрации именно тепловых нейтронов. Это связано с тем, что вероятность захвата (в тонком детекторе) с ростом скорости падает как Мм где V - скорость нейтрона и, следовательно, для тепловых энергий она максимальна. Помимо этого, ZnS(Ag) имеет наибольший световыход от прохождения через него электромагнитной компоненты (в 10 раз больше, чем пластический сцинтиллятор (рисунок 1.1)), т.е. наряду с нейтронной компонентой возможна регистрация и заряженной компоненты.

В детекторах для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ используется специализированный неорганический сцинтиллятор (светосостав СЛ6-5) на основе сернистого цинка ^пБ), активированного серебром с добавлением ЫР, обогащенного до 90% 6Ы. Эффективность регистрации тепловых нейтронов таким сцинтиллятором составляет ~ 20%. Возможность использования данного сцинтиллятора в установке для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ впервые была предложена Стенькиным Ю.В. (ИЯИ РАН). Сцинтиллятор для разрабатываемого детектора представляет собой гранулы сплава смеси сцинтиллятора гпЭ(Ад) и 6ЫР в виде порошка. Для удобства использования порошок равномерно размещается на листе бумаги формата А4 (или менее) толщиной в одну гранулу (со средней толщиной ~ 30 мг/см2) и ламинируется в полиэтиленовую пленку (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3. Фотография листа сцинтиллятора формата А4 на

основе 1п8(Ад)+6иР.

Сцинтилляционные детекторы, в которых используется сцинтиллятор такого типа, обладают достаточно высоким быстродействием ~ 40 не и малой чувствительностью к гамма фону. Несомненным преимуществом является тот факт, что построить сцинтилляционный детектор больших размеров на этой основе значительно проще, чем создать другой тип детектора аналогичных размеров [28, 29].

1.2.1. Первые образцы детектора

К конструкциям сцинтилляционных детекторов предъявляются следующие требования:

- равномерное собирание света с площади сцинтиллятора;

- наилучший сбор света сцинтилляций на фотокатоде;

- светоизоляция от посторонних источников;

- стабильность коэффициента усиления ФЭУ.

Для регистрации нейтронов в работе [19] использовалась дюралевая конструкция стандартного детектора прямоугольного типа, разработанного ИЯИ РАН для жидкостных сцинтилляционных детекторов площадью 0.5 кв. м. Но такая конструкция не является оптимальной из-за плохой эффективности светосбора, поскольку она была предназначена для жидкостных сцинтилляторов.

В качестве экспериментального образца в данной работе были использованы стандартные ШАЛовские детекторы для пластических сцинтилляторов пирамидальной формы с площадью основания в один квадратный метр. Пластический сцинтиллятор в данном детекторе был заменен на специализированный неорганический сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов 2пЗ(Ад)+6иР. Принципиальная конструкция детектора показана на рисунке 1.4.

Сцинтиллятор находится в основании диффузора, выполненного в виде усеченной четырехгранной пирамиды, в вершине которой расположен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-200). Внутренняя поверхность диффузора покрыта белой краской с высоким коэффициентом диффузного отражения (~ 95%).

Рисунок 1.4. Конструкция нейтронного детектора. 1 - ФЭУ-200; 2 -сцинтиллятор ZnSf/Agj+6L/F; 3 - светозащитный корпус детектора; 4 -

светоотражающее покрытие.

В ходе проведенных работ было собрано восемь таких детекторов, которые в дальнейшем стали основой опытного образца установки для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ, а затем частью создаваемой установки (четыре детектора); еще четыре детектора нашли свое применение в установке для исследования вариаций тепловых нейтронов вблизи поверхности Земли (установка "Нейтрон"). На пирамидальных детекторах были разработаны и опробованы методы регистрации фоновых тепловых нейтронов и нейтронной компоненты ШАЛ; полученные результаты опубликованы в работах [51, 54].

1.2.2. Выбор корпуса эн-детектора

В связи с тем, что для создания установки по регистрации нейтронной компоненты ШАЛ требуется несколько десятков эн-детекторов, изготовление конструкции пирамидальной формы оказалось неоправданно дорого. Поэтому была проведена работа по разработке конструкции нового корпуса для эн-детектора с более низкой ценой, но с похожими показателями. Наиболее подходящим вариантом представлялось использование в качестве корпуса для детектора стандартных цилиндрических полиэтиленовых баков для воды черного цвета.

Для изучения возможности использования таких корпусов для детекторов была проведена оценка эффективности светосбора с использованием моделирования Монте-Карло при различных

коэффициентах отражения света от внутренней поверхности [30]. Были рассмотрены следующие геометрии детекторов: пирамидальная (тестовый образец детектора); коническая; цилиндрическая.

Distance from the center, R/R0

Рисунок 1.5. Зависимость эффективности светосбора от расстояния для пирамидальной, конической и цилиндрической геометрий.

Результаты моделирования (рисунок 1.5) показали, что цилиндрическая геометрия имеет малую эффективность светосбора, поэтому вариант с использованием цилиндрической геометрии был исключен. Два оставшихся варианта показали похожие результаты: лучшую эффективность светосбора показала пирамидальная геометрия, а однородность - коническая.

В итоге, учитывая близкие показатели конической и пирамидальной геометрий и значительно более низкую стоимость создания конической конструкции, в качестве корпуса для детектора был выбран вариант с конической конструкцией. За основу корпуса для детектора был взят предложенный ранее полиэтиленовый бак, в который устанавливается конический светоотражающий диффузор.

Для выбора наиболее подходящего корпуса было испытано два образца пластиковых бочек разных размеров и производителей. Оба образца черного цвета и, по данным производителя, являются непрозрачными к свету.

Первый образец объемом 500 литров (ЭВЛ-500) и размерами высота 960 диаметр 900 мм, диаметр горловины 350 мм, показан на рисуноке 1.6. Стенки данного образца выполнены по двухслойной технологии (внутренний слой белый, внешний черный). К сожалению, этот образец оказался светопроницаемым и при проведении испытаний он дополнительно светоизолировался. Также выяснилось, что перемещение и работа с такими габаритами вызывают дополнительные трудности, такие как: сложность в перемещении из-за больших габаритных размеров; трудности монтажа при размещении сцинтиллятора на дно бочки. Единственным достоинством данного образца является большая площадь основания, которую можно пократь сцинтиллятором.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Громушкин, Дмитрий Михайлович, 2014 год

Список литературы

1. https://web.ikp.kit.edu/KASCADE/

2. W.D. Apel et al. / New method to measure the attenuation of hadrons in extensive air showers // Physical Review D, 80 (2009) 022002

3. http://english.ihep.cas.cn/ic/ip/LHAASO/

4. H. A. Bethe, S. A. Kroff, G. Placzek. / On the Interpretation of Neutron Measurements in Cosmic Radiation. // Phys. Rev. V. 57, No 7, (1940), p. 573-587.

5. V. Cocconi-Tongiorgi. / Neutrons in Extensive Air Showers of Cosmic Radiation. // Phys. Rev., v. 75, No 10, (1949), p. 1532-1540.

6. G. Cocconi, V. Cocconi-Tongiorgi and K. Greisen. / Neutrons in the penetrating showers of the cosmic radiation. // Phys. Rev., 74, No 13, (1948), p.I 8671868.

7. V. Tongiorgi. / On the Presence of Neutrons in the Extensive Cosmic-Ray Showers. // Phys. Rev. V. 73, No 8, (1948), p. 923-924.

8. С J. Hatton. / The neutron monitor. // Progress in Elementary Particle and Cosmic Rays Physics, vol. X, North-Holland, Amsterdam, (1971), p. 3-100.

9. V.G. Kozlov, V.M. Migunov, et al. / Neutrons in EAS with number of particles 107 108. // Proc. of 16th ICRC, Kyoto, (1979), v. 8, p. 356-361.

10. Yu. Stenkin. / On the PRISMA project. // Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), v. 196, (2009), p. 293-296; ArXiv: 0902.0138vl Astro-ph.lM.

11. А.П. Чубенко. / Спектр множественности нейтронов в событиях, наблюдаемых на подземном нейтронном мониторе Тянь-Шаньской высокогорной станции (3340 м над уровнем моря). // Кандидатская диссертация. Москва. 2010.

12. Antonova V.P., Chubenko А.Р., Kryukov S.V., et al. // Anomalous time structure of extensive air shower particle flows in the knee region of primary cosmic ray spectrum. II Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics Volume 28, Issue 2, 2002, Pages 251-266

13. Yu.V. Stenkin, J.F. Valdes-Galicia et al. / Study of "neutron bursts" with Mexico City neutron monitor. // Proc. of the 26th ICRC, Salt Lake City, 1999. V.l. P. 252-255.

14. Yu.V. Stenkin, J.F. Valdes-Galicia et al. / Study of "neutron bursts" with Mexico City neutron monitor. //Astroparticle Phys. 2001. V.16(2). P. 157-168.

15. Yu.V. Stenkin, V.N. Bakatanov et al. / Study of neutron bursts with baksan array. II Proc. of XI International School "Particles and Cosmology"; INR, (2001), p. 215-221.

16. Yu.V. Stenkin, V.N. Bakatanov et al. / Study of neutron bursts with Baksan array. // Proc. of the 27th ICRC, Hamburg, (2001), p. 1449-1452.

17. Yu.V. Stenkin, J.F. Valdes-Galicia et al. / Neutron bursts in EAS: New physics or nuclear physics? // Proc. of the 27th ICRC. Hamburg. 2001. P. 1453-1456.

18. Yu.V. Stenkin & J.F. Valdes-Galicia. / On the neutron bursts origin. // Mod. Phys. Letters A, 17, No 26 (2002), 1745-1751.

19. D.D. Djappuev, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov and Yu.V. Stenkin. / Compact multicomponent array for EAS study (MULTICOM). // Proc. of the 27th ICRC, Hamburg, (2001), p. 822-824

20. D.D. Djappuev, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov and Yu.V. Stenkin. / Compact multi-component array for EAS study. // Proc. of XI International School "Particles and Cosmology", INR, (2003), p. 509-513.

21. W. D. Allen. / Neutron detection. // Harwell, 1960,196 c.

22. M. H. Медведев. / Сцинтилляционные детекторы. // M., Атомиздат, 1977,136 с.

23. Н. А. Власов. / Нейтроны. // 2 изд., М., 1971; Гуревич И. И., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергий, М., 1965.

24. http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/detectors/prop.htm

25. Э. Фюнфер, Г. Нейерт. / Счетчики излучений. // Пер. с немец. М., Атомиздат, 1961.

26. Thomas К. McKnight. / An improved flexible neutron detector for powder diffraction experiments. // Department of Physics and Astronomy Brigham Young University. August 2005

27. Б. Росси, Г. Штауб. / Ионизационные камеры и счетчики. // Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1951.

28. Ю.К. Акимов. / Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. // Изд. МГУ, 1963.

29. Ю.К. Акимов. / Детекторы ядерных излучений на основе неорганических сцинтилляторов. // Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1994, том 25, вып 1

30. О.Б. Щеголев. / Моделирование (отклика) нейтронных детекторов с различной формой корпуса. // Труды 11-ой Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики». Приэльбрусье, 2010

31. М.Б.Амельчаков, В.В.Шутенко, Яшин И.И. / Сравнительное изучение спектрометрических и временных характеристик ФЭУ-189, ФЭУ-200 и ФЭУ-49Б. // Препринт № 006-2004. М.: МИФИ, 2004.

32. Н.С.Барбашина, А.А.Езубченко, Р.П.Кокоулин и др. / Координатный детектор для исследования горизонтального потока космических лучей. // Приборы и техника эксперимента, 2000, № 6, с.20-24.

33. Н.С.Барбашина, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, и др. / Широкоапертурный мюонный годоскоп большой площади УРАГАН. II Приборы и техника эксперимента, 2008, № 2, с. 26-32.

34. http://www.nevod.mephi.ru/index.php/ru/skt

35. И.А. Шульженко. / Новая система калибровки ЧВД НЕВОД. // Труды 10-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики, 2010, Т. 2, 249-257.

36. http://argo.na.infn.it

37. Y.V. Stenkin, V.V. Alekseenko, D.M. Gromushkin et al. / Thermal neutron flux produced by EAS at various altitudes. // Chinese Physics C, Volume 37, Issue 1, January 2013

38. Xinhua Ma, Yuri Stenkin, for the Argo-Ybj Collaboration and the Prisma Collaboration. / Coincident air shower events between ARGO-YBJ and PRISMA-YBJ. // 33 ICRC

39. http://www.ekran-os.ru/feu-200

40. Д.М. Громушкин, A.A. Петрухин, Ю.В. Стенькин, И.И. Яшин. / Изучение временной структуры нейтронной компоненты ШАЛ. // Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т. 75. № 3. С. 403-405 [Bull. RAS. Physics. 2011. V. 75. No. 3. P. 374-376].

41. http://www.adlinktech.com

42. http://www.nevod.mephi.ru/index.php/ru/unu

43. http ://www. nevod. meph i. ru/index. php/ru/chvd

44. http://www.nevod.mephi.ru/index.php/ru/dekor

45. E. Eroshenko, P. Velinov, A. Belov, V.Yanke. / Relationships between neutron fluxes and rain flows. //Advances in Space Research 46 (2010) c. 637-641

46. Д.М. Громушкин, A.A. Петрухин, Ю.В. Стенькин и др. / Регистрация потока тепловых нейтронов вблизи поверхности Земли. // Изв. РАН. Серия физич., т. 73, №3, (2009), с. 426.

47. В.В. Алексеенко и др. / Связь вариаций потока тепловых нейтронов из земной коры с лунными периодами и сейсмической активностью. // Физика Земли, № 8, Август 2009, с. 91-100.

48. Kuzhevskij В.М., Nechaev O.Yu., Sigaeva E.A. / Distribution of neutrons near the Earth surface. // Natural Hazards and Earth System Sciences, Vol.3, pp.255-262, 2003.

49. Д. M. Громушкин и др. / Сцинтилляционный детектор для измерения фоновых потоков тепловых нейтронов. // Сборник научных трудов, Научная сессия МИФИ-2008, М. 2008, т.9, с 181-183.

50. М. Bercovitch. // Proc. Intern. Conf. Cosmic Rays, Calgary 1967 Part A. c. 267.

51. D.M. Gromushkin, A.A. Petrukhin, Yu.V. Stenkin, I.I. Yashin. / Study of EAS neutron component temporal structure. // Astrophys. Space Sci. Trans., 7, 115-117, 2011. [doi:10.5194/astra-7-115-2011]

52. O. Saavedra et al. // J. Phys.: Conf. Ser. 409. Issue 1. 012009 (2013)

53. Ю.В. Стенькин, Д.Д. Джаппуев, Х.Ф. Вальдес-Галисия. / Нейтроны в широких атмосферных ливнях. // ЯФ, т. 70, №6, (2007), с. 1123-1135.

54. Д.М. Громушкин, А.А. Петрухин, Ю.В. Стенькин, И.И. Яшин. / "Изучение временной структуры нейтронной компоненты ШАП". // Изв. РАН. Сер. Физ., 75, №3, (2011), с. 403.

55. Ю.В. Стенькин. / Исследование нейтронной компоненты широких атмосферных ливней как новый метод изучения космических лучей. // Докторская диссертация. Москва, 2010.