СПОСОБ КАЛИБРОВКИ КРИОГЕННОГО ДЕТЕКТОРА ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО АРГОНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
METHOD OF CALIBRATING LIQUID ARGON-BASED CRYOGENIC PARTICLE DETECTOR AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к устройствам для регистрации ядерных излучений, в частности к криогенным детекторам на основе жидкого аргона, и может быть использовано при решении ряда фундаментальных физических задач, а также при регистрации ядерных излучений в системах ядерной энергетики, безопасности, медицины, неразрушающего контроля.
Из существующего развития техники известны криогенные детекторы ядерных излучений на основе сжиженных благородных газов [P. Mijakowski, THE SEARCH OF DARK MATTER WITH ArDM DETECTOR // ACTA PHYSICA POLONICA B, Vol.37 (2006), No 7, 2179], в которых детектирование частиц происходит вследствие их взаимодействия с инертным газом, находящимся в сжиженном состоянии при криогенных температурах, путем регистрации выделяемого тепла, сцинтилляционного свечения или свободных электронов, образующихся при ионизации сжиженного газа. Высокая чувствительность и малый уровень шумов детекторов на основе жидкого аргона позволяют регистрировать с их помощью события с малым выделением энергии, такие как когерентное рассеяние нейтрино, рассеяние медленных нейтронов и слабовзаимодействующих массивных частиц. Все эти процессы рассеяния приводят к образованию в детекторе ядра отдачи, которое при торможении ионизирует атомы аргона и вызывает отклик регистрирующих систем детектора.
3
Для измерения энергии ядер отдачи с помощью криогенного детектора необходимо проведение его калибровки, целью которой является определение коэффициента пропорциональности между энергией ядра отдачи и амплитудой сигнала детектора. Известен способ калибровки криогенного детектора с помощью процесса упругого рассеяния нейтронов ([С Regenfus et al. Study of nuclear recoils in liquid argon with monoenergetic neutrons // Journal of Physics: Conference Series V.375, p.012019, 2012], прототип). Способ состоит в следующем: в детектор направляется узконаправленный поток моноэнергетичных нейтронов. Нейтроны, упруго рассеянные на определенный угол, регистрируются дополнительным детектором рассеянных нейтронов; события упругого рассеяния выделяются схемой совпадений по синхронному срабатыванию криогенного детектора и детектора рассеянных нейтронов. Энергия ядра отдачи однозначно определяется начальной энергией нейтрона и углом рассеяния и может быть найдена из законов сохранения энергии и импульса. Калибровочный коэффициент для криогенного детектора определялся как отношение амплитуды сигнала криогенного детектора к энергии ядра отдачи. В качестве источника моноэнергетических нейтронов применяются генераторы нейтронов, использующие ядерную реакцию D(D,n)He, в которой рождается нейтрон с энергией 2,45 МэВ.
Недостатком этого способа является резкое снижение точности определения энергии ядер отдачи при уменьшении угла рассеяния. Фактически, этот способ позволяет проводить калибровку детектора при энергиях ядер отдачи не менее 10 кэВ (соответствующий угол рассеяния составляет 25 градусов).
Известен способ выделения моноэнергетичных нейтронов с энергией 24 кэВ из потока нейтронов ядерного реактора с помощью железно-алюминиевого фильтра ([Стандарт ISO 8529-1:2001 Reference neutron radiations. Part 1. Characteristics and methods of production]). Недостатками этого способа является необходимость использования ядерного реактора для получения нейтронов, большая ошибка определения энергии ядер отдачи, связанная с конечной шириной пропускания фильтра, и наличие паразитных полос пропускания фильтра на энергиях выше 70 кэВ.
Задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является создание способа калибровки криогенного детектора на основе жидкого аргона, позволяющего увеличить точность и скорость набора статистики при энергиях ядер отдачи 8,25 и 1 кэВ.
Поставленная задача решена тем, что в известном способе калибровки криогенного детектора частиц на основе жидкого аргона, заключающемся в определении коэффициента пропорциональности между энергией детектируемой частицы и амплитудой сигнала криогенного детектора, согласно изобретению для определения коэффициента калибровки используют ядра отдачи с известной энергией, возникающие при неупругом рассеянии на малый угол моноэнергетичных нейтронов на ядрах аргона.
3
Для калибровки на энергию ядра отдачи 8,25 кэВ в качестве источника нейтронов применяются генераторы нейтронов с энергией 2,45 МэВ, использующие ядерную реакцию D(D,n)He.
4
Для калибровки на энергию ядра отдачи 1,00 кэВ в качестве источника нейтронов применяются генераторы нейтронов с энергией 14 МэВ, использующие ядерную реакцию D(T,n)He.
В качестве источника нейтронов может быть использован генератор меченых нейтронов со встроенным детектором ядер гелия.
Для реализации этого способа калибровки источник нейтронов, криогенный детектор и детектор рассеянных нейтронов устанавливаются таким образом, чтобы геометрический центр мишени источника нейтронов, геометрический центр криогенного детектора частиц и ось симметрии сцинтиллятора детектора рассеянных нейтронов располагались на одной прямой.
Детектор рассеянных нейтронов регистрирует нейтроны, рассеянные на малый угол. С помощью схемы совпадений по синхронному срабатыванию криогенного детектора и детектора рассеянных нейтронов и анализа амплитуд сигналов криогенного детектора отбираются события неупругого рассеяния нейтрона, связанные с возбуждением энергетического уровня 1,46 МэВ ядра аргона. В этих событиях при рассеянии нейтрона на малый угол энергия ядра отдачи слабо зависит от угла рассеяния, что позволяет исключить ошибку, связанную с конечными размерами источника нейтронов и детекторов. Уменьшение этой ошибки, в свою очередь, дает возможность увеличить размер чувствительной области детектора рассеянных нейтронов, и, следовательно, скорость набора статистики при сохранении точности калибровки.
Эффективность отбора событий неупругого рассеяния может быть повышена при использовании генератора меченых нейтронов, то есть генератора нейтронов со встроенным детектором ядер гелия. При использовании генератора меченых нейтронов момент рождения каждого нейтрона в генераторе фиксируется с помощью детектора ядер гелия. Отбор событий неупругого рассеяния проводится по времени пролета, то есть длительности задержки между сигналами детектора ядер гелия и детектора рассеянных нейтронов.
Техническим результатом изобретения является повышение скорости набора статистики при определенной точности калибровки.
1
2
1
2
В качестве примера рассмотрим калибровку криогенного детектора с характерным поперечным размером 5 см с помощью точечного источника нейтронов энергией 2,45 МэВ и детектора рассеянных нейтронов с характерным размером 5 см. При калибровке по упругому рассеянию угол рассеяния, соответствующий энергии ядер отдачи 8,25 кэВ, равен 21,2°. Десятипроцентная ошибка определения энергии ядра отдачи достигается при ошибке определения угла рассеяния, равной одному градусу. Такая точность определения угла рассеяния обеспечивается при расстояниях от источника до криогенного детектора и от криогенного детектора до детектора рассеянных нейтронов L=L=400 см. При калибровке по неупругому рассеянию точность определения угла рассеяния, необходимая для получения заданной точности определения энергии ядер отдачи (10%), составляет 10 градусов. Такая точность достигается при расстояниях от источника до криогенного детектора и от криогенного детектора до детектора рассеянных нейтронов L'=L'=50 см. Учитывая, что при указанных углах сечение упругого рассеяния в 20 раз превосходит сечение неупругого рассеяния, получим, что отношение скоростей набора статистики в схемах с неупругим и упругим рассеянием будет составлять:
<mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>L</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>L</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>L</mi><mn>1</mn><mrow><mo>'</mo><mn>2</mn></mrow></msubsup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>L</mi><mn>2</mn><mrow><mo>'</mo><mn>2</mn></mrow></msubsup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>20</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>200</mn></mrow>
To есть скорость набора статистики при реализации предлагаемого способа калибровки в 200 раз превосходит способ-прототип.
Предлагаемый способ калибровки основан на следующих физических принципах. Неупругое рассеяние нейтрона представляет собой процесс, в котором нейтрон, попадая в ядро аргона, приводит к возбуждению последнего. В результате энергия первичного нейтрона частично переходит в кинетическую энергию ядра отдачи и внутреннюю энергию колебаний ядра. Из законов механики известно, что в столкновениях частиц должны одновременно выполняться законы сохранения энергии и импульса.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>→</mo></mover><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>→</mo></mover><msub><mo>'</mo><mi>n</mi></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>A</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow>
n
n
Ar
W=W'+W+ε
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>→</mo></mover><mi>n</mi></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>→</mo></mover><msub><mo>'</mo><mi>n</mi></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>A</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow>
n
n
Ar
где
- импульсы нейтрона до и после рассеяния и импульс ядра отдачи, W, W', W - энергии нейтрона до и после рассеяния и кинетическая энергия ядра отдачи, ε - энергия возбужденного уровня. Исходя из этих уравнений, кинетическая энергия ядра отдачи равна
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>A</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub><mi>M</mi></mrow><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub><mo>+</mo><mi>M</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>W</mi><mi>n</mi></msub><mo>−</mo><mi>ε</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mi>M</mi></mfrac><mi>ε</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub><mi>M</mi></mrow><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub><mo>+</mo><mi>M</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><msqrt><mrow><msub><mi>W</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>W</mi><mi>n</mi></msub><mo>−</mo><mi>ε</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mi>M</mi></mfrac><mi>ε</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˜</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
n
<mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˜</mo></mover>
где m, М - массы нейтрона и ядра отдачи,
- угол рассеяния нейтрона в системе центра инерции ядра и нейтрона.
n
Как следует из приведенных формул, для DD нейтронов (W=2,45 МэВ) при нулевом угле рассеяния и возбуждении первого ядерного уровня аргона (ε=1,46 МэВ) энергия ядра отдачи равна 8,25 кэВ. При этом при малых углах рассеяния зависимость энергии ядра отдачи от угла рассеяния имеет квадратичный характер, то есть энергия ядер отдачи слабо зависит от угла рассеяния. Это свойство неупругого рассеяния, на котором основан предлагаемый способ калибровки, позволяет увеличивать телесные углы, закрываемые детекторами, без снижения точности определения энергии ядер отдачи.
3
4
При установке источника нейтронов, криогенного детектора и детектора рассеянных нейтронов на одной оси не существует способа экранирования детектора рассеянных нейтронов от пролетных (непровзаимодействовавших) и упруго рассеянных нейтронов, поэтому при реализации способа калибровки по неупругому рассеянию актуальным является вопрос о выделении событий неупругого рассеяния. Такие события могут быть эффективно отобраны при использовании в качестве нейтронного источника генератора меченых нейтронов, представляющего собой нейтронную трубку для получения нейтронов в реакциях D(D,n)He или D(T,n)He, дополнительно оборудованную детектором ядер гелия. В указанных реакциях одновременно рождаются нейтрон и ядро гелия, вылетающие из мишени в противоположных направлениях. Регистрируя ядра гелия, вылетевшие в направлении, противоположном криогенному детектору, можно определить момент рождения каждого нейтрона, попадающего в какой-либо из детекторов. При этом нейтроны, испытавшие неупругое рассеяние, теряют часть своей энергии (1,46 МэВ), поэтому на участке между криогенным детектором и детектором рассеянных нейтронов они движутся медленнее пролетных и упруго рассеянных нейтронов. Отбирая события по времени пролета нейтрона между точкой рождения и детектором рассеянных нейтронов, можно эффективно выделять события неупругого рассеяния.
Возможная схема реализации способа калибровки криогенного детектора показана на Фиг.1. Источник нейтронов с энергией 2,45 МэВ поз.1, криогенный детектор поз.2 и детектор рассеянных нейтронов поз.3 размещаются на одной оси.
0
0
Поперечный размер детектора рассеянных частиц выбирается таким образом, что угол рассеяния нейтрона α лежит в диапазоне 0-10 градусов. Нейтроны рождаются в источнике, попадают в криогенный детектор, где испытывают рассеяние, и затем регистрируются детектором рассеянных нейтронов. События рассеяния выделяются с помощью схемы совпадений, то есть из всех импульсов, зарегистрированных криогенным детектором, отбираются такие, для которых одновременно с импульсом криогенного детектора зарегистрирован импульс в детекторе рассеянных нейтронов. Характерный вид амплитудного спектра таких событий показан на фиг.2. Помимо участка вблизи нуля, соответствующего событиям упругого рассеяния (поз.1), этот спектр имеет пик, связанный с событиями неупругого рассеяния (поз.2). По измерениям спектра определяется значение V - наиболее вероятной амплитуды импульса от события неупругого рассеяния. Искомый коэффициент пропорциональности между энергией ядра отдачи и амплитудой сигнала детектора вычисляется как 8,25 кэВ/V.
0
Подобная схема может быть использована при калибровке с помощью источника нейтронов с энергией 14 МэВ. Расположение детекторов аналогично показанному на Фиг.1. В случае калибровки с помощью нейтронов с энергией 14 МэВ угол α должен составлять 0-3 градуса, в этом случае амплитудные спектры событий от упругого и неупругого рассеяния могут быть разделены. В остальном схема калибровки по нейтронам с энергией 14 МэВ аналогична схеме калибровки с источником нейтронов 2,45 МэВ. Искомый коэффициент пропорциональности между энергией ядра отдачи и амплитудой сигнала детектора вычисляется как 1,00 кэВ/V.
В приведенных схемах существует вероятность одновременной регистрации импульсов от двух разных нейтронов в криогенном детекторе и детекторе рассеянных нейтронов. Такие события приводят к появлению на амплитудном спектре фона, затрудняющего регистрацию событий неупругого рассеяния. Для устранения этого фона может быть применена схема калибровки с использованием генератора меченых нейтронов (Фиг.3). В этой схеме на одной оси последовательно располагаются детектор ядер гелия (поз.4), источник нейтронов 2,45 или 14 МэВ (поз.1), криогенный детектор (поз.2) и детектор рассеянных нейтронов (поз.3). При рождении нейтрона в генераторе нейтронов в направлении, противоположном направлению движения нейтрона, вылетает ядро гелия, которое регистрируется детектором ядер гелия (поз.4). В криогенном детекторе при рассеянии нейтрона возникает ядро отдачи, которое регистрируется детектором. Рассеянный на малый угол нейтрон регистрируется детектором рассеянных нейтронов. События неупругого рассеяния выделяются с помощью схемы совпадений, которая отбирает события совместного срабатывания всех трех детекторов, при этом задержка между импульсами детектора ядер гелия и детектора рассеянных нейтронов должна быть равна
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>+</mo><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>E</mi><mi>γ</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
,
1
2
0
γ
n
где l - расстояние между источником нейтронов и криогенным детектором, l - расстояние между криогенным детектором и детектором рассеянных частиц, Е - энергия нейтрона (2,45 или 14 МэВ), Е - энергия возбужденного уровня ядра аргона (1,46 МэВ), m - масса нейтрона. Использование схемы тройных совпадений и разделение событий упругого и неупругого рассеяния по времени пролета нейтрона позволяет исключить из рассматриваемой статистики фон, связанный с событиями упругого рассеяния и совпадений из-за одновременного попадания в детекторы двух нейтронов.