WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

­

На правах рукописи

ВЕРЕСНИКОВА АННА ВАСИЛЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ

СаМоО4 ДЛЯ ПОИСКА ДВОЙНОГО

БЕТА- РАСПАДА ИЗОТОПА 100Мо

01.04.01- Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

МОСКВА 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте ядерных исследований РАН, Москва

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

И. Р. Барабанов (ИЯИ РАН)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

кандидат физико-математических наук

С. П. Михеев (ИЯИ РАН)

А. А. Клименко (ОИЯИ ЛЯП)

Ведущая организация:

Федеральное Государственное унитарное предприятие "Государственный Научный Центр Российской Федерации - Институт теоретической и экспериментальной физики", Москва

Защита диссертации состоится «___» _____________ 2010 г.

в «____» часов на заседании диссертационного совета Д 002.119.01

Учреждения Российской академии наук
Института ядерных исследований РАН

Адрес: 117312, г. Москва, проспект 60-летия Октября, д.7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН.

Автореферат разослан «___»_______________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ИЯИ РАН,

кандидат физико-математических наук

Б.А. Тулупов

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Поиск безнейтринного двойного бета-распада ядер (0) является в настоящее время одной из центральных задач экспериментальной физики. Положительное наблюдение 0 дало бы ответ на вопрос является ли нейтрино дираковской или майорановской частицей, как предполагается в большинстве теорий с расширением Стандартной модели. Однако окончательный ответ может быть дан только в случае положительного наблюдения процесса 0 на нескольких изотопах с хорошей статистической точностью. Таким образом, регистрация безнейтринного двойного бета- распада будет означать открытие "новой физики".

Для выполнения экспериментов по поиску 0 - распада требуется большое количество (десятки и сотни килограмм) дорогостоящих обогащенных изотопов. Выбор рабочего изотопа для поиска 0 определяется как возможностью его масштабного производства при относительно невысокой стоимости, так и возможностью создания на его основе экспериментальной установки с высокой эффективностью регистрации полезных событий и низким значением внутреннего фона, вызванного присутствием долгоживущих радионуклидов.

Высокая эффективность регистрации (~ 100%) может быть достигнута только в случае, когда источник безнейтринного двойного бета распада одновременно является и детектором («источник детектор»). Эта ситуация воспроизводится в исследуемом в настоящей работе монокристалле молибдате кальция СаМоО4, в кристаллической решетке которого молибден природного изотопного состава заменен на изотоп 100Mo. Преимущество выбора 100Mo в качестве кандидата для поиска 0 связано с тем, что его энергия распада (3.07 МэВ) является одной из наибольших. Большая энергия распада с одной стороны увеличивает вероятность 0, и с другой стороны существенно упрощает проблему дискриминации как внешнего, так и внутреннего фона. Неорганические монокристаллические сцинтилляционные детекторы СаМоО4 требуют разумных усилий на свое создание (относительная дешевизна выращивания монокристаллов большого объема). При этом детекторы на основе СаМоО4 могут работать как сцинтилляционные детекторы от комнатных до криогенных температур.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является:

  • исследование параметров сцинтилляционных кристаллов СаМоО4, предназначенных для поиска двойного бета-распада изотопа 100Мо.
  • измерение содержания радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах СаМоО4 и определение их допустимого содержания для достижения чувствительности эксперимента на современном уровне.

Научная новизна

  • Впервые детально исследованы временные параметры сцинтилляционного свечения кристалла СаМоO4 и обнаружен ее сложный многоэкспоненциальный характер.
  • Впервые обнаружена быстрая компонента сцинтилляционного свечения кристаллов СаМоO4 при комнатной температуре.
  • Исследован абсолютный световой выход и альфа/бета отношение кристалла СаМоО4.
  • Исследована температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла СаМоО4.
  • Измерено содержание радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах СаМоО4 и определено их допустимого содержания для достижения чувствительности эксперимента на современном уровне.

Основные результаты, представленные к защите

    1. Результаты измерения временных параметров сцинтилляционной вспышки кристалла СаМоО4.
    2. Сложный многоэкспоненциальный характер сцинтилляционного свечения СаМоO4 при облучении -частицами и -квантами в диапазоне (0-120мкс).
    3. Открытие быстрой компоненты сцинтилляционного свечения кристаллов СаМоO4 при комнатной температуре, при облучении -частицами и -квантами в области времен 12-46 нс.
    4. Спектр излучения кристалла СаМоО4.
    5. Показатель преломления кристалла СаМоО4.
    6. Абсолютный световой выход кристалла СаМоО4.
    7. /-Отношение для кристалла СаМоО4
    8. Температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла СаМоО4 в диапазоне температур от – 100 0C до +23 0C. Возрастание длительности вспышки в 2 раза и увеличение светового выхода в 2,5 раза.
    9. Зависимость ожидаемого предела на периода безнейтринного двойного бета распада 100Мо от содержания радиоактивных примесей в кристалле СаМоО4. Показано, что для достижения индекса фона 0,01 отсчета/год/кг/ кэВ допустимое содержание изотопов 214Bi и 208Tl (от 238U и 232Th рядов) в кристалле не должно превышать 20 мкБк/кг.
    10. Результаты измерений содержания радиоактивных изотопов 40К, 228Ac (232Th), 208Tl (232Th),214Bi (238U) в исходных материалах кристалла и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоО4.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и представлялись на следующих конференциях: Школа-семинар студентов и молодых учёных «Фундаментальные взаимодействия и космология» (Москва, 2007), международной конференции SCINT (2009), семинарах ИЯИ РАН.

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 6 публикациях, в их числе 3 публикации в ведущих научных журналах перечня Высшей аттестационной комиссии.

Структура и объем диссертационной работы Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 102 страницы текста, 34 рис., 15 табл., список литературы из 110 названий.

Личный вклад диссертанта Автор участвовал в разработке экспериментальных установок, для измерения временных и амплитудных параметров сцинтилляционного кристалла СаМоО4. Автором разработана и создана установка для измерения температурной зависимости параметров кристалла СаМоО4. Автором выполнено исследование сцинтилляционных и временных параметров кристалла СаМоО4. Автором разработано программное обеспечение для обработки полученных результатов. Автором выполнен расчет зависимости чувствительности эксперимента от содержания радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах СаМоО4. При участии автора выполнены измерения содержания радиоактивных примесей в сцинтилляционных кристаллах СаМоО4.

Содержание работы

Во введении показывается, что исследование процессов двойного бета-распада является одной из центральных задач экспериментальной физики. Обосновывается актуальность, формулируется цель и основные направления исследования. Изложена научная новизна полученных результатов диссертационной работы.

В первой главе проведен всесторонний анализ проблемы двойного бета распада. Рассмотрена история вопроса. Изложены основы теории двойного бета распада. Сделан обзор экспериментальных методов для исследования процессов двойного бета-распада. Рассмотрен современный статус экспериментов по поиску двойного бета-распада. Обосновывается преимущество 100Мо для поиска двойного бета-распада.

Во второй главе описана установка и приведены результаты измерения временных параметров сцинтилляционных кристаллов СаМоО4 при облучении -квантами от радиоактивного изотопа l37Cs (Еу 0.662 МэВ) и -частицами (Еа 5.5 МэВ) от изотопа 238Pu. Исследования кинетики сцинтилляционного свечения кристаллов СаМoO4 проводились на измерительном стенде, функциональная схема которого приведена на рис. 1.

Измерения велись методом счета коррелированных во времени фотонов (Time-Correlated Single Photon Counting - TCSPC). Метод основан на регистрации одиночных фотонов от периодического светового сигнала, измерении времен регистрации отдельных фотонов и реконструкции формы сигнала. Необходимым условием последнего является такое ослабление потока фотонов, попадающих на СТОП ФЭУ, чтобы за одну сцинтилляцию с его катода эмитировался только один фотоэлектрон. Таким образом, измеряется интервал времени между началом вспышки и одним из фотонов из этой же вспышки. Когда фотон регистрируется, измеряется время прихода импульса от соответствующего детектора. События собираются в памяти с добавлением номера в ячейки памяти с адресом пропорциональным времени регистрации. Многократное повторение этого процесса позволяет измерить спектр интервалов или распределение фотонов сцинтилляций во времени. На основе этих данных строится гистограмма времен регистрации, т.е. форма сигнала оптического импульса.

Рис.1.Функциональная схема измерительного стенда для исследования

кинетики свечения кристаллов СаМоО4.

РИ - радиоактивный источник; Сц - сцинтилляционный кристалл СаМо04;

Ф - набор оптических фильтров нейтральной плотности;

ОД - оптическая диафрагма; ФЭУ1, ФЭУ2 - фотоэлектронные умножители R1398 и R1450 соответственно;

ОК -оптический контакт; У1 У2 - быстродействующие усилители LeCroy 612АМ;

Д1, Д2 - дискриминаторы импульсов LeCroy 621AL;

ЛЗ - блок кабельной линии задержки;

ВЦП1, ВЦП2 - времяцифровые преобразователи БПТ-12А1 и БПВ-15 соответственно; КК- крейт-контроллер КК-009; ПК- персональный компьютер IBM-PC/AT-i486

Оптический контакт ОК исследуемого кристалла с фотокатодом фотоэлектронного умножителя ФЭУ1 осуществляется с помощью оптической смазки Bicron 630. Противоположная грань кристалла через набор оптических фильтров Ф и оптическую диафрагму ОД просматривается ФЭУ2, а все боковые стороны кристалла покрыты светоотражающей пленкой VM2000 (на рисунке не показана) с высоким коэффициентом отражения в широком диапазоне длин волн. Толщина пленки составляет 100 мкм. ФЭУ1 и ФЭУ2 - это фотоумножительные модули НЗ171-03 и Н3167, основными элементами которых являются ФЭУ соответственно R1398 и R1450 производства фирмы Hamamatsu. Спектральная чувствительность используемых ФЭУ охватывает область длин волн 300-650 нм, хорошо перекрывая спектр излучения кристалла СаМоO4, который лежит в основном в области длин волн 400 -700 нм, более подробно измерения описаны в главе 3 диссертации. Облучение производилось -частицами с энергиями 5.5 МэВ от изотопа 238Рu и -квантами с энергиями 662 кэВ от изотопа 137Cs. Радиоактивные источники устанавливаются на боковой грани исследуемого кристалла. Для измерений с -частицами в пленке VM2000 сделано отверстие диаметром ~1 мм. Анодные сигналы ФЭУ1, усиленные быстродействующим усилителем У1 с коэффициентом усиления 10, поступают на вход дискриминатора с фиксированным порогом Д1 выходные сигналы которого подаются на входы «Старт» времяцифровых преобразователей ВЦП1 и ВЦП2.

В описываемых измерениях использовались ВЦП двух типов (быстродействующий и медленный) для детальных измерений соответственно быстрых и медленных компонент сцинтилляционного свечения кристалла. В качестве быстродействующего преобразователя ВЦП1 использовался блок БПТ-12А1 - широкодиапазонный ВЦП с шагом 75пс и полным диапазоном измеряемых временных интервалов 5 мкс. Для измерения медленных компонент сцинтилляций использовался медленный преобразователь ВЦП2 - блок БПВ-15 с шагом 67 нс и диапазоном 274 мкс. Анодные сигналы ФЭУ2 используются для выработки сигналов Стоп для ВЦП1 и ВЦП2 с помощью быстродействующего усилителя У2, дискриминатора с фиксированным порогом Д2 и блока кабельной линии задержки ЛЗ.

Диафрагма используется для обеспечения однофотоэлектронного уровня засветки фотокатода ФЭУ2. Уровни дискриминации сигналов для обоих ФЭУ. устанавливаются равными 0.25a1, где а1 - средний заряд однофотоэлектронного импульса каждого ФЭУ. При этом скорости счета импульсов темнового тока обоих ФЭУ при таком уровне дискриминации сигналов не превышают ~ 200 с-1. Влияние темновых токов ФЭУ на результаты проведенных измерений кинетики сцинтилляционного свечения кристалла практически отсутствует. Оцифрованные преобразователями интервалы времени считываются через крейт-контроллер КК (КК-009) в персональный компьютер ПК.

В ходе измерений обнаружено, что кинетика сцинтилляционного свечения кристалла СаМоO4 при облучении -частицами и -квантами имеет сложный многокомпонентный характер. На рис. 2 и 3 показана кинетика сцинтилляционного свечения кристалла СаМоO4 при облучении -частицами и -квантами в диапазоне (0-120мкс), измеренная при помощи медленного и быстрого времяцифровых преобразователей.

Рис. 2. Кинетика сцинтилляционного свечения кристалла СаМоО4 в широком временном диапазоне (0-120 мкс) при его облучении -частицами от радиоактивного источника 238Рu() и -квантами от источника 137Cs ().

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»