WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла исследовалась в промежутке – 100 +23 0C. Кристалл и ФЭУ были помещены в сосуд Дьюара в области паров жидкого азота. Температура в точке нахождения кристалла измерялась низкотемпературным термометром. При помощи медных хладопроводов, изменяя их количество, положение и погружение до определенного уровня в жидкий азот, регулировалась температура в точке нахождения кристалла. Оптический контакт исследуемого кристалла с фотокатодом фотоэлектронного умножителя ФЭУ осуществляется без оптической смазки, т.к. при низких температурах смазка замерзает и может изменять свои свойства. Все боковые стороны кристалла покрыты светоотражающей пленкой VM2000 (на рисунке не показана) толщиной 100 мкм. Измерения проводились при облучении -частицами с энергиями 5.5 МэВ от изотопа 238Рu. Радиоактивный источник устанавливается на боковой грани исследуемого кристалла. Для измерений с -частицами на торцевую грань помещается тефлоновая пластинка с коллимирующим отверстием диаметром 1 мм. ФЭУ - фотоэлектронный умножитель XP5301B производства фирмы Photonis.

Для правильной работы диджитайзера (правильного стробирования импульсов) между диджитайзером Д и выходом ФЭУ включен интегрирующий усилитель У. Оцифрованные диджитайзером данные считывались в персональный компьютер ПК. Результаты измерения зависимости формы импульса кристалла СаМоО4 от температуры представлены на рис.11

Рис.11. Зависимость формы импульса кристалла СаМоО4 от температуры при облучении -частицами от радиоактивного источника 238Рu (Е ~ 5,5 МэВ)

Как видно из рисунка длительность импульса при изменении температуры от +23 С до – 100 С изменяется приблизительно в 2 раза.

На рис. 12 и 13 показана зависимость световыхода кристалла СаМоO4 при облучении -частицами от радиоактивного источника 238Рu в диапазоне температур от +23 до -100 градусов.

Рис.12. Зависимость амплитуды импульса кристалла СаМоО4 от температуры при облучении -частицами от радиоактивного источника 238Рu (Е ~ 5,5 МэВ)

Рис.13. Зависимость светового выхода кристалла СаМоО4 от температуры при облучении -частицами от радиоактивного источника 238Рu (Е ~ 5,5 МэВ)

Из рисунков видно, что световыход при изменении температуры от +23 до -100 градусов увеличивается в 2,5 раза без учета зависимости квантовой эффективности от температуры, которая при уменьшении температуры, как правило, уменьшается, и увеличение световыхода при понижении температуры может быть еще выше.

Таким образом, окончательно максимальный световой выход составляет не менее 6500 фотонов/МэВ. Что обеспечивает достаточно высокое разрешение для измерения двойного бета-распада 100Мо.

В пятой главе выполнен расчет ожидаемой чувствительности полномасштабного эксперимента в зависимости от концентрации радиоактивных примесей. Вклад фона принято характеризовать величиной индекса фона равного фону в единицу времени на единицу энергии и на единицу массы детектора. Индекс фона имеет размерность (отсчет/кэВ/кг/год) в исследуемой области.

Для определения индекса фона в зависимости от сцинтилляционных характеристик кристалла и чистоты материалов по отношению к радиоактивным примесям были проведены детальные расчеты методом Монте-Карло спектров фона от различных естественных радиоактивных источников (214Bi и 208Tl). На основе этих результатов получена искомая зависимость индекса фона для одиночного кристалла и сборки кристаллов
СаМоО4 общей массой 20 кг.

Современные требования для установок нового поколения для измерения двойного бета-распада требует индекса фона порядка 0,01(кэВкггод)-1. Показано, что для достижения индекса фона 0,01 отсчет/год/кг/ кэВ допустимое содержание изотопов 214Bi и 208Tl (от 238U и 232Th рядов) в кристалле не должно превышать 20 мкБк/кг.

Измерения содержание радиоактивных изотопов в исходных материалах и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоО4 было проведено на подземном низкофоновом полупроводниковом спектрометре.

Спектрометр расположен в подземной низкофоновой камере БНО ИЯИ РАН на глубине 660 м в.э. Фон космических лучей на данной глубине снижен толщей земли в ~2000 раз. Фон гамма-квантов естественной радиоактивности в рабочем помещении снижен в 200 раз по сравнению с голой выработкой путём использования при строительстве низкофонового бетона на основе дунита и засыпки из дунитового гравия. В рабочем помещении размещена дополнительная низкофоновая защита, состоящая из 8 см борированного полиэтилена + 23 см Pb + 12 см Cu. В центре медного блока защиты имеется прямоугольная полость размерами 30х30х30 куб. см, в которой располагаются головные части трёх низкофоновых полупроводниковых детекторов из сверхчистого германия. Масса каждого детектора около 1 кг.

Измерено содержание радиоактивных изотопов 40К,228Ac=(232Th), [(232Th)]*208Tl,214Bi=(238U) в исходных материалах кристалла и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоО4.

В табл.2 представлены результаты определения удельной активности радиоактивных изотопов в различных компонентах материалов кристалла СаМоО4 на разных стадиях очистки.

Таблица 2.Активность радиоактивных изотопов в исследован-

ных образцах (Бк / кг) Пределы установлены на 95%

уровне достоверности (у.д.)

Образец,

материал

Изотопы

40К

228Ac=(232Th)

[(232Th)]*208Tl

214Bi=( 238U)

Активность радиоактивных изотопов

1.Шихта А1.

~CaMoO4

(2,7±0,5)10-1

(5,3±1,9)10-2

(1,3±0,3)10-2 [(3,6±0,8)102]

3,07±0,05

2. Шихта А2.

~CaMoO4

(4,7±0,5)10-1

(2,6±1,4)10-2

(1,9±0,3)10-2 [(5,3±0,8)10-2]

3,51±0,04

3. Шихта B.

~CaMoO4

(3,6±0,4)10-1

7,110-3

(2,8±1,5) 10-3

[(7,8±4,2)10-3]

(7,8±1,1)10-2

4.Монокристалл СаМоО4 из В.

(2,0±0,8)10-2

5,610-3

1,410-3

[3,910-3]

2,210-3

5.Формиат

кальция Ca(HCOO)2

7,010-3

3,010-3

8,910-4

[2,5 10-3]

1,710-3

6.Оксид

молибдена 100МоО3

(5,3±0,8)10-2

3,810-3

1,010-3

[2,810-3]

2,310-3

7. 40CaCO3

(7,3±3,1)10-2

(1,6±0,2)10-1

(4,4±3,6)10-3

[(1,2±1,0)10-2]

2,6±0,2)10-1

Из сравнения образцов шихты для выращивания кристаллов (№ 1-3) и кристаллов, изготовленных из исходных материалов, очищенных разными способами, видно, что правильный подбор процедуры предварительной очистки компонентов шихты позволяет получить существенное снижение содержания радиоактивных изотопов в продукте. Достигнуто снижение содержания 40К не менее 10 раз; 232Th – не менее, чем в 2 раза; 238U – не менее, чем в 30 раз.

Основные результаты работы

Основные результаты, полученные в диссертации следующие:

  • При участии диссертанта разработаны и созданы измерительные установки для исследования временных и амплитудных параметров сцинтилляционных кристаллов СаМоО4.
  • Разработана установка для измерения параметров кристалла СаМоО4 вплоть до -100 градусов Цельсия.
  • Создано программное обеспечение для оцифровки и обработки полученных результатов.

Получены следующие физические результаты:

  1. Измерены временные параметры сцинтилляционной вспышки кристалла СаМоО4.
  2. Впервые обнаружен сложный многоэкспоненциальный характер сцинтилляционного свечения СаМоO4 при облучении -частицами и -квантами в диапазоне (0-120мкс), измеренная при помощи медленного и быстрого время-цифровых преобразователей. Основной вклад в полный световыход кристалла вносят медленные компоненты с постоянными временами высвечивания: от 1 мкс до 15,8 мкс для -квантов и -частиц.
  3. Впервые обнаружены быстрые компоненты сцинтилляционного свечения кристаллов СаМоO4 при комнатной температуре, при облучении -частицами (238Рu) и -квантами (137Cs) в области времен 12-46 нс.
  4. Измерен спектр излучения кристалла СаМоО4. Показано что спектр простирается от 400 нм до 700 нм, с максимумом в диапазоне длин волн 540-570 нм.
  5. Измерен показатель преломления кристалла СаМоО4. Кристалл имеет довольно высокий показатель преломления в диапазоне длин волн 520-650 нм: n = 2,10± 0,10.
  6. Исследован абсолютный световой выход кристалла СаМоО4. Он составляет при комнатной температуре 22°С, ~2600 фотонов/МэВ
  7. Измерено /-отношение для кристалла СаМоО4 / =0,25.
  8. Исследована температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла СаМоО4 в диапазоне температур от – 100 0C до +23 0C. При этом длительность импульса возрастает примерно в 2 раза, а световой выход увеличивается в 2,5 раза. Таким образом, максимальный световой выход составляет не менее 6500 фотонов/МэВ.
  9. Выполнен расчет зависимости ожидаемого предела на периода безнейтринного двойного бета распада 100Мо в зависимости от содержания радиоактивных примесей в кристалле СаМоО4 Показано, что для достижения индекса фона 0,01 отсчет/год/кг/ кэВ допустимое содержание изотопов 214Bi и 208Tl (от 238U и 232Th рядов) в кристалле не должно превышать 20 мкБк/кг.
  10. Измерено содержание радиоактивных изотопов 40К, 228Ac (232Th), 208Tl (232Th),214Bi (238U) в исходных материалах кристалла и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоО4. Показано, что правильный подбор процедуры предварительной очистки компонентов шихты позволяет получить существенное снижение содержания радиоактивных изотопов в продукте не менее чем в 50 раз.
  11. Показано, что полученные результаты обеспечат верхний предел для времени жизни измеряемого двойного бета-распада порядка

T 1/2 = 7,31025 лет для первой фазы полномасштабного эксперимента.

Основные публикации по теме диссертации

  1. Барабанов И.Р., Вересникова А. В. и др. “ Измерение кривой высвечивания сцинтиллятора СаМоО4” Препринт ИЯИ-1184/2007.
  2. Veresnikova A. V., et al., “Large volume scintillation crystals” Nuclear Science, IEEE Transactions on Volume 55, Issue 3, 2008, p. 1473 – 1475.
  3. Барабанов И. Р.,Вересникова А. В., и др “Исследование кинетики сцинтилляционного свечения кристалла СаМоО4” ПТЭ, №1, 2009, с.41-45
  4. Veresnikova A.V., et al., "Fasts scintillation light from CaMoO4 crystals” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 603, Issue 3, 21 May 2009, p. 529-531
  5. Барабанов И.Р., Вересникова А. В. и др “ Содержание радиоактивных изотопов в исходных материалах и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоО4 по данным подземного низкофонового полупроводникового спектрометра ” Препринт ИЯИ- 1237/2009.
  6. Барабанов И.Р., Вересникова А. В.
    Pages:     | 1 | 2 ||






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