WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Высокая чувствительность ВЭУ (коэффициент усиления в одном компактном приборе достигает ~ 109) обеспечивает возможность регистрации любого процесса с эмиссией свободных электронов, что придает ВЭУ уникальные свойства и делает их зачастую незаменимым инструментом во многих областях науки и техники (начиная от космических исследований и кончая медициной и т.п.). Конструкции только ФЭУ насчитывают сотни типов, размеры входных окон меняются от миллиметров до десятков сантиметров, количество их, используемых в одном эксперименте, достигает десятков тысяч и т.п.

Простые ВЭУ, регистрирующие не свет, а частицы, не столь разнообразны, - их насчитывается десятки типов и применяются они, помимо прямой регистрации ядерных излучений, в различных видах массспектрометров для анализа химического и изотопного составов веществ и т.п.

[6].

Поскольку наш интерес к ВЭУ (включая ФЭУ) стимулировался обнаружением реакции некоторых экземпляров ФЭУ-167-1 на пролет через них с астрономической скоростью (V ~ 10 км/с всего лишь) ядерно-активных частиц, в Главе 1 кратко излагается разрабатываемая [7] в ФТИ РАН идея ТМ, состоящей из «даемонов» - DArk Electric Matter Objects, - предположительно элементарных планковских черных дыр с массой ~1019 ГэВ, несущих электрический заряд до Z ~ 10е (разные авторы называли ранее подобные частицы квантовыми максимонами [8], планкеонами [9], ньюторитами и т.д.

[10, 11], но способов их обнаружения указано не было; только в ФТИ РАН было отмечено, что при захвате отрицательным даемоном атомного ядра выделяется энергия ~100 МэВ, что делает даже медленный даемон легко обнаружимой ядерно-активной частицей - ЯАЧ).

На основе физических принципов взаимодействия ЯАЧ с веществом (см.

Приложение 1) в ФТИ РАН был создан простой детектор из двух горизонтальных 0.50.5 м2 прозрачных полистироловых 4 мм пластин, покрытых снизу 3.5 мг/см2 ZnS(Ag) порошком. Использовался сцинтиллятор ZnS(Ag), поскольку его чувствительность к бета-частицам и гамма-квантам мала, благодаря чему удается регистрировать, в основном, только тяжелые заряженные частицы типа протонов и альфа-частиц. Пластины были разнесены на 7 см и помещались внутри жестяного кубического короба со стороной 51 см (верхняя крышка – черная бумага, черная бумага разделяла также пластины).

Внутренняя поверхность модуля хорошо отражает свет, что улучшает эффективность системы. Каждый сцинтиллятор со своей стороны с расстояния 22 см наблюдался ФЭУ-167. Сигналы с ФЭУ (верхний - запускающий) подавались на 2-х лучевой цифровой запоминающий осциллограф типа С9-8, с разверткой (от момента запуска) ±100 мкс. Осциллографы подключались к компьютеру через КОП (Канал Общего Пользования) интерфейс (приборный интерфейс ГОСТ 26.003-80, соответствующий IEEE-488), что позволило полностью автоматизировать управление многомодульным стендом и процесс сбора экспериментальных данных. Если сигналы имелись на обоих лучах, то события записывались в ПК. В процессе компьютерной обработки для разделения разных видов излучения нами использовался метод идентификации частиц по форме импульса, основанный на том общеизвестном факте, что сцинтилляционные импульсы, вызванные разными частицами, характеризуются разными временами нарастания и длительностью.

В эксперименте по регистрации частиц КИ с использованием 4-х подобных модулей были получены первые обнадеживающие результаты. В распределении числа двойных событий N(t) в зависимости от временного сдвига t между началами их сигналов с верхнего и нижнего ФЭУ в бине 20 < t < 40 мкс (т.н. “30 мкс бин”, всего интервал -100 < t < +100 мкс разбивался на 10 бинов) проявился максимум с достоверностью 2.8. Причем он существовал для событий, у которых форма верхнего сигнала соответствовала сцинтилляции с медленным (>2 мкс) нарастанием фронта и пологим максимумом, что характерно для альфа-частиц (HPSs – Heavy Particle Scintillations). Нижний сигнал имел короткий фронт (<1.8 мкс) и форму, присущую собственным шумам ФЭУ (NLSs – Noise-Like Signals – шумоподобные сигналы) и/или несдвинутым (t < 0.2 мкс) событиям КЛ (иногда даже во всех модулях сразу).

Результаты эксперимента, как всегда, потребовали уточнения рабочей гипотезы. Так, сдвиг t ~ 30 мкс при 7 см зазоре между сцинтилляторами (и не HPS сигнал с нижнего из них) соответствовал непонятно малой скорости всего 2-3.5 км/с. Поэтому, пришлось допустить, что захваченное в верхнем слое ZnS(Ag) ядро Zn или S разлагается даемоном только на пути > 7 см, и захват им нового ядра (уже Fe или Sn) происходит только через ~ 29 см в нижней крышке короба. Из продуктов захвата здесь лишь ~ 0.2 МэВ электроны могут преодолеть 22 см путь в воздухе до нижнего ZnS(Ag) сцинтиллятора, где и вызывают NLS.

Отсюда следовали важные выводы: (1) При базовом расстоянии 29 см скорость ЯАЧ V = 10(11.2)15 км/с, что хорошо соответствует их выпадению с околоземных почти круговых гелиоцентрических орбит (Near Earth almost circular heliocentric orbits – NEACHOs), и (2) время полураспада даемон содержащего нуклона ex ~ 10-6 сек, а не 10-7 сек, как предполагалось при выборе 7 см зазора между пластинами с ZnS(Ag). Последующие эксперименты в общем подтвердили эти выводы.

Непосредственное отношение к предмету диссертации имело обнаружение того факта, что, как минимум, некоторые экземпляры (а возможно, в разной степени, и все) ФЭУ-167 сами, без дополнительных элементов (сцинтилляторов и т.п.) способны реагировать на ядерно-активные излучения типа КЛ и даемонов.

Действительно, оказалось, что несдвинутые двойные NLS события иногда одновременно наблюдаются в нескольких модулях, даже если экраны ФЭУ светоизолированы. Отсюда следовал вывод, что NLS реакция ФЭУ вызывается частицами атмосферных ливней КЛ.

С другой стороны, Санкт-Петербургский эксперимент марта 2005 года показал [4], что некоторые экземпляры ФЭУ-167-1 (с экраном из Ксодержащего стекла), по-видимому, реагируют и на пролет ЯАЧ через них.

Было выявлено далее, что эти приборы имеют повышенную толщину (до ~ мкм) внутреннего Al покрытия тыльной поверхности прикатодной секции их колбы (при стандартной толщине ~ 0.1 мкм). Такая реакция была подтверждена нашими экспериментами в Баксане. Она становится понятной, если иметь в виду физические процессы взаимодействия ЯАЧ с веществом в ФЭУ (подробнее см. Приложение 1).

Эти наблюдения послужили основой для выполнения работ, составляющих содержание диссертации.

В Главе 2 описаны результаты эксперимента по детектированию с помощью сильно модифицированного модуля сентябрьского 2005 года максимума потока ЯАЧ в подземных (400 MWE) низкофоновых условиях Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) ИЯИ РАН. Эксперимент оказался возможным благодаря любезному содействию директора БНО В.В. Кузьминова. Детекторный модуль теперь содержал только один верхний ZnS(Ag) сцинтиллятор, наблюдаемый с 22 см стандартным ФЭУ-167, дающим запускающие сигналы. Роль нижнего регистратора, без специального сцинтиллятора, выполнял ФЭУ-167-1 №00099, который, судя по Санкт-Петербургским наблюдениям марта 2005 г. [4], давал отклик на проходящие через него ЯАЧ. Более того, лицевой экран нижнего ФЭУ, находившийся на стандартном базовом 29 см расстоянии от ZnS(Ag) сцинтиллятора был закрыт двумя слоями непрозрачного алюминизированного лавсана. Чтобы исключить радиацию содержащегося в воздухе радона, объем модуля промывался парами жидкого азота. Эксперимент дал впечатляющие, но не совсем понятные сразу результаты,- в распределении N(t) он зафиксировал не +30 мкс, а -30 мкс максимум (с уровнем достоверности С.L. = 2.2), - т.е.

поток объектов шел не сверху, а из-под земли (рис. 1). Поток этот длился с 3 по 15 сентября и достигал (с учетом площади диска ФЭУ) f ~ 110-7 см-2с-1.

Рис. 1. Количество зарегистрированных двойных сигналов с HPS на первом канале в сентябре 2005 года в БНО ИЯИ РАН в зависимости от временного сдвига t между сигналами с верхнего и нижнего ФЭУ.

Интересно, что в начале марта 2006 года этот же модуль в Баксане показал N(t) с максимумом в +30 мкс бине. Таким образом, ФЭУ №00099 (с ориентированным горизонтально экраном) оказался способным регистрировать даемоны, идущие через него как сверху, так и снизу.

Небесно-механическая причина появления потока из-под земли в сентябре стала ясна уже в 2006 году [4], а более уверенно в 2007 году после выполнения нами небесно-механических расчетов (см. Приложение 2 и Дробышевский и Дробышевский, 2007). Если объекты накапливаются на внешних NEACHOs, снаружи касающихся орбиты Земли за 10-15 дней до равноденствий, то они должны в это время догонять Землю, выпадая на нее главным образом вечером. Ось вращения Земли наклонена под углом 23.5о к плоскости ее орбиты, так что в марте объекты выпадают в высоких северных широтах преимущественно сверху, тогда как в сентябре это происходит в высоких широтах Южного полушария, - в результате в низких северных широтах, где велся наш эксперимент (Баксан), регистрировался первичный поток, идущий снизу.

Таким образом, обнаружение нестандартных свойств ФЭУ №00099 в марте 2005 года позволило нам в сентябре 2005 года с помощью этого же прибора выявить существенные аспекты небесно-механической эволюции приземного населения даемонов.

В Главе 3 в несколько иной плоскости изучаются последствия реакции ФЭУ, а более общо, ВЭУ, на внешние ядерно-активные облучения.

Рассматривается вопрос, как следует модифицировать ФЭУ, чтобы он стал прибором, чувствующим пролет через него ЯАЧ Такая частица (см.

Приложение 1) сначала захватывает ядро с эмиссией электронов и нуклонов, а потом, пребывая внутри остатка ядра, постепенно «переваривает» его, опять становясь способной к захвату нового ядра.

Направление это возникло из наблюдений (описанных в Главах 1 и 2) самостоятельной реакции некоторых экземпляров ФЭУ-167-1, обладающих утолщенным внутренним алюминиевым покрытием прикатодной секции колбы, на пролет через них ЯАЧ [4].

Явление объясняется тем, что при проходе в ФЭУ через его вакуум ЯАЧ, восстановившие свой отрицательный заряд в результате распада ранее захваченного ядра (и ставшие снова активными), не «отравляются» захватом нового ядра. Более того, за время прохода в ФЭУ пути в 4-5 см они способны повысить свой отрицательный заряд до 2-3 единиц. Поэтому, попадая из вакуума в утолщенное до 0.5–1 мкм Al покрытие стенки колбы, они с большой вероятностью захватывают здесь ядро Al, тогда как более тонкий (~ 0.1 мкм) слой они проходят без захвата. Захват ядра сопровождается выделением энергии связи ~ 60 МэВ, его возбуждением и выбросом, наряду с нуклонами, многих электронов, включая свободные электроны в металле, которые поступают к возбужденному ядру из прилежащего металлического слоя. Часть этих электронов, подобно стандартным фотоэлектронам, умножается в динодной системе ФЭУ, создавая на выходе прибора электрический сигнал.

Отсюда следовало две возможности: (1) испытать такие ФЭУ-167-1 в новой модифицированной версии детектора (что и было сделано в Баксане), а также (2) создать специальный новый электронный умножитель типа ФЭУ-(лицевой диск 125 мм), который бы чувствовал пролет даемонов. Для этого нужно, чтобы вся внутренняя поверхность его прикатодной секции, включая экран, была напылена достаточно толстым (~ 0.5 -1 мкм) слоем алюминия. Эта идея явилась основой нашей заявки на изобретение (Заявка на Патент РФ №2008145004/28 Вакуумный электронный умножитель для регистрации частиц / Дробышевский Э.М. и Дробышевский М.Э).

По нашему заказу подобные приборы на базе технологии ФЭУ-167 были изготовлены малой серией ЗАО «Экран-оптические приборы» (г. Новосибирск).

Это уже Темные Электронные Умножители ТЭУ-167 (рис. 2). Только малое 13 мм прозрачное окно было оставлено в центре экрана. Оно служило для грубой предварительной калибровки прибора светом (напомним, что на всю внутреннюю поверхность прикатодной секции прибора стандартно наносится светочувствительный слой Sb-K-Na-Cs).

Для проведения испытаний были модифицированы два модуля детекторного стенда. Нижние сцинтилляторы в них были вообще убраны, а на место наблюдавших их ФЭУ-167 были поставлены новые ТЭУ-167, окна (мм) которых были светоизолированы. Экспозиция нового детектора с 24.02.2009 по 08.03.2009 дала распределение N(t) со слабыми (~ 1.2) максимумами в +30 мкс бинах.

C другой стороны, можно учесть, что эффективная ширина HPS (площадь Рис. 2. ФЭУ-167-1 и ТЭУ-167 (лицевой диск имеет 125 мм, входное окно в нем 13 мм).

ее осциллограммы, нормированная на амплитуду), - зависит от направления движения ЯАЧ через тонкий ZnS(Ag) слой [12]. Когда объект, захвативший ядро в ZnS(Ag), движется внутрь полистироловой подложки, не все частицы, испущенные возбужденным ядром, достигают слоя ZnS(Ag), поскольку тормозятся полистиролом. Сцинтилляция будет несколько короче, чем если бы частица выходила в воздух или вакуум, поскольку в этих средах испущенным частицам ничто не мешает достичь сцинтиллятора. Поэтому, если построить распределение Nw(t) для «широких» HPS и Nn(t) для «узких» HPS (при этом Nw(t)+Nn(t) = N(t)), то сумма Nw(t)+Nn(-t) будет содержать в своем левом крыле (t < 0) избыток надфоновых событий, обусловленных наличием движущихся даемонов (слой ZnS(Ag) нанесен здесь на верхнюю поверхность полистирола). Если потока даемонов нет, то сумма Nw(t)+Nn(-t) будет статистически неотличима от N(t).

Приложение этой процедуры к экспериментальным данным (полученным в период с 8.03.2009 по 22.03.2009) показало, что действительно, левое крыло распределения Nw(t)+Nn(-t) при умеренных значениях амплитуды сигналов содержит 478 событий, тогда как правое – 435. Статистическая достоверность этого различия согласно 2 критерию составляет лишь 84%. Но оно соответствует потоку объектов 1.510-7 см-2с-1 вверх (или вниз, если поток одинаковый), каковой согласуется с нашими прежними измерениями (см.

Дробышевский и Дробышевский, 2006).

Можно еще учесть, что NEACHO даемоны, согласно небесномеханическим представлениям (см. выше), догоняют Землю, и поэтому выпадают на нее сверху в вечерние часы, т.е. где-то с 15 ч. до 23 ч. Для этого интервала левое крыло Nw(t)+Nn(-t) содержит 175 событий, а правое 143.

Значимость различия повышается до 93%, а поток (вверх или вниз) до f = 3.410-7 см-2с-1, что вполне соответствует рассматриваемому физическому сценарию.

Таким образом, первая попытка применения ТЭУ дала довольно обнадеживающие результаты, подтвердив справедливость рабочей гипотезы.

Не очень сильная реакция этих ТЭУ на проход ЯАЧ вполне понятна, если учесть, что приборы реагируют на эти частицы независимо от направления их движения, так что, скажем, появление двух максимумов в N(t) при t > 0 и t < 0 уменьшает статистическую значимость каждого из них.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.