Лаборатория экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ
На главную E-Mail
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Лаборатория экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ
Лаборатория
· Общая информация
· Постеры
· Фотоальбом
· СМИ о нас
· Библиотека
· Дни открытых дверей
Научная программа и деятельность
· Общая информация
· Курс лекций "Введение в ядерную физику"
· Курс лекций по экспериментальной ядерной физике
· Публикации
· Видео материалы
· Семинары
· Доклады
· Конференции
· Проведенные научные мероприятия
· РЭД-100
· Эксперимент на реакторе ИРТ МИФИ
· Закрытая зона
Дорожная карта лаборатории
· Задачи 2014-2016
· Задачи 2013
· Задачи 2012
· Рабочие материалы 2012
Успехи и Достижения
· Научные достижения
· Дипломные работы
· Кандидатские диссертации
· Публикации в высокорейтинговых изданиях
· Монографии
· Награды и премии
Полезные ссылки
· Центр «Фундаментальные исследования и физика частиц»
· COHERENT experiment
· LZ experiment
· Borexino Experiment
· KamLAND
· ZEPLIN-III
· EXO
· XMASS
· Double Chooz
· LUX (home page)
· LUX (info)
· SNOLAB
· SRD NSU
Новости
Объявления

Эксперимент на реакторе ИРТ МИФИ

Установка РЭД-1 на канале ГЭК-10 ИРТ МИФИ

На канале ГЭК-10 ИРТ МИФИ создана экспериментальная установка для измерения отклика (сцинтилляционного и ионизационного выхода) жидкого ксенона в суб-кэВном диапазоне энергий ядер отдачи, а также для отработки технологии регистрации ядер отдачи ксенона таких энергий при помощи квази-монохроматичесих нейтронов кэВ-ных энергий рассеяния антинейтрино на атомном ядре для проведения эксперимента по наблюдению редкого процесса когерентного рассеяния нейтрино (антинейтрино) на атомном ядре [1]. В создание установки вовлечена коллаборация Российские Эмиссионные Детекторы (РЭД), в состав которой входят представители НИЯУ МИФИ, ИТЭФ, НИЦ КИ, ПИЯФ, НИИЯФ МГУ, ИЯФ СО РАН. В дальнейшем планируется создание детектора с активной массой несколько тонн для поиска темной материи в виде тяжелых слабовзаимодействующих частиц (WIMPsWeakly Interacting Massive Particles).



Установка на исследовательском реакторе ИРТ МИФИ (рис. 1) включает в себя двухфазный эмиссионный детектор РЭД-1, защиту и интерференционный Fe - Al фильтр, установленный внутрь экспериментального канала ГЭК-10 для получения квазимонохроматического нейтронного пучка с энергией 24 ± 1.5 кэВ. В дальнейшем мы планируем установку в канал ГЭК-10 кремниевого фильтра, обеспечивающего энергию нейтронов 52 ± 2 кэВ.

Принцип работы и описание эмиссионного двухфазного детектора.

Эмиссионный метод регистрации частиц предложен 40 лет назад [2]. Он сочетает уникальные детектирующие свойства жидкого благородного газа и усилительные свойства газовых детекторов. Ионизация, произведённая частицей в жидкой фазе детектора, регистрируется путём вытягивания электронов в газовую фазу с последующим детектированием произведённых в электрическом поле ультрафиолетовых фотонов электролюминесценции с помощью фотоумножителей. Сцинтилляционные фотоны от точки взаимодействия частицы в жидком ксеноне также регистрируются фотоумножителями. Данный метод чувствителен к предельно малой величине ионизации вплоть до одиночного ионизационного электрона и позволяет при этом иметь рабочую массу детектора до нескольких тонн.





Схема детектора РЭД-1 показана на рис. 2. Этот детектор ранее использовался в ИТЭФ качестве прототипа детектора темной материи ZEPLIN-III [3]. Матрица из семи ФЭУ погружена в жидкий ксенон и просматривает область чувствительности детектора (мишень) снизу вверх через прозрачный сетчатый катод. Структура электродов, окружающих мишень, состоит из катода, промежуточного полезадающего кольца и зеркального анода. Также в непосредственной близости от фотокатодов ФЭУ расположен сетчатый электрод для защиты камер фотокатодов от сильного электрического поля, создаваемого катодом. Этот электрод находится под таким же напряжением, как и фотокатоды. Глубина жидкого ксенона между катодом и поверхностью жидкого ксенона составляет 22 мм, диаметр мишени – 105 мм, величина электролюминесцентного зазора (между поверхностью жидкого ксенона и анодом) составляет 5 мм. Все промежутки между электродами находятся в жидком ксеноне, что минимизирует возможность пробоя между электродами. Проверено, что разность потенциалов между катодом и анодом может достигать 15 кВ. Высокое напряжение обеспечивается системой электродов высоковольтного ввода компании Ceramaseal. Количество жидкого ксенона в мишени ~0.6 кг; полное количество ксенона, необходимое для заполнения камеры, составляет 5 кг.

Для регистрации сцинтилляционного света ксенона с длиной волны 175 нм используются чувствительные к ультрафиолету ФЭУ-181 с окном, выполненным из MgF2, произведенные компанией МЭЛЗ (Москва). ФЭУ этого типа имеют мульти-щелочные фотокатоды (диаметром 30 мм), поэтому они могут работать при низкой температуре вплоть до температуры жидкого аргона (T = ‑185oC). Измеренная квантовая эффективность фотокатода на 200 нм составляет 15%, при этом в пределах 5% точности сигнала она не меняется при понижении температуры от комнатной до -120oC. Матрица семи ФЭУ имеет общий делитель, расположенный снаружи камеры.

Возможность регистрации эмиссионным двухфазным детектором предельно малой величины ионизации вплоть до одиночного ионизационного электрона была продемонстрирована в нескольких экспериментах, где такой детектор использовался [4-6]. В детекторе РЭД-1 была продемонстрирована возможность регистрации одиночных электронов, извлеченных из жидкой фазы ксенона в газовую. Выход электронов составил до 17 ± 2 на один электрон ионизации при Uc =12 кВ, Ua=2 кВ (рис. 3).


Величина ионизационного сигнала от ядра отдачи, образованного в процессе упругого рассеяния нейтрона с энергией 24 кэВ на ядре ксенона и имеющего энергию < 0.7 кэВ, ожидается на уровне одного или нескольких электронов. Измерение ионизационного отклика жидкого ксенона будет выполнено путем сравнения полученного спектра заряда с ожидаемым, в котором величина электронного выхода будет свободным параметром.


Газовая система установки включает в себя герметичные металлические вентили, манометры и вакуумметры, баллоны-хранилища высокого давления, турбомолекулярные и магниторазрядные вакуумные насосы, KNF циркуляционный насос, горячий металлический геттер Monotorr, а также контрольную камеру для мониторинга времени жизни свободных электронов в жидком ксеноне.

Нейтронный пучок


Квазимонохроматический пучок нейтронов с энергией 24 ± 1.5 кэВ формируется из нейтронов от реактора с помощью фильтра диаметром 10 см, состоящего из 70 см алюминия и 30 см железа. Железный фильтр изготовлен из конструкционной стали и содержит в максимальном количестве изотоп железа с массовым числом 56, который имеет «провал» в полном сечении при 24 кэВ. Алюминий выбран в качестве дополнительного материала, поскольку он имеет резонансные пики в сечении при энергиях выше 24-кэВ. Спектры нейтронов до и после фильтра, а также сечения поглощения показаны на рис. 4.


Фильтрованный нейтронный пучок, формируется комбинацией материалов фильтра и элементами пассивной защиты, как показано на рис. 1. Пассивная защита изготовлена из 32 слоев полиэтилена (ширина каждого 5 см), разделяющихся тонкой 1 мм кадмиевой фольгой и 5 слоев свинца, толщина каждого из которых составляет 5 см. Вся конструкция (фильтр и защита) установлена внутри бетонной стены реакторной защиты после шибера канала ГЭК-10 реактора.



Список литературы


  1. D.Yu. Akimov, I.S. Alexandrov, V.I. Aleshin et al., Perspectives to measure neutrino-nuclear neutral current coherent scattering with two-phase emission detector. e-Print: arXiv:1212.1938 [physics.ins-det].

  2. Б.А. Долгошеин, В.Н. Лебеденко, Б.У. Родионов, Новый метод регистрации следов ионизирующих частиц в конденсированном веществе. Письма в ЖЭТФ 11 (1970) 513.

  3. D.Yu. Akimov, G.J. Alner, H.M. Araujo et al., The ZEPLIN III dark matter detector: instrument design, manufacture and commissioning. Astropart. Phys. 27 (2007) 46.

  4. B. Edwards, H.M. Araujo, V. Chepel et al., Measurement of single electron emission in two-phase xenon Astropart. Phys. 30 (2008) 54; е-print: arXiv:0708.0768v1.

  5. A. A. Burenkov, D. Yu. Akimov, Yu. L. Grishkin et. al., Detection of a Single Electron in Xenon-Based Electroluminescent Detectors. Phys. At. Nucl. 72 (2009) 653.

  6. E. Santos, B. Edwards, V. Chepel et al., Single electron emission in two-phase xenon with application to the detection of coherent neutrino-nucleus scattering. JHEP 12 (2011) 115; е-print: arXiv:1110.3056.



Почтовый адрес:
НИЯУ МИФИ, 115409,
Россия, г. Москва,
Каширское ш., 31.
Тел: +7 499 324-87-66
Эл. почта: tgera@mail.ru
Edit