|
·
·
·
·
|
 |
|
·
·
·
·
·
·
·
|
 |
|
· · · · · · ·
|
 |
|
·
·
·
|
 |
|
·
·
·
·
·
·
·
·
·
|
 |

|
·
·
|
 |

|
·
|
 |
|
 |
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 (WIMPs
– Weakly
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
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].
Б.А. Долгошеин, В.Н. Лебеденко,
Б.У. Родионов, Новый метод регистрации
следов ионизирующих частиц в
конденсированном веществе. Письма
в
ЖЭТФ
11
(1970) 513.
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.
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.
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.
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.
|