18

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В.Н. КАРАЗІНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.04.16 - фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ПОДВІЙНОГО БЕТА-РОЗПАДУ ¹³⁶Xe

Панасенко Сергій Іванович

Харків - 2011

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Існує 35 ядер, для яких можливий подвійний () бета-розпад. Теоретичні оцінки періоду напіврозпаду для процесів подвійного бета-розпаду з випромінюванням двох нейтрино (2) становлять 10¹⁸10²⁴ років, що значно перевищує час життя ядер порівняно зі звичайним бета-розпадом. На сьогоднішній день процес 2-розпаду виявлений в експериментах тільки для десяти ізотопів. Для ізотопу ¹³⁶Xe цей процес дотепер залишається незареєстрованим, незважаючи на те, що результати експериментів наближаються до максимальної з теоретично передбачених оцінок.

Значний інтерес до експериментів з пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду (0) викликаний недавнім відкриттям нейтринних осциляцій. Це відкриття підтвердило теоретичну концепцію, згідно з якою кожне зі спостережуваних у природі нейтрино є трикомпонентною сумішшю власних нейтринних масових станів. Однак, ще багато питань фізики нейтрино залишаються без відповіді. Насамперед, чи є нейтрино майоранівською (коли частинка тотожна античастинці) або діраківською частинкою? Наступне, якою є абсолютна шкала та ієрархія мас нейтринних станів: нормальною, інверсною або виродженою? Осциляційні експерименти не дають можливості вирішити ці проблеми, оскільки осциляції пов'язані тільки з різницею мас нейтринних станів. Виявляється, що відповіді на поставлені вище фундаментальні запитання дозволяють знайти експерименти з дослідження 0-розпаду. Цей процес єдиний, існування або відсутність якого може вказати на природу нейтрино: діраківську - у випадку його відсутності, або майоранівську - якщо цей процес існує. А отримане в експериментах кількісне значення маси нейтрино може однозначно визначити масштаб шкали і ієрархію нейтринних станів.

Подвійний двонейтринний бета-розпад - процес, який дозволений у рамках Стандартної Моделі (СМ). Імовірність цього процесу залежить від фазового об'єму лептонів і ядерних матричних елементів (ЯМЕ). Фазовий об'єм можна розрахувати з достатньою точністю, але розрахунки ЯМЕ мають значні розбіжності. Експериментально отримані параметри двонейтринного подвійного бета-розпаду дозволяють провести пряму перевірку існуючих моделей ядерної структури, оскільки визначають безпосередньо кількісне значення ЯМЕ. Крім того, аналогічність методів розрахунку ЯМЕ дає можливість оцінити вірогідність 0-розпаду, не зважаючи на те, що пряма кореляція між значеннями матричних елементів |M^2н| і |M^0н| відсутня.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Результати, які покладено в основу дисертації, отримані при виконанні комплексної програми за планом наукових робіт Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна “Структура атомних ядер і фізика процесів, викликаних сильними, електромагнітними і слабкими взаємодіями” (№ ДР 0100U003297, 0103U004185 і 0106U003138) і в рамках угоди про науково-технічне співробітництво між Інститутом ядерних досліджень РАН і ХНУ ім. В.Н.Каразіна за проектом «Низькофонові експерименти».

Мета і завдання дослідження.

Метою роботи є експериментальне визначення періодів напіврозпаду двонейтриного і безнейтринного процесів подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe з максимально досяжною точністю.

Об'єкт дослідження - явище подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe, яке з причини його малої ймовірності ще залишається кількісно не вивченим.

Предмет дослідження -випромінювання, що виникає в процесі подвійного бета-розпаду ядер ¹³⁶Xe.

Для досягнення цієї мети необхідно було:

· Визначити основні компоненти та джерела фону, провести вимірювання рівня фону в лабораторних приміщеннях, вибрати необхідний захист для найбільш ефективного зменшення фону.

· Провести модельні розрахунки процесів, що відбуваються в лічильниках в разі виникнення подвійного бета-розпаду. Визначити ефективність реєстрації і спектри заряджених частинок.

· Зібрати експериментальну установку з використанням в якості детекторів двох великих пропорційних лічильників високого тиску з електролітичної міді (МПЛ), які мають низький власний фон, високу чутливість та ефективність реєстрації бета-частинок.

· Обладнати установку електронними системами накопичення даних, здатних стабільно функціонувати в умовах підземної низькофонової лабораторії протягом кількох років.

· Визначити власний фон і параметри сигналів від альфа-частинок в робочому об'ємі МПЛ з метою подальшого зменшення фону від ²²²Rn і його дочірніх продуктів.

· Розробити методику проведення експерименту з одночасною реєстрацією даних від двох детекторів, один з яких заповнений ксеноном природного складу з вмістом ізотопу ¹³⁶Xe 9,2%, а інший - ксеноном, збагаченим ізотопом ¹³⁶Xe до рівня 93%.

· Провести довготривалі вимірювання одночасно двома МПЛ з періодичним обміном газового наповнення.

· Провести обробку накопичених експериментальних даних та пошук подій подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe.

· Визначити періоди напіврозпаду процесів подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe.

Методи дослідження.

Для досягнення поставленої мети і вирішення задач були використані такі методи дослідження: метод низькофонової спектрометрії сигналів від газових лічильників, оточених багатошаровим пасивним захистом; метод різницевого експерименту для виділення ефекту та для усунення систематичних похибок; метод одночасного вимірювання двома МПЛ з періодичним обміном газового заповнення ксеноном природного ізотопного складу та ксеноном, збагаченим до 93% ізотопом ¹³⁶Xe; метод аналого-цифрового перетворення та накопичення в цифровому вигляді електричних сигналів; методи комп'ютерного моделювання, зокрема метод Монте-Карло з використанням процедур GEANT3 для розрахунків властивостей газових лічильників і ефективності реєстрації -розпаду ¹³⁶Xe; метод комп'ютерного аналізу форми імпульсу з використанням математичного пакета Toolbox 3.0 Matlab; метод амплітудно-часового аналізу з метою усунення фону, обумовленого ланцюжками радіоактивних продуктів розпаду радону; методи цифрової ідентифікації та дискримінації частинок по формі зареєстрованого імпульсу; метод найменших квадратів та метод максимальної правдоподібності апроксимації експериментальних даних; статистичні методи оцінки похибок; метод “однієї стандартної похибки” та процедура Фельдмана-Коузінса для визначення обмеження кількості подій можливого ефекту із заданою довірчою ймовірністю.

Достовірність. Достовірність експериментальних даних, наукових положень та висновків, сформульованих у дисертації, базується на ретельній підготовці експерименту, устаткування, вимірювань та проведенні надійного контролю. На початку кожного етапу тривалістю ~25003000 годин, лічильники наповнювались газами, очищеними від електронегативних домішок у реакторі з Tі заповненням при температурі ~800°С. Проведення такої процедури відновлювало всі робочі характеристики лічильників. Контроль частоти надходження сигналів забезпечив відсутність збоїв в процесі роботи спектрометричної системи. Через кожні 300 годин протягом всіх етапів експерименту проводилося калібрування детекторів набором паспортизованих -джерел. За результатами порівняння відповідних спектрів контролювалося відхилення розташування -піків та зміни енергетичної роздільної здатності детекторів. На всіх етапах вимірювань відхилення основних параметрів не перевищувало 1-2%, що свідчить про високу стабільність роботи спектрометричного тракту. Отримані границі періодів напіврозпаду для процесів подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe приведені з відповідними оцінками довірчої ймовірності. При розрахунках використані процедури, рекомендовані Particle Data Group для даних із малою статистикою.

Наукова новизна одержаних результатів.

· У дисертаційній роботі проведено дослідження подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe незалежним експериментальним методом.

· Досягнута чутливість до реєстрації 2-розпаду ¹³⁶Xe 8,5Ч10²¹ років з 90% рівнем довіри (C.L.).

· Визначено нижні границі періодів напіврозпаду безнейтринного та двонейтринного процесів подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe на рівні рекордних світових досягнень.

· Проведені тривалі вимірювання фонового альфа-випромінювання та рівня ²²²Rn безпосередньо в повітрі в автоматичному режимі на рівні одиниць Бк/м³.

· Для вимірювань наднизьких рівнів поверхневої альфа-активності розроблена імпульсна іонна іонізаційна камера.

· Запропоновано методику компенсації впливу властивостей електронних каналів реєстрації, яку застосовано в програмах обробки і аналізу даних для відновлення форми зареєстрованих сигналів, уточнення енергії та ідентифікації частинок.

· Продемонстрована висока ефективність методу аналізу за формою сигналів для дискримінації фонових альфа-подій в великому пропорційному лічильнику.

Практичне значення отриманих результатів

Визначені в дисертаційній роботі границі для періодів напіврозпаду двох мод подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe є важливими для розвитку теоретичних розрахунків ядерних матричних елементів і структури ядра. Здобуті в дисертації результати можуть використовуватись при проектуванні нових наднизькофонових експериментів і установок з вивчення властивостей нейтрино та рідкісних ядерних явищ. Розроблене обладнання може бути застосоване для визначення радіаційної чистоти матеріалів, контролювання стану повітря та оточуючого середовища. Розроблені методи обробки даних можуть бути застосовані при проведенні експериментальних досліджень.

Особистий внесок здобувача полягає в участі в проектуванні, монтажі, настройці та обслуговуванні експериментальних установок, проведенні вимірювань протягом всього часу, аналізі накопичених даних та інтерпретації результатів, підготовці публікацій. Здобувач був ініціатором впровадження системи часово-амплітудної реєстрації та обробки сигналів з використанням цифрового осцилографа.

В основі представленої дисертації лежать експериментальні результати, тому всі наукові роботи були опублікованими у співавторстві.

Дисертант особисто виконав попередню і кінцеву обробку даних, приймав участь у плануванні експерименту, в обговоренні і аналізі результатів вимірювань, у підготовці доповідей і публікацій, виконав апробацію матеріалу на семінарах і конференціях.

У роботах [1,5] здобувачем спільно с Гаврилюком Ю.М. впроваджена програма відбору та реєстрації сигналів з використанням цифрового осцилографа у складі комп'ютера. Самостійно виконана обробка та аналіз зареєстрованих імпульсів трьох етапів експерименту з п'яти. Здобувач виконав частину модельних обрахунків функції відгуку МПЛ.

У роботі [2] здобувачем спільно с Гангапшевим А.М. проведений аналіз та розроблена програма для моделювання поведінки заряду в треках альфа-частинок у ксеноні в залежності від напруженості електричного поля.

В роботах [1-3,5,6] здобувачем були розроблені методи цифрової фільтрації подій за формою імпульсу для програми обробки експериментальних даних.

У роботі [4] здобувачем спільно с Кузьминовим В.В. розроблена імпульсна іонна іонізаційна камера для вимірювань надзвичайно слабких рівнів поверхневої альфа-активності, вперше була запропонована та реалізована методика корекції форми зареєстрованих сигналів для ідентифікації та уточнення енергії частинок.

У роботі [7] здобувачем підготовлена методика і налагоджене обладнання для автоматичної безперервної реєстрації ²²²Rn в повітрі, проведена обробка та аналіз зареєстрованих даних.

У роботі [8] здобувачем були проведені вимірювання на низькофоновому напівпровідниковому спектрометрі і проаналізовані отримані дані власного гама-випромінювання зразків конструкційних матеріалів.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертації доповідались на Баксанській молодіжній школі експериментальної і теоретичної фізики (2001 та 2004 р.), на міжнародних конференціях “Particles and Cosmology” (Baksan Valley, 2003, 2005 та 2007 р.), IV і V Міжнародних конференціях "Новая физика в неускорительных экспериментах" (Дубна, NANP'03, 2003 р. і NANP'05, 2005 р.), опубліковані у фахових журналах "Ядерная физика" та “Приборы и техника эксперимента”, препринтах і працях відповідних конференцій.

Публікації. Всі результати, що представлені в роботі, опубліковані у чотирьох статтях науково-фахових видань, трьох статтях у збірниках наукових праць міжнародних конференцій та у препринті ІЯД РАН.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел із 136 найменувань. Дисертація викладена на 150 сторінках, включає 56 рисунків та 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладений короткий огляд історії і сучасний стан фізики нейтрино, обговорюється важливість дослідження нейтрино і роль -розпаду у вивченні властивостей нейтрино, обґрунтовується актуальність питань, надано коротку характеристику дисертації і формулюються основні положення, що виносяться на захист, визначено мету та завдання роботи, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, зв'язок роботи з науковими програмами і темами, відмічено особистий внесок здобувача.

У першому розділі приводяться деякі елементи з теорії нейтрино, експериментальний статус і класифікація експериментальних методів дослідження процесів подвійного -розпаду. Викладено основні положення теорії -розпаду, зокрема розглянуто механізми двонейтринного та безнейтринного каналів -процесів. Представлено характеристики ізотопів, для яких можливий -розпад, приведені теоретично розраховані оцінки та експериментально визначені періоди 2-розпаду. Для ізотопів, у яких -розпад ще не знайдений, приведені експериментально отримані границі періодів напіврозпаду. Представлені теоретичні оцінки щодо 0- і 0-мод -розпаду. Вказано, що основна проблема, яка перешкоджає проведенню будь-якого прямого експерименту по вивченню -процесів, полягає в надзвичайно великому часі життя ядер, для яких існує можливість такого розпаду.

У другому розділі представлені властивості ізотопу ¹³⁶Xe та обґрунтовується його вибір для проведення експерименту. Зазначено, що для ядра ¹³⁶Xe єдиний дозволений канал розпаду - подвійний -розпад до дочірнього ядра ¹³⁶Ва. Велика різниця мас (2457,83±0,37) кеВ між ¹³⁶Xe і дочірнім ядром ¹³⁶Ва передбачає велику доступну фазову область і чималу швидкість розпаду. Природна поширеність ізотопу ¹³⁶Xe є істотною (8,9±0,1%) і його збагачення можливе методом центрифугування. Особливістю цього елементу також є те, що ксенон - інертний газ і може бути одночасно як досліджуваною, так і робочою речовиною детектора. Незважаючи на потенційну простоту експериментів, на момент початку роботи над дисертацією подвійний бета-розпад ¹³⁶Xe не був зареєстрований. Вказано, що існуючих експериментальних даних недостатньо для точних розрахунків, тому теоретичні оцінки відрізняються на 3 порядки. Наведені теоретично розраховані різними авторами величини періоду напіврозпаду ¹³⁶Xe для двох- та безнейтриної моди.

Розглянуті раніше проведені експерименти, метою яких було дослідження подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe, описані найбільш чутливі з них і отримані результати. Зроблено огляд запланованих експериментів, спрямованих на реєстрацію подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe, та передбачені рівні чутливості.

Третій розділ присвячений фоновому радіоактивному випромінюванню та захисту від нього. Проведений аналіз показує, що рівень чутливості експериментів з дослідження подвійного бета-розпаду визначається рівнем фону, тому збільшення тривалості вимірювань не приводить до підвищення чутливості і вирішальним чинником стає зменшення власного фону експериментальних установок. Проведено оцінку рівня фону, який створюють всі компоненти: мюони від космічних променів, альфа та бета-частинки, гамма-кванти і нейтрони. Найбільш вагомими джерелами фону є радіоактивні домішки в робочій речовині детектора (ксенон), в конструкційних матеріалах лічильників і пасивного низькофонового захисту. Якщо фон від конструкційних матеріалів і довколишньої гірської породи є постійною компонентою, то -випромінювання повітря визначається вмістом радону і залежить від температури, тиску, вологості і інших чинників. Визначено, що у підземних умовах вміст радону суттєво залежить від вентиляції і швидкості продування приміщень свіжим повітрям. Для моніторингу рівня радону була розроблена імпульсна іонна камера і зібрана установка для автоматичного вимірювання і реєстрації вмісту радону в повітрі. Описана конструкція камери та робочі можливості автоматичної установки. В процесі тестування визначена висока ефективність продувки парами рідкого азоту для захисту від радону. Вимірювання вмісту радону в підземному приміщенні низькофонової лабораторії показали, що середня об'ємна активність радону в повітрі не перевищує 50 Бк/м³ і в умовах нормально діючої вентиляції за час руху повітря до лабораторного приміщення не відбувається значного накопичення радону.

Відбір найбільш чистих конструкційних матеріалів є вкрай необхідним і відповідальним етапом у створенні будь-якої низькофонової установки, оскільки власне фонове випромінювання обмежує найнижчий досяжний рівень фону та кінцеву чутливість експерименту. Накопичена до теперішнього часу велика інформація щодо вмісту радіоактивних забруднень у різних конструкційних матеріалах (метали, пластмаси, рідини, діелектрики й ін.) і промислових електротехнічних виробах (радіодеталі, кабелі) носить орієнтовний характер та дозволяє заздалегідь відібрати необхідне обладнання і матеріали. Однак відхилення рівня радіоактивного забруднення конкретного матеріалу може істотно відрізнятися від середнього. Тому необхідно проводити додатковий вхідний відбір. Із цією метою були проведені контрольні вимірювання гамма-випромінювання конструкційних матеріалів, з яких виготовлені МПЛ та захист, на підземному (глибина - 660 м в.е.) низькофоновому напівпровідниковому спектрометрі із трьома детекторами з надчистого германію, раніше застосованому в експерименті для пошуку вв0 - процесу в ⁷⁶Ge,.

Для вимірювання рівня поверхневої альфа-активності створена імпульсна іонна іонізаційна камера. Описана конструкція та можливості іонізаційної камери, яка дозволяє при одночасному зборі негативних і позитивних зарядів визначити не лише енергетичні, але й просторові координати альфа-частинок. Камера складається з двох ідентичних секцій, розділених високовольтним сітчастим катодом. У кожній секції набором формуючих мідних кільцевих електродів, підключених до розподільника високої напруги, створюється однорідне дрейфове поле. Сигнали від анодів підсилюються, перетворюються у цифрову форму та накопичуються у комп'ютері. Подальша обробка результатів вимірювань дозволяє виділити сигнали від альфа-частинок з певним місцем утворення, просторовою орієнтацією та довжиною проекції трека. В імпульсній іонній іонізаційній камері проведені вимірювання альфа-фону зразків міді, застосованих в пасивному захисті.

Згідно з отриманими даними були відібрані зразки, які мали найменший рівень альфа-радіоактивних домішок, продуктів космогенного впливу, а також продуктів розпаду ²²²Rn, що осіли на поверхні за час попереднього зберігання.

Визначено рівень зниження зовнішнього випромінювання, який забезпечує низькофоновий пасивний захист експериментальної установки. Показано, що застосований захист знижує зовнішній фон до рівня, який не має значного впливу на результати експерименту. Основними джерелами впливового фону є найближче оточення детектора, власний радіаційний фон корпусу детектора, розпад радону в робочому газі і продукти розпаду радону, що осіли на внутрішній поверхні детекторів.

У четвертому розділі описана експериментальна установка для дослідження подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe. До складу експериментальної установки входять детектори, оточені низькофоновим захистом (рис. 1), газовакуумна установка та система реєстрації. Детектори - два великих мідних пропорційних лічильника МПЛ, заповнених ксеноном.

Рис. 1. Схематичний вигляд низькофонової установки.

Ксенон одночасно є досліджуваною речовиною і робочим тілом. Лічильники заповнюються ксеноном з різним вмістом ізотопу ¹³⁶Xe до одного і того ж тиску. Обидва лічильника розташовані поруч усередині багатошарового пасивного захисту, який складається з 15 см свинцю, 8 см поліетилену з вмістом бору 5% та внутрішнього шару міді товщиною 20 см. Для захисту від радону внутрішня мідний шар оточений поліетиленовою плівкою і продувається парами рідкого азоту для витіснення повітря, що містить радон.

Представлена конструкція пропорційних лічильників з корпусом із міді внутрішнім діаметром 14 см, робочою довжиною 595 мм і анодною ниткою діаметром 10 мкм, виготовленою з позолоченого вольфраму. Лічильники мають робочий тиск 14,8 атм. Розглянуті властивості ксенону як робочого газового заповнення пропорційного лічильника.

Описано газовакуумну систему (рис. 2), яка застосована для підготовки ксенону до вимірювань, методику очищення газів від електронегативних домішок та процес заповнення лічильників.

Рис. 2. Схема газо-вакуумної установки: Л1...Л5 - кріогенні пастки, ВМТ - вакуумметр термопарний, М1...М4 - манометри.

розпад ксенон спектрометр радон

Описано чотириканальну систему реєстрації (рис. 3), кожний канал якої складається з зарядочутливого підсилювача, швидкого підсилювача і диференційного дискримінатору. Для запису імпульсів використані цифрові осцилографи Ла-н10-М6 у складі комп'ютера, з частотою аналого-цифрового перетворення 6,25 МГц. В цифровому вигляді сигнали записуються у файл для подальшої обробки і аналізу в режимі “off line”. Реєстрація сигналу з кожного лічильника відбувається одночасно з обох кінців анодної нитки, що дозволяє по співвідношенню амплітуд двох імпульсів визначати координату події уздовж лічильника. Одночасно для кожного з імпульсів реєструється також час його надходження.

Рис. 3. Блок-схема системи реєстрації: ЗЧУ 1,2,3,4 - зарядочутливі підсилювачі, У1, У2, У3, У4 - підсилювачі з формуючими ланцюгами, СС 1,2- схеми збігу, ЦОС 1,2- перший і другий канали цифрового осцилографа, ПК- персональний комп'ютер.

Для реєстрації сигналів цифровим осцилографом та управління комп'ютером в режимі реального часу використана спеціальна програма, яка дає можливість контролювати та управляти процесом вимірювання з іншого комп'ютера.

Приведено основні характеристики пропорційних лічильників і чинники, що впливають на функцію відгуку. Описано алгоритм обчислення та розраховані для МПЛ ефективності реєстрації електронів в залежності від енергії для різних процесів подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe.

Описано методику калібрування спектрометричних характеристик МПЛ. Приведена визначена енергетична роздільна здатність, яка отримана за допомогою джерел -променів ²²Na (511 і 1275 кеВ), ¹³⁷Cs (662 кеВ) та ²³²Th (²⁰⁸Tl, 2614 кеВ). Проаналізовано особливості складових частин фону. Показано, що в області енергій від 0,8 до 1,8 МеВ внесок у фон МПЛ подій від розпаду радону і його дочірніх продуктів може сягати 40%. Окрім альфа-частинок в цій області енергій визначальний внесок у фон можуть давати електрони, які супроводжують розпад ²¹⁰Вi, що утворюється в ланцюжку розпаду радону.

Для точного визначення форми імпульсів від альфа-частинок проведено вимірювання, в якому один з лічильників був заповнений газовою сумішшю природного ксенону з домішкою ²²²Rn. В результаті порівняння повної форми отриманих імпульсів визначені параметри, характерні для різних типів іонізуючих частинок, що дозволило ефективно використовувати ці параметри в подальшій програмній обробці для розділення сигналів від альфа-частинок і електронів.

У п'ятому розділі описано проведення експерименту та отримані результати. Експериментальна установка була розташована в підземній лабораторії Баксанської нейтринної обсерваторії на глибині, еквівалентній 4900 м води, де потік мюонів від космічних променів зменшений до рівня 2,510^-9 см^-2с^-1.

В проведеному експерименті протягом тривалого періоду реєструвалися сигнали від двох МПЛ. Вимірювання проходили в декілька циклів, повна тривалість кожного складала 2500ч3000 годин. Лічильники заповнювались до тиску 14,8 атм. ксеноном без домішок з різним ізотопним складом. На початку першого циклу МПЛ №1 заповнювався ксеноном, збагаченим до 93% ізотопом ¹³⁶Xe, а МПЛ №2 заповнювався ксеноном з природним складом ізотопів (вміст ізотопу ¹³⁶Xe 9,2%). Кожний новий цикл починався з обміну газового наповнення лічильників. Протягом вимірювань одночасно записувались сигнали від двох МПЛ з метою визначення систематичних помилок, пов'язаних зі змінами зовнішніх умов і можливою відмінністю власного апаратного фону пропорційних лічильників. Зареєстровані цифрові дані проходили первинну обробку для видалення сигналів від електричних наведень і пробоїв, імпульсів спотвореної форми і амплітуди. В процесі подальшої програмної обробки накопичених даних проводився відбір корисних подій і усунення фонових сигналів. За формою імпульсу визначався тип частинки і вилучались події, які створювали альфа-частинки від розпаду радіоактивних елементів уранового і торієвого рядів у внутрішній частині лічильників - в газовому середовищі, на поверхнях катода і анодної нитки. Отримані зі співвідношення амплітуд сигналів координати уздовж лічильника використовувались для виключення фонових подій, пов'язаних з радіоактивними домішками в торцевих частинах корпусу детектора, мікророзрядів по поверхні ізоляторів і у високовольтних мережах.

Під час тривалих вимірювань спостерігалося деяке відхилення параметрів підсилювачів в каналах реєстрації. Тому протягом експерименту проводилися калібрувальні вимірювання через кожні 300 годин. За результатами калібрування визначалися і при необхідності коректувалися параметри каналів системи реєстрації. Проведення систематичних калібрувань дозволило визначити і стабілізувати енергетичну шкалу спектрометра. Нестабільності каналів компенсувалися в ході подальшої обробки даних.

Кожна серія вимірювань складалась з двох частин. Дані за перші 500 годин кожного циклу були контрольними. Цей час необхідний для розпаду ²²²Rn, який потрапляв у лічильник з газовакуумної системи під час заповнення. Для пошуку подій подвійного бета-розпаду використані дані, накопичені за наступні 2000 годин вимірювань. Кількість подій, викликаних -розпадом ¹³⁶Xe, визначалась як різниця між спектрами ксенону з природним складом ізотопів та збагаченого ксенону. З метою видалення подій від розпаду ⁸⁵Kr (гранична енергія -розпаду 687 кеВ), для аналізу використаний діапазон енергій вище 800 кеВ. Сумарний час вимірювань в 4 серіях, дані з яких використані в розрахунках, склав 8000 годин.

У процесі обробки даних для кожної події визначалися енергія Е, тривалість переднього фронту _f, параметри Х - залежність від положення події уздовж МПЛ і - залежність від плавності фронту.

На рис. 4 представлено розподіл співвідношення енергії та фронту_f для всіх подій, зареєстрованих МПЛ №1 у першій серії.

Рис. 4. Розподіл сигналів відповідно тривалості переднього фронту та енергії: а,б - наведення та сигнали неіонізаційної природи; в, г - сигнали від розпаду ²²²Rn і його дочірніх -активних ядер.

В області а й б попадають сигнали неіонізаційної природи. Область а утворюють сигнали малої амплітуди синусоїдальної форми (наведення й мікрофонний ефект). В область б попадають сигнали від мікропробоїв і мікровитоків по поверхнях ізоляторів. Вони відрізняються характерним коротким переднім фронтом і різким перегином у максимумі, що дозволяє їх легко дискримінувати. Розподілу в областях в и г подібні "радоновим" подіям у калібрувальних вимірюваннях. Попередня обробка даних вилучала імпульси, які мали неіонізаційне походження. Показником якості дискримінації є такий розподіл подій за довжиною лічильника (відповідно нормованої координати Х), що у відібраних даних мають бути тільки події з 10 < Х < 90 (рис. 5 в). У процесі подальшого відбору із зареєстрованих даних вилучаються імпульси, утворені -частинками від розпаду ²²²Rn і його дочірніх -активних ядер у газовій області МПЛ, які мають плавний фронт та параметри відповідно областям г і в на рис. 4. Результат виконання цієї процедури показаний на рис. 5 а).

Рис. 5. Спектри фону (а), розподіл подій в залежності від тривалості переднього фронту _f (б) та координати Х події уздовж анодної нитки (в) в першій (93% ¹³⁶Xe) і другій (9,2% ¹³⁶Xe) серіях, зареєстрованих МПЛ №1.

Сумарні спектри в області енергій 0,8ч2,5 МеВ за 8000 годин вимірювань представлені на рис. 6 (тонка темна лінія - сумарний спектр від МПЛ, заповнених ксеноном з природним складом ізотопів, зафарбована область - сумарний спектр від МПЛ, заповнених ксеноном, який збагачений ізотопом ¹³⁶Xe).

Рис. 6. Сумарні спектри фонових подій, зареєстрованих за 8000 годин вимірювань.

Внесок в фон досліджуваних процесів подвійного бета-розпаду ¹³⁶Хе робиться на підставі різниці спектрів в інтервалі енергій: 0,81,8 МеВ для 2(о.с.о.с.) - переходу; 1,22,5 МеВ для 2(о.с.2⁺) - переходу; 2,317ч2,641 МеВ для 0(о.с.о.с.) - переходу та 1,52,5 МеВ для 0^о - переходу з вильотом майорона.

В результаті проведених вимірювань та обробки експериментальних даних визначені (90% C.L.) границі періодів напіврозпаду подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe:

2-розпад T_1/2²ⁿ(о.с.о.с.) ?8,5Ч10²¹ років;

T_1/2²ⁿ(о.с.2⁺) ?6,5Ч10²¹ років;

bb_n-розпад T_1/2⁰ⁿ(о.с.о.с.) ?3,1Ч10²³ років;

T_1/2^_n(о.с.о.с.) ?1,0Ч10²² років.

У висновку підведені підсумки дисертаційної роботи і коротко сформульовані основні результати.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота виконана з метою експериментального визначення періодів напіврозпаду двонейтриного і безнейтринного процесів подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe з максимально досяжною точністю. В представленій роботі отримані такі основні результати:

1. На створеній низькофоновій експериментальній установці різницевого типу, що усуває систематичні похибки, досягнутий рівень чутливості, який перевищує 10²¹ і 10²³ років до двонейтриного і безнейтринного відповідно процесів подвійного бета-розпаду ¹³⁶Xe.

2. На рівні довірчої ймовірності (C.L.) 90% визначені границі періодів напіврозпаду -розпаду ¹³⁶Xe на основний стан ¹³⁶Ba: T_1/2 8,5Ч10²¹ років для 2-моди і T_1/2 3,1Ч10²³ років для 0-моди. Отримані границі періодів напіврозпаду -переходів ґрунтуються на результатах обробки експериментальних даних за 8000 годин живого часу вимірювань, а повний час проведення експерименту складає ~15000 годин.

3. У ході виконання дисертаційної роботи застосовані нові методи збільшення чутливості та зниження рівня власного фону експерименту.

4. Побудовані низькофонові спектрометричні установки:

· для дослідження процесів подвійного бета розпаду ¹³⁶Xe, яка складається з двох мідних пропорційних лічильників високого тиску, оточених багатошаровим низькофоновим захистом, та чотириканальної цифрової системи реєстрації даних;

· для вимірювання наднизьких рівнів поверхневої альфа-активності - імпульсну іонну іонізаційну камеру, яка дозволила визначити поверхневе забруднення застосованих конструкційних матеріалів, складових захисту і детекторів та відібрати зразки з найменшою радіоактивністю;

· для високочутливого моніторингу радону - спектрометр ²²²Rn, здатний в автоматичному режимі вимірювати радон в повітрі з концентрацією на рівні одиниць Бк/м³. Отримані дані використані для оптимізації захисту від радону, що дало змогу удвічі знизити рівень гамма-фону в експерименті.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Gavriljuk Ju. M. First results of a search for the two-neutrino double beta decay of ¹³⁶Xe with high pressure copper proportional counters / Ju. M. Gavriljuk, A. M. Gangapshev, V. V. Kuzminov, N. Ja. Osetrova, S. I. Panasenko, S. S. Ratkevich // ЯФ. - 2004. - T.67. - №11. - С.2033-2038.

2. Gavriljuk Ju. M. Analysis of a -particle background events in a high pressure copper proportional counter / Ju. M. Gavriljuk, A. M. Gangapshev, V. V. Kuzminov, N. Ja. Osetrova, S. I. Panasenko, S.S. Ratkevich // ЯФ. - 2004. - T.67. - №11. - С.2039-2042.

3. Gavriljuk Ju. M. Results of a search for 2-decay ¹³⁶Xe with high-pressure copper proportional counters in Baksan Neutrino Observatory / Ju. M. Gavriljuk, A. M. Gangapshev, V. V. Kuzminov, S. I. Panasenko, S. S. Ratkevich // ЯФ. - 2006. - T.69, №12. - С.2120-2133.

4. Гаврилюк Ю.М. Импульсная ионная ионизационная камера для спектрометрических измерений низких уровней поверхностной альфа-активности / Ю. М. Гаврилюк, А. М. Гангапшев, В. В. Казалов, В. В. Кузьминов, С. И. Панасенко, С. С. Раткевич // ПТЭ. - 2009. - №2. - С.24-33.

5. Apshev A. Background of the copper proportional counters used for a new stage of search for the two neutrino double beta decay of Xe-136 / A. Apshev, Ju. Gavriljuk, A. Gangapshev, V. Kuzminov, N. Osetrova, S. Panasenko, S. Ratkevich, A. Khokonov // proceedings of the XI-th international school “Particles and Cosmology”, INR RAS, Moskow. - 2003. - P.96-107.

6. Gavriljuk Ju. Preliminary results of a search for the two-neutrino double beta decay of Xe-136 with high pressure copper proportional counter / Ju. Gavriljuk, A. Gangapshev, V. Kuzminov, N. Osetrova, S. Panasenko, S. Ratkevich // proceedings of the XII-th international school “Particles and Cosmology”, INR RAS, Moskow. - 2003. - P.29-41.

7. Bratiakina A. V. Time variation of Rn-222 abundance in the air of underground laboratory (BNO INR RAS) at 1000 m.w.e. / A. V. Bratiakina, Ju. M. Gavriljuk, A. M. Gangapshev, V. V. Kuzminov, S. I. Panasenko, S. S. Ratkevich // proceedings of the XII-th international school “Particles and Cosmology”, INR RAS, Moskow. - 2005. - P.124-136.

8. Гаврилюк Ю.М. Содержание радиоактивных изотопов в конструкционных материалах по данным подземного низкофонового полупроводникового спектрометра (глубина - 660 м в.э.) / Ю. М. Гаврилюк, А. М. Гангапшев, A. M. Гежаев, В. В. Казалов, А. А. Клименко, В. В. Кузьминов, С. И. Панасенко, С. С. Раткевич, А. А. Смольников, К. В. Эфендиев, С. П. Якименко // Препринт ИЯИ РАН 1236/2009. - 2009. - 15с.

Размещено на Allbest.ru