Среда для регистрации электронных антинейтрино (ее варианты)

Изобретение относится к ядерной физике и в особенности к объектам, а именно - к средам, предназначенным для регистрации электронных антинейтрино. Сущность изобретения заключается в том, что применяют дейтериды бора, например D₁₀B_4, в качестве среды для регистрации электронных антинейтрино. Технический результат - увеличение надежности и достоверности выделения актов взаимодействий электронных антинейтрино с регистрирующей средой.

 

Предлагаемое техническое решение относится к ядерной физике и в особенности к объектам, а именно к средам, предназначенным для регистрации электронных антинейтрино.

Известна регистрирующая среда для регистрации антинейтрино, представляющая собой квантовую среду (гелий-4 или гелий-3), охлажденную до температуры меньшей, чем температура перехода в сверхтекучее состояние (см. опубликованную заявку №94002138/25 с приоритетом от 19.01.1994 г.; опубликована 10.02.1995 г. в «Бюллетене изобретений» №4 за 1995 г., стр. 77).

Недостатками этой среды (квантовой сверхтекучей жидкости) являются необходимость поддержания больших объемов гелия-4 или гелия-3 при сверхнизких - криогенных - температурах (меньших 0,003 K для гелия-3, меньших 2,2 K для гелия-4) и высокая сложность выявления актов взаимодействий нейтрино и антинейтрино с данной средой.

Известны также среды, предназначенные для регистрации продуктов взаимодействия антинейтрино с ядрами и/или атомами этих сред, представляющие собой жидкие сцинтилляционные составы, а именно псевдокумол (с добавками флуоресцирующего вещества - 2,5-дифенилоксазола в количестве 1,5 г/литр) и различные продукты нефтепереработки - см. обзор (посвященный рассмотрению современного состояния исследований в области регистрации нейтрино разных типов и сред, применяемых для данных целей) «Об экспериментах в подземной физике», автор О.Г. Ряжская, журнал «Успехи физических наук», март 2013 года, том №183, вып. 3, стр. 316-320. Известно также использование изотопа железа ⁵⁶Fe в качестве детектирующей среды для регистрации высокоэнергичных антинейтрино и нейтрино - та же публикация, стр. 321.

Общим недостатком указанных выше сред является высокая сложность выделения актов (продуктов) взаимодействий нейтрино (всех видов) с этими средами.

Известна также среда, применяемая для регистрации электронных антинейтрино, в качестве которой используют содержащие водород (¹Н) химические соединения - см. журнал «Письма в журнал технической физики», том 40, 2014 год, выпуск 11, стр. 8-16 и журнал «Письма в журнал технической физики», том 39, 2013 год, выпуск 14, стр. 27-32. Протоны (р) (ядра водорода) указанной среды вступают во взаимодействие с электронными антинейтрино (j_e):

где: n - нейтрон, е⁺ - позитрон.

В качестве содержащей водород среды используется минеральное масло (его «усредненная» химическая формула - СН₂) с растворенным в нем химическим соединением гадолиния (Gd) с концентрацией 1 грамм Gd на 1 литр среды. Образовавшийся в результате взаимодействия j_e с ядром водорода позитрон аннигилирует, порождая 2 гамма-кванта с энергиями по 0,511 МэВ каждый. Образовавшийся в результате реакции (1) нейтрон после замедления в среде поглощается ядром гадолиния. Образовавшееся возбужденное ядро Gd испускает каскад гамма-квантов с суммарной энергией около 8 МэВ. Две разнесенные во времени вспышки сцинтилляционного излучения регистрируют по методу задержанных совпадений с использованием набора фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

Недостатком этой регистрирующей среды является высокая сложность выделения актов (продуктов) взаимодействий электронных антинейтрино с этой средой из фона разнообразных мешающих факторов.

Наиболее близкой к заявляемому объекту (прототипом) является среда, применяемая для регистрации электронных антинейтрино, в качестве которой используют так называемую «тяжелую воду» D₂O (D - дейтерий); см., например, статью А.В. Говоркова в журнале «ЖЭТФ» за 1956 год, том 30, стр. 974 или статью на стр. 82-85 в журнале «Письма в ЖЭТФ», том 51, вып. 2.

Недостатком этой регистрирующей среды является высокая сложность выделения актов (продуктов) взаимодействий электронных антинейтрино с ядрами дейтерия из крайне высокого фона разнообразных мешающих факторов, а также крайне высокая сложность, громоздкость и дороговизна соответствующей установки. В самом деле, при применении для регистрации электронных антинейтрино среды-прототипа (и иных подобных известных сред) отбор актов антинейтринных взаимодействий производится всего (в лучшем случае) по трем признакам - по регистрируемым методом задержанных совпадений вспышкам сцинтилляционного излучения - от «стартового» аннигиляционного излучения, возникающего при аннигиляции позитрона, и излучения, возникающего при девозбуждении двух ядер (например, гадолиния, введенного в незначительном количестве с состав среды), проглотивших 2 нейтрона - после их замедления в среде. В способе-прототипе регистрируются лишь факты поглощения нейтронов в ³Не-счетчиках (т.е. отбор происходит всего по двум событиям, причем в условиях крайне высокого фона мешающих внешних излучений, что уменьшает статистическую достоверность результатов).

Целью заявленного объекта является увеличение надежности и достоверности выделения актов взаимодействий электронных антинейтрино с предлагаемой регистрирующей средой, что приводит к уменьшению сложности выделения актов таких взаимодействий из совокупности всех мешающих (в данном случае - паразитных) излучений, и, следовательно, обеспечивает в итоге уменьшение затрат, связанных с регистрацией электронных антинейтрино, и приводит к существенному снижению стоимости соответствующих установок.

Указанная цель достигается в результате того, что в качестве среды, предназначенной для регистрации электронных антинейтрино, применяют дейтериды бора, например D₁₀B₄.

Какие-либо иные кроме предложенных в данной заявке применения дейтеридов бора неизвестны.

Рассмотрим особенности нового (предлагаемого) применения предложенной среды.

Эти особенности определяются закономерностями (причинно-следственными цепочками) событий, происходящих из-за (в результате) каждого акта взаимодействия электронных антинейтрино (j_e) с каждым конкретным ядром атома дейтерия (²D), вступившем в это взаимодействие, в результате чего образуется 2 свободных нейтрона (n):

Применение же для регистрации j_e дейтеридов бора (например, D₁₀B₄ - с температурой плавления, равной минус 121°C, и с температурой кипения, равной плюс 18°C) позволяет в существенной мере увеличить надежность и достоверность регистрации именно актов j_e-взаимодействий, а также существенно упростить установку, в которой применена данная среда. Это обусловлено тем, что при поглощении каждого из нейтронов соответствующим ядром изотопа бора ¹⁰В (сечение поглощения тепловых нейтронов равно 4010 барн, содержание в естественной смеси - 19,9%, изотоп ¹¹В, как и дейтерий, является замедлителем нейтронов) сразу же происходит мгновенный распад («деление») возникшего конгломерата (промежуточного составного ядра) на две высокоэнергичных частицы: альфа-частицу (al-частицу, т.е. ядро гелия) и ядро лития-7 (⁷Li):

где: ⁷Li* - обозначение для возбужденного состояния ядра ⁷Li;

E₁=2,30 МэВ - суммарная кинетическая энергия альфа-частицы и ядра лития;

у - гамма-квант с энергией 0,48 МэВ, образующийся при девозбуждении

ядра ⁷Li*.

Реакция (2) (а также обусловленная ею реакция (3)), при которой ядра лития образуются в возбужденном состоянии, происходит с вероятностью 0,93. Ядро лития и альфа-частица при разлете движутся в противоположных направлениях. Кинетическая энергия ядра лития равна 0,83 МэВ, альфа-частицы - 1,47 МэВ.

С вероятностью 0,07 при поглощении нейтронов ядрами ¹⁰В происходит реакция:

Е₂=2,78 МэВ - суммарная кинетическая энергия альфа-частицы и ядра лития в данной реакции (по ее «второму каналу»).

Кинетическая энергия ядра лития во втором канале реакции равна 1,01 МэВ, альфа-частицы - 1,77 МэВ.

В данном случае ядра ⁷Li возникают сразу в основном состоянии.

Итак, из (2) и (3) следует, что в данном канале поглощения каждого нейтрона происходит три события, каждое из которых (гамма-квант и высокоэнергичные альфа-частица и ядро лития-7) может быть зарегистрировано известными в физике элементарных частиц методами (например - сцинтилляционным). Во втором канале (см. реакцию (4)) происходит только два события (гамма-квант не излучается), однако вероятность этого мала (превалируют реакции (2) и (3)).

Как видно из вышеизложеного, при применении для отбора актов антинейтринных взаимодействий предложенной среды всегда порождаются не два или три (как в среде-прототипе), а (с учетом «стартовой» аннигиляционной вспышки) от семи (с вероятностью примерно 0,865) до пяти (с вероятностью примерно 0,005) событий, порождаемых каждым антинейтринным взаимодействием! Каждое из этих событий может быть зафиксировано известными методами (например, сцинтилляционным) и соответствующими приборами. Итак, при этом (при поглощении 2-х нейтронов) с вероятностью 0,995 (1-0,005=0,995) в данной среде будут происходить 7 или 6 статистически значимых (для выявления каждого антинейтринного взаимодействия) событий.

Указанная особенность предложенной среды позволяет в очень значительной мере увеличить надежность и достоверность регистрации электронных антинейтрино и даже существенно упростить и конструкции установок, в которых применена предлагаемая среда, и удешевить и их стоимость, и их эксплуатацию.

Итак, при применении для регистрации электронных антинейтрино среды-прототипа (и иных подобных известных сред) отбор актов антинейтринных взаимодействий производится всего (в лучшем случае) по трем признакам - по регистрируемым методом задержанных совпадений вспышкам сцинтилляционного излучения - от «стартового» аннигиляционного излучения, возникающего при аннигиляции позитрона, и излучения, возникающего при девозбуждении двух ядер (например, гадолиния, введенного в незначительном количестве в состав среды), проглотивших два нейтрона - после их замедления в среде. В способе-прототипе регистрируются лишь факты поглощения нейтронов в ³Не-счетчиках (т.е. отбор происходит всего по двум событиям, причем в условиях крайне высокого фона мешающих внешних излучений, что уменьшает статистическую достоверность результатов).

В предложенной же среде происходят 7 или 6 статистически значимых (при каждом антинейтринном взаимодействии) событий (или с вероятностью 0,005 пять таких событий).

Указанные обстоятельства позволяют также существенно уменьшить затраты на систему пассивной защиты установок, в которых применена предложенная среда.

Техническая реализуемость предложенного доказывается следующим образом. Достаточно лишь в установках («пилотных» и полномасштабной), сооружаемых в настоящее время в РФ по проекту «Нейтрино-4» (см. указанные выше публикации: в журналах «Письма в журнал технической физики», том 40, 2014 год, выпуск 11, стр. 8-16 и «Письма в журнал технической физики», том 39, 2013 год, выпуск 14, стр. 27-32), заменить минеральное масло на, например, D₁₀B₄, и без каких-либо иных изменений (кроме простого и очевидного перепрограммирования программы для обработки данных от ФЭУ) заявленная цель и заявленные преимущества будут достигнуты.

Применение предлагаемой среды позволяет увеличить надежность, достоверность и эффективность выделения актов взаимодействий электронных антинейтрино из очень значительного фона разнообразных мешающих факторов и, следовательно, позволит уменьшить затраты на сооружение пассивной и активной (по методу антисовпадений) защиты от внешних мешающих излучений. А это позволяет сооружать установки с использованием предлагаемой среды даже на поверхности Земли (подобно установкам со средами-прототипами, но без колоссальной пассивной защиты) и, в принципе, даже изготавливать их передвижными (мобильными).

Уменьшение указанных затрат, связанных с регистрацией антинейтрино, приводит к достижению существенного технико-экономического эффекта.

Установки с использованием предлагаемой среды ввиду их низкой стоимости могут быть использованы для экспериментов по поиску так называемых стерильных нейтрино, для исследования нейтринных осцилляций, для диагностики в режиме реального времени работы ядерных реакторов и измерения их антинейтринных спектров и в иных экспериментах.

Предлагаемая среда может быть использована также для «просветной» (от антинейтринных пучков от различных ускорителей) нейтринной томографии Земли (а в будущем - и иных планет, например Юпитера, Сатурна и Урана).

Предлагаемая среда может быть использована также для осуществления нейтринной связи.

Применение дейтеридов бора, например D₁₀B₄, в качестве среды для регистрации электронных антинейтрино.