Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Дробышевский Михаил Эдуардович СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИ - ПРОНИКАЮЩИХ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ 01.04.01 УПриборы и методы экспериментальной физикиФ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011 г.

2

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физикотехническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Бобашев Сергей Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Ануфриев Георгий Степанович доктор физико-математических наук, профессор Гнедин Юрий Николаевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН

Защита состоится 25 марта 2011 года в 15-00 на заседании диссертационного совета Д002.034.01 при Учреждении Российской академии наук Институте аналитического приборостроения РАН по адресу: г. Санкт-Петербург, Рижский пр., 26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института аналитического приборостроения РАН по адресу:

г. Санкт-Петербург, Рижский пр., 26.

Автореферат разослан февраля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук А.П. Щербаков 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации Тема диссертации актуальна, поскольку вторичные электронные умножители (ВЭУ), - включая фотоэлектронные умножители (ФЭУ), находят широкое применение в современной науке (особенно в ядерной физике и астрофизике) и технике. Без них сегодня немыслимо существование многих экспериментальных направлений. Обусловлено это тем, что многокаскадная вторичная электронная эмиссия обеспечивает в компактных приборах коэффициенты усиления, доходящие до ~109, что делает повседневностью реальное использование их для регистрации даже отдельных квантов и частиц - электронов, ионов, элементарных частиц и т.п.

Представляется поэтому, что любое усовершенствование ВЭУ, как и углубленное понимание различных аспектов их работы, будет способствовать расширению областей их применения.

Исследование свойств ВЭУ в данной работе было стимулировано их использованием в экспериментальных установках, в которых наряду с регистрацией космического излучения (КИ) предпринята попытка поиска объектов скрытой (темной) массы Вселенной. Проблема обнаружения таких объектов и выяснение их природы является одной из актуальных и фундаментальных проблем современной науки [1, 2].

В Приложении 1 кратко изложено содержание развиваемой в ФТИ идеи о том, что темная материя (ТМ) содержит УдаемоныФ (DArk Electric Matter Objects - daemons), - предположительно, сверхмассивные планковские частицы, несущие отрицательный (до 10e) электрический заряд. Согласно рассматриваемой рабочей гипотезе, можно ожидать в потоке КИ наличие таких частиц, детектирование которых возможно благодаря захвату ими ядер атомов, например Al, с эмиссией большого числа электронов, регистрируемых ВЭУ.

Мы называем такие частицы ядерно-активными частицами (ЯАЧ).

Далее под ядерно-активными излучениями мы будем понимать как частицы атмосферных ливней космических лучей (КЛ), так и рассматриваемые в рамках рабочей гипотезы ЯАЧ движущиеся с нерелятивистскими астрономическими скоростями (V ~ 10 км/с).

Использование ФЭУ в экспериментальной установке для регистрации частиц КИ в ФТИ РАН выявило два взаимосвязанных аспекта их реакции на ядерно-активные излучения, послуживших основанием для выполнения данной работы:

Во-первых, была зафиксирована реакция ФЭУ-167 (фотокатод 100) на КЛ. Эффект этот известен более полувека [3], но многие его детали оставались не до конца понятными.

Во-вторых, было найдено [4], что некоторые экземпляры ФЭУ-167-1, повидимому, непосредственно сами, без сцинтилляторов и т.п. дополнительных элементов, реагируют на пролет через них низкоскоростных (V ~ 10 км/с) ЯАЧ.

Работа по созданию приборов для детектирования КИ велась в рамках и на базе рабочей гипотезы, предполагающей существование ЯАЧ, в том числе на основе ряда экспериментальных данных, полученных на довольно высоком уровне достоверности (см. Приложение 1).

Цели работы Основной целью диссертационной работы была разработка и исследование приборов для регистрации частиц КИ, имея в виду их возможное применение и для регистрации ЯАЧ. В соответствии с общей целью исследований были поставлены следующие основные задачи:

(1) Исследование реакции ВЭУ (и ФЭУ) на КИ.

(2) Формулирование на этой основе практических рекомендаций по применению и усовершенствованию ВЭУ.

(3) Создание рабочих образцов усовершенствованных ВЭУ для детектирования ЯАЧ.

(4) Практическое применение и испытание новых приборов для детектирования ЯАЧ.

Научная новизна В диссертации проведено систематическое исследование процессов возникновения сигналов в ВЭУ (и в ФЭУ) под действием КИ с выдачей практических рекомендаций.

Среди новых научных результатов, полученных в диссертации, отметим следующие:

1. Результаты изучения реакции ФЭУ на КЛ показывают, что часть фоновых сигналов ФЭУ обязана своим появлением сцинтилляционным процессам в их стекле, а не в фотокатоде или в динодной сборке.

2. Исследования сцинтилляционной реакции боросиликатных стеклянных входных светоприемных окон (экранов) ФЭУ-167 и К-содержащих экранов ФЭУ-167-1 показали, что экран ФЭУ действительно работает как сцинтиллятор (в ~ 102 раз менее чувствительный, чем пластмассовый (полистирол + 2% терфенил + 0.06% PОРОР)) вне зависимости от состава испытанных стекол.

3. По мере выявления новых аспектов реакции детектирующих элементов на частицы КИ проводилась целенаправленная модернизация экспериментального стенда.

4. На основе физических принципов взаимодействия ЯАЧ с веществом, изученных в ФТИ (эмиссия частиц в результате захвата атомного ядра ядерно-активной частицей), разработаны Темные вторичные Электронные Умножители ТЭУ-167, чувствительные к пролету (и направлению пролета - ТЭУ-167д) через них ЯАЧ.

5. Применение ТЭУ-167 и ТЭУ-167д позволило более чем на порядок уменьшить вклад фоновых КЛ в регистрируемые события, что повысило эффективность регистрации ядерно-активной компоненты (частиц) в КИ.

В процессе испытаний разработанных приборов удалось зарегистрировать в КИ поток ЯАЧ до f 1.510-7 см-2с-1.

Научная и практическая значимость Разработан вакуумный Темный вторичный Электронный Умножитель ТЭУ-167 (оформлен в виде Заявки на патент Российской Федерации №2008145004/28 Вакуумный электронный умножитель для регистрации частиц). Приборы ТЭУ-167 изготовлены малой серией ЗАО Экраноптические системы (г. Новосибирск).

С помощью приборов ТЭУ-167 проведены исследования КИ.

Зарегистрирован поток низкоскоростных (V 10-15 км/с) ЯАЧ частиц космического излучения f ~ 1.510-7 см-2с-1 с умеренным уровнем достоверности (C.L. = 84%).

Разработан вакуумный электронный умножитель ТЭУ-167д (оформлен в виде Заявки на патент РФ №2009148557/28 Вакуумный электронный умножитель для регистрации направленного движения ядерно-активных частиц). Приборы изготовлены малой серией ЗАО Экран-оптические системы.

С помощью приборов ТЭУ-167д проведены исследования КИ. На хорошем уровне достоверности (C.L. = 99.8%) в КИ зарегистрирован поток низкоскоростных (V 10-15 км/с) ЯАЧ.

Два прибора ТЭУ-167д отправлены в феврале 2010 г. для проведения совместного эксперимента в Университет Тор Вергата (Рим) заинтересовавшейся в них международной коллаборации DAMA, занимающейся экспериментальными поисками объектов ТМ. Приборы установлены и проходят испытания в детекторе Nemesis. В ноябре 2010 г.

DAMA высказала заинтересованность в получении еще 14 экземпляров ТЭУ167д.

Результаты исследования реакции ФЭУ на КЛ показывают, что часть фоновых сигналов ФЭУ обязана своим появлением сцинтилляционным процессам в их стекле.

Выявленные свойства ФЭУ-167 необходимо учитывать при выполнении любых прецизионных измерений с использованием также других типов ФЭУ и иных светочувствительных датчиков и приборов.

Практическое следствие: Предложено (и оформлено в виде Заявки на патент РФ №2009145046/28 Устройство для регистрации ядерных и фотонных излучений) изготавливать ФЭУ, и более общо - фоточувствительные электронные приборы, с входными окнами, выполненными из сцинтилляционно-активных стекол (материалов).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту 1. Создание стенда для исследования реакции ФЭУ-167 и ФЭУ-167-1 на КЛ и --излучения 60Co источника. Подтверждено, что основной причиной сигналов является генерация сцинтилляций в стеклах ФЭУ. Выявлено, что содержание в них калия не влияет на эффект. Дан ряд рекомендаций по уменьшению фоновых сигналов ФЭУ. Предложено создавать фотоэлектрические приборы с входными окнами из сцинтилляционно-активных материалов (Заявка на патент РФ №2009145046/28 Устройство для регистрации ядерных и фотонных излучений).

2. Создание прибора, предназначенного для регистрации отрицательно заряженных ядерно-активных частиц, вызывающих эмиссию многих электронов в результате захвата частицами Al ядер в его внутреннем покрытии (с выделением энергии до ~ 60 МэВ на акт). На базе ФЭУ-167 разработан (Заявка на патент РФ №2008145004/28 Вакуумный электронный умножитель для регистрации частиц), изготовлен в виде малой серии на заводе ЗАО Экран - оптические системы (г. Новосибирск) и испытан Темный вторичный Электронный Умножитель (ТЭУ-167) со сплошным толстым (~0.5 мкм) алюминиевым покрытием внутренней поверхности прикатодной секции стеклянной колбы, включая лицевой экран.

3. Создание прибора для регистрации, преимущественно, ЯАЧ, движущихся через вакуум его колбы в определенном направлении - от цоколя к экрану.

Разработан (Заявка на патент РФ №2009148557/28 Вакуумный электронный умножитель для регистрации направленного движения ядерно-активных частиц), изготовлен в виде малой серии на заводе ЗАО Экран - оптические системы и испытан новый тип Темного вторичного Электронного Умножителя ТЭУ-167д с толстым (~ 0.5 мкм) алюминиевым покрытием внутренней поверхности только лицевого экрана.

4. Создание многомодульного (до восьми модулей) компьютер-управляемого детекторного стенда для регистрации частиц КИ, в частности, для поиска гипотетических медленных (~10-30 км/с) ЯАЧ. Различные модификации модулей, использующие детектирующие элементы (сцинтиллятор ZnS(Ag), ФЭУ и ТЭУ), чувствительные к ЯАЧ, успешно испытаны как на высокой широте 60oN в ФТИ РАН в Санкт-Петербурге, так и в подземном низкофоновом эксперименте на низкой широте 40oN в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.

ичный вклад автора Основные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор общего направления исследований, обсуждение и постановка рассмотренных задач осуществлялась совместно с научным руководителем и соавторами работ.

Апробация результатов и публикации Результаты, вошедшие в диссертацию, были получены в период с 2002 по 2010 гг. и опубликованы в 7 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК, а также в тезисах 11 конференций. Список статей приведен в конце автореферата. Результаты работы представлялись на международных конференциях: л6th International Workshop on the Identification of Dark Matter (IDM2006) (Греция, 2004), Analytical Methods of Celestial Mechanics. Satellite Meeting for Festival to 300th birthday of Leonard Euler (Санкт-Петербург, 2007), л6th Intnl. Heidelberg Conference "Dark Matter in Astroparticle and Particle Physics (Dark 2007)" (Австралия, 2007), Intnl.

Conference "Problems of Practical Cosmology" (Санкт-Петербург, 2008), Международная научная конференция Астрономическая школа молодых ученых (Украина, 2009), л7th International Workshop "Ultra Cold & Cold Neutrons. Physics & Sources" (Санкт-Петербург, 2009), X-th International Conference УRelativistic Astrophysics, Gravitation and CosmologyФ (Украина, 2010), LX International Conference on Nuclear Physics УNucleus 2010. Methods of Nuclear Physics for Femto- and NanotechnologiesФ (Санкт-Петербург, 2010), на отечественных конференциях: Всероссийской астрономической конференции ВАК-2004 Горизонты Вселенной (Москва, 2004), Всероссийская Астрономическая Конференция (ВАК-2007) (Казань, 2007), Конференция (школа-семинар) по физике и астрономии для молодых ученых СанктПетербурга и Северо-Запада УФизика.СПбФ (Санкт-Петербург, 2009), а также докладывались на семинарах в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, ГАО РАН (Пулково) и ИАП РАН.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения, списка цитируемой литературы (включает 57 наименований) и двух Приложений.

Основной текст содержит 112 страниц, в том числе 17 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Поскольку диссертация посвящена выявлению ряда аспектов реакции ВЭУ (включая также ФЭУ) на частицы КИ, в Главе 1 представлена краткая история появления и развития электронных умножителей и их роли в развитии фундаментальной физики ХХ века, с одной стороны, а с другой - кратко обрисована ситуация с поиском объектов ТМ, которая явилась базой для выполнения настоящей работы и определила направление дальнейшего целенаправленного совершенствования электронных умножителей.

Отмечено, что идея многокаскадного (многодинодного) ВЭУ была высказана в СССР Л.А. Кубецким [5] в 1930 г. Она оказалась весьма плодотворной. Интересно, что сначала (с 1939 г.) ВЭУ применялись для регистрации (и счета) частиц ядерных излучений напрямую, и только в 1940 г.

были созданы собственно ФЭУ. ФЭУ с середины 1940-х годов стали в сборке со сцинтилляторами активно использоваться в ядерной физике.

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |    Книги по разным темам