Рис.13. Зависимость светового выхода кристалла СаМоО4 от температуры при облучении -частицами от радиоактивного источника 238Рu (Еб ~ 5,5 МэВ)
В пятой главе выполнен расчет ожидаемой чувствительности полномасштабного эксперимента в зависимости от концентрации радиоактивных примесей. Вклад фона принято характеризовать величиной индекса фона равного фону в единицу времени на единицу энергии и на единицу массы детектора. Индекс фона имеет размерность (отсчет/кэВ/кг/год) в исследуемой области.
Для определения индекса фона в зависимости от сцинтилляционных характеристик кристалла и чистоты материалов по отношению к радиоактивным примесям были проведены детальные расчеты методом Монте-Карло спектров фона от различных естественных радиоактивных источников (214Bi и 208Tl). На основе этих результатов получена искомая зависимость индекса фона для одиночного кристалла и сборки кристаллов СаМоО4 общей массой 20 кг.
Современные требования для установок нового поколения для измерения двойного бета-распада требует индекса фона порядка 0,01(кэВкггод)-1. Показано, что для достижения индекса фона 0,01 отсчет/год/кг/ кэВ допустимое содержание изотопов 214Bi и 208Tl (от 238U и 232Th рядов) в кристалле не должно превышать 20 мкБк/кг.
Измерения содержание радиоактивных изотопов в исходных материалах и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоО4 было проведено на подземном низкофоновом полупроводниковом спектрометре.
Спектрометр расположен в подземной низкофоновой камере БНО ИЯИ РАН на глубине 660 м в.э. Фон космических лучей на данной глубине снижен толщей земли в ~2000 раз. Фон гамма-квантов естественной радиоактивности в рабочем помещении снижен в 200 раз по сравнению с голой выработкой путём использования при строительстве низкофонового бетона на основе дунита и засыпки из дунитового гравия. В рабочем помещении размещена дополнительная низкофоновая защита, состоящая из 8 см борированного полиэтилена + 23 см Pb + 12 см Cu. В центре медного блока защиты имеется прямоугольная полость размерами 30х30х30 куб. см, в которой располагаются головные части трёх низкофоновых полупроводниковых детекторов из сверхчистого германия. Масса каждого детектора около 1 кг.
Измерено содержание радиоактивных изотопов 40К,228Ac=(232Th), [(232Th)]*208Tl ,214Bi=(238U) в исходных материалах кристалла и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоО4.
В табл.2 представлены результаты определения удельной активности радиоактивных изотопов в различных компонентах материалов кристалла СаМоО4 на разных стадиях очистки.
Таблица 2.Активность радиоактивных изотопов в исследованных образцах (Бк / кг) Пределы установлены на 95% уровне достоверности (у.д.)
|
Образец, материал |
Изотопы |
||||
|
40К |
228Ac=(232Th) |
[(232Th)]*208Tl |
214Bi=( 238U) |
||
|
Активность радиоактивных изотопов |
|||||
|
1.Шихта А1. ~CaMoO4 |
(2,7±0,5)•10-1 |
(5,3±1,9)•10-2 |
(1,3±0,3)•10-2 [(3,6±0,8)•102] |
3,07±0,05 |
|
|
2. Шихта А2. ~CaMoO4 |
(4,7±0,5)•10-1 |
(2,6±1,4)•10-2 |
(1,9±0,3)•10-2 [(5,3±0,8)•10-2] |
3,51±0,04 |
|
|
3. Шихта B. ~CaMoO4 |
(3,6±0,4)•10-1 |
?7,1•10-3 |
(2,8±1,5) •10-3 [(7,8±4,2)•10-3] |
(7,8±1,1)•10-2 |
|
|
4.Монокристалл СаМоО4 из В. |
(2,0±0,8)•10-2 |
?5,6•10-3 |
?1,4•10-3 [?3,9•10-3] |
?2,2•10-3 |
|
|
5.Формиат кальция Ca(HCOO)2 |
?7,0•10-3 |
?3,0•10-3 |
?8,9•10-4 [?2,5 •10-3] |
?1,7•10-3 |
|
|
6.Оксид молибдена 100МоО3 |
(5,3±0,8)•10-2 |
?3,8•10-3 |
?1,0•10-3 [?2,8•10-3] |
?2,3•10-3 |
|
|
7. 40CaCO3 |
(7,3±3,1)•10-2 |
(1,6±0,2)•10-1 |
(4,4±3,6)•10-3[(1,2±1,0)•10-2] |
2,6±0,2)•10-1 |
Из сравнения образцов шихты для выращивания кристаллов (№ 1-3) и кристаллов, изготовленных из исходных материалов, очищенных разными способами, видно, что правильный подбор процедуры предварительной очистки компонентов шихты позволяет получить существенное снижение содержания радиоактивных изотопов в продукте. Достигнуто снижение содержания 40К не менее 10 раз; 232Th - не менее, чем в 2 раза; 238U - не менее, чем в 30 раз.
сцинтилляционный кристалл радиоактивный
Основные результаты работы
Основные результаты, полученные в диссертации следующие:
· При участии диссертанта разработаны и созданы измерительные установки для исследования временных и амплитудных параметров сцинтилляционных кристаллов СаМоО4.
· Разработана установка для измерения параметров кристалла СаМоО4 вплоть до -100 градусов Цельсия.
· Создано программное обеспечение для оцифровки и обработки полученных результатов.
Получены следующие физические результаты:
1. Измерены временные параметры сцинтилляционной вспышки кристалла СаМоО4.
2. Впервые обнаружен сложный многоэкспоненциальный характер сцинтилляционного свечения СаМоO4 при облучении -частицами и -квантами в диапазоне (0-120мкс), измеренная при помощи медленного и быстрого время-цифровых преобразователей. Основной вклад в полный световыход кристалла вносят медленные компоненты с постоянными временами высвечивания: от 1 мкс до 15,8 мкс для -квантов и -частиц.
3. Впервые обнаружены быстрые компоненты сцинтилляционного свечения кристаллов СаМоO4 при комнатной температуре, при облучении -частицами (238Рu) и -квантами (137Cs) в области времен 12-46 нс.
4. Измерен спектр излучения кристалла СаМоО4. Показано что спектр простирается от 400 нм до 700 нм, с максимумом в диапазоне длин волн 540-570 нм.
5. Измерен показатель преломления кристалла СаМоО4. Кристалл имеет довольно высокий показатель преломления в диапазоне длин волн 520-650 нм: n = 2,10 0,10.
6. Исследован абсолютный световой выход кристалла СаМоО4. Он составляет при комнатной температуре 22°С, ~2600 фотонов/МэВ
7. Измерено б/в-отношение для кристалла СаМоО4 б/в =0,25.
8. Исследована температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла СаМоО4 в диапазоне температур от - 100 0C до +23 0C. При этом длительность импульса возрастает примерно в 2 раза, а световой выход увеличивается в 2,5 раза. Таким образом, максимальный световой выход составляет не менее 6500 фотонов/МэВ.
9. Выполнен расчет зависимости ожидаемого предела на периода безнейтринного двойного бета распада 100Мо в зависимости от содержания радиоактивных примесей в кристалле СаМоО4 Показано, что для достижения индекса фона 0,01 отсчет/год/кг/ кэВ допустимое содержание изотопов 214Bi и 208Tl (от 238U и 232Th рядов) в кристалле не должно превышать 20 мкБк/кг.
10. Измерено содержание радиоактивных изотопов 40К, 228Ac (232Th), 208Tl (232Th) ,214Bi (238U) в исходных материалах кристалла и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоО4 . Показано, что правильный подбор процедуры предварительной очистки компонентов шихты позволяет получить существенное снижение содержания радиоактивных изотопов в продукте не менее чем в 50 раз.
11. Показано, что полученные результаты обеспечат верхний предел для времени жизни измеряемого двойного бета-распада порядка T 1/2 = 7,3•1025 лет для первой фазы полномасштабного эксперимента.
Основные публикации по теме диссертации
1. Барабанов И.Р., Вересникова А.В. и др. “ Измерение кривой высвечивания сцинтиллятора СаМоО4” Препринт ИЯИ-1184/2007.
2. Veresnikova A. V., et al., “Large volume scintillation crystals” Nuclear Science, IEEE Transactions on Volume 55, Issue 3, 2008, p. 1473 - 1475.
3. Барабанов И. Р.,Вересникова А.В., и др “Исследование кинетики сцинтилляционного свечения кристалла СаМоО4” ПТЭ, №1, 2009, с.41-45
4. Veresnikova A.V., et al., "Fasts scintillation light from CaMoO4 crystals” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 603, Issue 3, 21 May 2009, p. 529-531
5. Барабанов И.Р., Вересникова А.В. и др “ Содержание радиоактивных изотопов в исходных материалах и в готовом сцинтилляционном кристалле СаМоО4 по данным подземного низкофонового полупроводникового спектрометра ” Препринт ИЯИ- 1237/2009.
6. Барабанов И.Р., Вересникова А.В. и др “ Регистрация безнейтринного двойного ,бета - распада 100Mo с помощью сцинтилляционных кристаллов СаМоО4” Препринт ИЯИ- 1238/2009.