Нейтронный детектор космического гамма-телескопа "ГАММА-400" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Тант Зин

• Тант Зин
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тант Зин

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

ГЛАВА. 1. Нейтронные детекторы в калориметрии

1.1. Калориметры в экспериментах физики высокой энергии

1.1.1. Гомогенные калориметры

1.1.2. Гетерогенные (самплинг) калориметры

1.2. Физические процессы, приводящие к рождению нейтронов в калориметрах

1.3. Методы отделения адронов от электронов

1.3.1. Отделение адронов от электромагнитных частиц с использованием ионизационного калориметра

1.3.2. Разделение каскадов от адронов и электромагнитных частиц по анализу распределения энерговыделения в калориметре

1.3.3 Использование нейтронных детекторов для отделения адронов от электромагнитных частиц

1.4. Существующие системы детектирования нейтронов для калориметрии

1.4.1 Ионизационный калориметр HERO для изучения первичных космических лучей

1.4.2 Нейтронный детектор в составе спектрометра ПАМЕЛА

1.4.3. Сцинтиллирующее оптоволокно PUMA

1.4.4 KARMEN, детектор нейтрино. Karlsruhe, West Germany

1.4.5. Сцинтилляционный детектор быстрых нейтронов с использованием

спектросмещающих волокон

2

1.4 .6. Комплекс научной аппаратуры «ГАММА-400» и применение нейтронного детектора в комплексе

1.4.6.1 Структура гамма-телескопа ГАММА-400

1.4.6.2. Принцип регистрация частиц и основные характеристики

1.4.6.3. Применение нейтронного детектора для выделения электрон-позитронной компоненты на фоне протонов

1.5. Применение математического моделирования при создании детекторов излучения

1.6 Результаты моделирования методом Монте-Карло нейтронных детекторов в калориметрии

1.6.1. Моделирование потока нейтронов прототипа нейтронного детектора ЖШСАЪ

1.6.2. Моделирование нейтронного детектора спектрометра ПАМЕЛА.. 44 1.7. Заключение

ГЛАВА.2. Расчетное моделирование откликов вариантов нейтронного детектора гамма - телескопа ГАММА-400, выбор

оптимальной конструкции детектора

2.1 Назначение и принцип регистрации нейтронного детектора в ГАММА-400

2.2. Ядерные реакции, применяемые для регистрации нейтронов

2.3. Основные предпосылки при проведении расчетных исследований откликов нейтронного детектора

2.4. Исследования откликов НД с использованием гелиевых счётчиков

2.5. Исследования откликов НД с пластмассовым сцинтиллятором и листами кадмия

2.6. Исследования откликов НД на основе кремниевого детектора и борного конвертора

2.7. Исследования откликов НД на основе пластмассового сцинтиллятора и борного конвертора

2.7.1 Детектор с покрытием из бора

2.7.2 Детектор с бором, введенным в состав пластмассового сцинтиллятора

2.8. Исследования откликов НД на основе детекторов с литиевым конвертором

2.9. Заключение

ГЛАВА.3. Экспериментальное обоснование работоспособности предлагаемых конструкций НД и корректности результатов расчетов

3.1 Экспериментальные исследования модели детектора с листовым кадмием

3.2. Сравнение результатов расчета и эксперимента

3.3. Физическая модель НД с борсодержащим сцинтиллятором

3.4. Заключение

ГЛАВА.4 Расчетное исследование пространственно-временного отклика нейтронного детектора в составе комплекса §атта-400

4.1 Энергетическое распределение нейтронов, рождающихся в калориметре и попадающих на НД

4.2. Временные распределения частиц, возникающих в НД

4.3. Пространственное распределение альфа-частиц, возникающих в НД 105 4.4 Заключение

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нейтронный детектор космического гамма-телескопа "ГАММА-400"»

Введение

Актуальность проблемы. Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирование во Вселенной является одной из важнейших астрофизических проблем XXI века. Использование гамма-астрономических методов для регистрации процессов аннигиляции и распада гипотетических частиц темной материи (слабовзаимодействующие частицы, вимп-частицы) - основной экспериментальный метод получения прямого ответа на существование частиц темной материи и их характеристик [1]. Гамма-излучение практически полностью поглощается в верхних слоях атмосферы Земли, поэтому гамма- астрономические наблюдения сегодня осуществляют за пределами атмосферы на ИСЗ, орбитальных станциях или космических аппаратах, направляющихся к другим планетам и за пределы солнечной системы. Научный комплекс «ГАММА-400» предназначен для получения данных для определения природы «темной материи» во Вселенной, развития теории происхождения высокоэнергичных космических лучей и физики элементарных частиц, исследования космического гамма-излучения в диапазоне высоких энергий, регистрации заряженных частиц космических лучей, поиска и исследования гамма-всплесков [1]. Сигнал от аннигиляции или распаде частиц темной материи можно ожидать в области энергии гамма-квантов 100 ГэВ и несколько выше. Информацию о процессах самоаннигиляции и распада частиц темной материи, кроме гамма-квантов, могут нести электроны и позитроны [1]. Поток протонов в космосе в 1000 раз больше потока электронов при энергиях больше 100 ГэВ и поэтому необходимо обеспечить выделение электронов на фоне протонов. Как электроны, так и протоны высоких энергий создают каскад в веществе гамма-телескопа, в основном, в калориметре. Но каскады отличаются по форме и составу частиц.

В научном комплексе «ГАММА-400» выделение электронов на фоне протонов планируется проводить по анализу поперечного развития каскада в калориметрах и стриповых детекторах, анализу продольного развития каскада во всех детекторах, а также, по количеству нейтронов, в основном возникающих при взаимодействии протонов в калориметре с помощью детектора нейтронов. Нейтронный детектор (НД) гамма-телескопа «ГАММА-400» предназначен для определения количества нейтронов, возникающих в веществе калориметра при прохождении частицы высокой энергии.

В настоящее время детекторов, позволяющих адекватно решить данную проблему, не существует из-за особенностей спектра нейтронов, их временного и пространственного распределения и ограничений по массе детектора нейтронов. Поэтому работа по разработке нейтронного детектора космического гамма-телескопа «ГАММА-400» и математическому моделированию его характеристик является актуальной научной задачей по созданию новых приборов для исследований в области экспериментальной ядерной физики.

Объект и предмет исследования

Рассмотрены варианты построения нейтронного детектора для гамма-телескопа «ГАММА-400», важным фактором является эффективность регистрации нейтронов и быстродействие используемого типа детектора, расчетным путем с применением пакета программ ОЕАМТ4 получены эффективности регистрации макетов детекторов различной конструкции. Экспериментально исследованы характеристики лабораторного макета НД. Проанализированы характеристики НД в составе телескопа с использованием его упрощенной схемы в пакете программ ОЕА>ГГ4.

Цель работы. Разработка физической модели детектора нейтронов в составе комплекса «ГАММА-400», предназначенного для разделения электромагнитных и адронных каскадов путём определения количества нейтронов, возникающих при прохождении частиц высокой энергии для обеспечения ре-жекции протонов, обоснование состава детектора и его характеристик. Для этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Провести анализ состава и временных характеристик падающего на детектор излучения.

• Разработать варианты построения нейтронного детектора.

• На основе математического моделирования провести сравнение характеристик различных вариантов построения нейтронного детектора.

• Выбрать оптимальный вариант построения нейтронного детектора, обеспечивающий возможность режекции адронных каскадов.

На основе математического моделирования получить пространственно-временное распределение нейтронов в каскадах различной природы, регистрируемых выбранной моделью нейтронного детектора. Научная новизна работы.

Разработанный нейтронный детектор, состоящий из чередующихся слоев замедлителя и быстродействующих борсодержащих сцинтилляторов с использованием оптоволоконного сбора света, позволяет проводить идентификацию электромагнитных и адронных каскадов по количеству и пространственно-временному распределению нейтронов с минимальным мертвым временем и коэффициентом режекции адронных каскадов от 50 до 10 в зависимости от энергии, регистрируемых протонов, электронов и фотонов в диапазоне энергий 25 - 1000 ГэВ.

Практическая значимость работы

Выбранная модель нейтронного детектора, благодаря малой длительности сигналов (15-20 не), позволяет значительно уменьшить просчёт нейтронов в адронных каскадах высокой энергии >100ГэВ и других импульсных нейтронных потоках высокой интенсивности (>750 нейтр./см2*с). Разработанная конструкция нейтронного детектора не содержит дефицитных материалов, таких как Не-3 и может быть применена при создании мониторов импульсных потоков нейтронов. Разработанный детектор нейтронов, благодаря оптоволоконному сбору света сцинтилляций, может быть изготовлен любых размеров и применен при создании мониторов для контроля перемещений ядерных материалов.

Автор выносит на защиту

1. Результаты математического моделирования отклика различных вариантов нейтронного детектора для гамма- телескопа «ГАММА-400».

2. Выбор варианта построения детектора для создания действующего образца нейтронного детектора.

3. Результаты математического моделирования пространственно-временного распределения регистрируемых нейтронов в каскадах различной природы.

4. Доказательство возможности разделения электромагнитных и адронных каскадов по количеству и пространственно-временному распределению нейтронов, регистрируемых составными частями нейтронного детектора с коэффициентом режекции от 50 до 10 в зависимости от энергии попадающих в телескоп протонов в диапазоне энергий от 25 до 1000 ГэВ

5. Результаты экспериментального исследования характеристик действующих образцов нейтронного детектора и их сравнения с результатов математического моделирования.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 86 наименований, содержит 121 страницу, в том числе 87 рисунков и 10 таблиц.

В первой главе диссертационной работы приведен литературный обзор по использованию калориметров в физике высокой энергии, применению информации о количестве возникающих в каскадах нейтронов для идентификации частиц в калориметрии. Калориметры играют важнейшую роль в современных экспериментах на ускорителях высокоэнергичных частиц и космических экспериментах. Заряженные частицы, падая в калориметр, начинают терять свою энергию, создавая каскад частиц. В каскаде рождаются различные частицы: протоны, нейтроны, электроны, позитроны, пионы и т.д. Дискриминация адронных и лептонных каскадов является одним из важнейших аспектов обработки экспериментальных результатов при калориметрии, как в астрофизике, так и в экспериментах на ускорителях. Режекция подобных событий представляет собой сложную проблему, так как каскады, вызванные адронами и электронами довольно сходны. Число нейтронов, возникающих в адронных каскадах, значительно больше числа нейтронов, образующихся в лептонных каскадах. Это явление играет существенную роль в идентификации частиц, особенно во внеатмосферных экспериментах. Стандартные методы дискриминации требуют полного развития каскада в калориметре и высококачественной детализации треков. Но для детекторов, использующихся в космосе, существуют серьезные ограничения по размеру, массе и энергопотреблению. Одним из возможных выходов из этой проблемы является использование легких и компактных инновационных нейтронных детекторов, в качестве вспомогательного дополнения калориметров при идентификации каскадов. С помощью нейтронных детекторов отличают леп-

10

тонный каскад от адронного по количеству образующихся в каскаде нейтронов. Обычно их помещают после обычного калориметра. Впервые нейтронный детектор в качестве дополнения калориметра с целью идентификации частиц был применен в Российско-итальянском проекте «РИМ-ПАМЕЛА». Идентификация частиц в калориметрах осуществляется совместным анализом информации от калориметра и нейтронного детектора.

В главе рассмотрены также методы математического моделирования методом Монте-Карло, использованном в расчётах различных вариантов конструкции нейтронного детектора, и представлены опубликованные результаты работ по моделированию откликов нейтронных детекторов в российской и зарубежной научной литературе.

Во второй главе приводятся результаты моделировании откликов вариантов конструкции нейтронного детектора (НД) гамма-телескопа вАММА-400. Расчеты проводили в пакете программ ОЕА1МТ4. В качестве расчетной модели использовали несколько вариантов построения нейтронного детектора, основанных на различных типах регистраторов медленных нейтронов. В расчётах учитывали наличие детектора утечки С4 в составе гамма-телескопа. Все конструкции НД имели в поперечный размер 80x80 см. Нейтроны в каскаде рождаются одновременно с большим количеством заряженных частиц и гамма-квантов. В силу этого регистрация нейтронов во всех вариантах конструкций НД основана на процессе замедления нейтронов. С учётом невозможности регистрации нейтронов в момент прохождения частиц каскада в большинстве расчётов учтен временный порог начала регистрации нейтронов, равный 1 мкс.

Рассмотрены варианты создания НД и их характеристики на основе гелиевых счетчиков, кремниевых полупроводниковых детекторов с борным конвертором, пластиковых сцинтилляторов с пластинами из кадмия, пласти-

11

ковых сцинтилляторов с борным конвертором, как в виде покрытия, так и с бором, введенным внутрь сцинтиллятора. В качестве перспективных, обладающих наибольшей эффективностью регистрации нейтронов модельного спектра и высокому быстродействию, выбраны модели с борсодержащим сцинтиллятором или светосоставом СЛ6-5, содержащим в равных пропорциях смесь ZnS(Ag) + 6ЫР, и дополнительным замедлителем нейтронов из полиэтилена.

Для дальнейших исследований выбрана модель НД, состоящая из трёх слоев (полиэтиленового замедлителя толщиной 1 см + борного сцинтиллятора толщиной 0,5 см) и одного слоя (полиэтиленового замедлителя толщиной 1 см + органического сцинтиллятора без бора толщиной 0,5 см), являющего антисовпадательной защитой от фоновых заряженных частиц из нижней полусферы. Выбранный вариант НД имеет эффективность регистрации нейтронов 16 % при использовании бора природного изотопного состава.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования характеристик макета нейтронного детектора и сравнения полученных результатов с расчетными для детектора с размерами и составом экспериментального макета. В качестве источника нейтронного излучения при проведении экспериментальных исследований служил импульсный нейтронный генератор с дейтериевой мишенью. Для детектирования потока нейтронов была создана физическая модель нейтронного детектора, состоящего из чередующихся слоев сцинтиллятора на основе полистирола толщиной 0,5 см (8 слоев) и листов кадмия толщиной 200 мкм (7 слоев). Размеры детектора - 24x20x4 см. Эффективность регистрации макета в эксперименте получена равной 1,2 ± 0,3%. В результате расчётов получено немного большее значение эффективности регистрации (1,7 ± 0,3%). Ход зависимостей совпадает. В расчетных исследованиях не учитывалась длительность импульса и распределение

12

количества нейтронов в нем. Количество нейтронов в импульсе определялось по показаниям монитора, поэтому возможно наличие неисключенной систематической погрешности.

В главе также рассмотрена конструкция и экспериментальные результаты по регистрации нейтронов моделью составной части НД на основе бор-содержащих сцинтилляторов.

В четвертой главе рассмотрены результаты расчетного исследования пространственно-временного отклика выбранной по результатам предыдущих исследований модели НД в составе комплекса ОАММА-400. Поток нейтронов, рождающихся в электромагнитных и адронных ливнях в калориметре гамма-телескопа, рассчитывался с использованием упрощённой схемы гамма-телескопа. Моделировали распределения нейтронов, рождающихся в калориметрах КК1 и КК2 и падающих в НД, и пространственные и временные распределения альфа-частиц, возникающих в НД за счёт (п,а) реакции в бор-содержащем сцинтилляторе нейтронного детектора.

Проведены расчёты для событий взаимодействия электронов с энергией Ес= 400 ГэВ, и протонов с энергией Ер= 1000 ГэВ, имеющих приблизительно одинаковые средние энерговыделения в калориметрах. Проанализированы временные распределения а- частиц, возникающих за счёт (п,а) реакции, протонов отдачи и электронов в сцинтилляторах НД. Для уменьшения вклада фоновых событий, предлагается выбрать начало счёта нейтронных событий не меньше 40 не после появления сигнала С1 и конец счёта не более 600-700 мкс.

Рассмотрены пространственные распределения альфа-частиц (регистрация нейтрона НД) в слоях борных сцинтилляторов НД при падении протона с энергией 1000 ГэВ и электрона с энергией 400 ГэВ. Пространственное и количественное распределение зарегистрированных нейтронов показывает

13

возможность разделения адронных и лептонных каскадов. Количество зарегистрированных нейтронов в адронном каскаде в 15 раз превосходит их число в электронном.

Проведено исследование эффективности регистрации нейтронов НД в зависимости от начала времени учета событий в различных каскадах. В электронном каскаде эффективность регистрации нейтронов меньше, чем в протонном. Это объясняется тем, что в каскаде, инициированным электроном, количество рождающихся нейтронов, имеющих энергию меньше 1 МэВ (60 %) меньше количества нейтронов с энергией меньше 1 МэВ в протонном каскаде (70%). Кроме того, выбранный вариант НД из-за небольшой толщины водородосодержащего материала регистрирует в основном нейтроны с энергией меньше 1 МэВ. Указанная особенность увеличивает различие в количестве зарегистрированных нейтронов в каскадах различной природы. Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были доложены на научных сессиях НИЯУ МИФИ 2008, 2011, 2012, 2013; Конференциях «Ломо-носов-2008», «Ломоносов-2011»; 8-ой, 9-ой и 10-ой Курчатовской молодёжной научной школах (2010, 2011,2012 гг.); 23rd European Cosmic Ray Symposium (and 32nd Russian Cosmic Ray Conference) Moscow, Russia, 2012.

Высокая степень достоверности результатов проведенных исследований, полнота изложения материалов диссертации, основные положения исследования отражены в 15 печатных работах, опубликованных соискателем. Одна работа опубликована без соавторов. Результаты, изложенные в остальных работах, получены при определяющем личном участии автора.

Основные положения диссертационной работы изложены в четырёх печатных работах в периодических научных изданиях, включённых ВАК РФ в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных

14

для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук:

1) Кадилин В.В, Деденко Г.Л, Тант Зин, Самосадный В. Т, Бритвич Г. И, Гавриков И.В, Исаков С.В, Оценка эффективности нейтронного детектора для измерения характеристик импульсных потоков нейтронов. // Ядерные измерительно-информационные технологии, (2012), т. 2(42), с. 4-8. (ISSN 1729-2689)

2) Кадилин В.В, Деденко Г.Л, Тант Зин. Расчетное моделирование эффективности регистрации нейтронного детектора гамма телескопа «ГАММА-400». // Ядерная физика и инжиниринг (математическое моделирование в ядерных технологиях), 2013, том 4, № 1, с. 83-90. (ISSN 2079-5629)

3) Кадилин В.В, Деденко Г.Л, Тант Зин. Расчетное исследование пространственно-временного отклика нейтронного детектора в составе комплекса «GAMMA-400». //Естественные и технические науки , 2012, № 6(62), с.37-40 (ISSN 1684-2626).

4) Dedenko G., Thant Zin, Kadilin V., Gavrikov I., Thyrin E., Isakov S. Comparison of calculation results of efficiency of neutron detection for model with silicon semiconductor detector and model with plastic scintillator for Gamma telescope Gamma-400. // Journal of Physics: Conference Series (n>CS), V.409, 012125, 2013. ( 23rd European Cosmic Ray Symposium (and 32nd Russian Cosmic Ray Conference) Moscow, Russia, mn-399, 2012. (ISSN 1742-6596)

Основные положения диссертационной работы изложены также в следующих сборниках материалов Российских и международных научных конференций, молодёжных научных школ:

5) Кадилин В.В, Бритвич Г.И., Гавриков И.В., Зебзеева И.В., Тант Зин, Экспериментальное исследование эффективности регистрации нейтронов нейтронного детектора для гамма-телескопа «ГАММА-400». // 8-ая Курча-

15

товская молодёжная научная школа, Сб. аннотации, Секция «Фундаментальные исследования», 2010, С. 174.

6) Кадилин В.В, Гавриков И.В., Тант Зин, Расчёт и выбор модели нейтронного детектора для гамма телескопа « ГАММА-400 ». // 8-ая Курчатовская молодёжная научная школа, Сб. докладов, Секция «Фундаментальные исследования», 2011, С.422-426.

7) Кадилин В.В., Самосадный В.Т., Бритвич Г.И., Деденко Г.Л., Зебзеева И.В., Гавриков И.В., Тант Зин, Нейтронный детектор для измерения характеристик импульсных потоков нейтронов. // Научная сессия НИЯУ МИФИ -2011, Аннотация докладов, Том 1, С. 195.

8) Кадилин В.В., Деденко Г.Л., Тант Зин, Гавриков И.В., Математическая модель нейтронного детектора гамма телескопа «ГАММА 400». // Научная сессия НИЯУ МИФИ - 2011, Аннотация докладов, Том 2, С. 106.

9) Кадилин В.В., Бритвич Г.И., Зебзеева И.В., Гавриков И.В., Тант Зин, Экспериментальные исследования характеристик макета нейтронного детектора для гамма-телескопа «ГАММА-400». // Научная сессия НИЯУ МИФИ -2011, Аннотация докладов, Том 2, С. 106.

10) Тант Зин, Сравнение расчетных результатов эффективности нейтронного детектора научного комплекса «ГАММА-400». // Конференция «Ломо-носов-2011», сб. тезисов, Секция «Физика», Подсекция «Астрофизика», С.8.

11) В.В.Кадилин, ГЛ. Деденко, Тант Зин, Расчёт эффективности регистрации нейтронов сцинтилляционного многослойного детектора с помощью пакета вЕАМТ4. // 9-ая Курчатовская молодёжная научная школа, Сб. аннотации работ, 2011, Москва, С.250.

12) В.В.Кадилин, Г.Л. Деденко, Тант Зин, Моделирование детектора быстрых нейтронов на основе гелиевых счётчиков. // 9-ая Курчатовская молодёжная научная школа, Сб. аннотации работ, 2011, Москва, С.251.

16

13) В.В.Кадилин, Г.Л. Деденко, Тант Зин, Расчётное моделирование эффективности регистрации нейтронного детектора гамма-телескопа «Гамма-400». // Научная сессия НИЯУ МИФИ - 2012. Аннотация докладов, Том 1, С. 190.

14) Г.Л. Деденко, В.В. Кадилин, A.A. Каплун, И.А. Мереминский, Тант Зин, Ю.Т Юркин. Расчетное исследование пространственно-временного отклика нейтронного детектора в составе комплекса «GAMMA-400». // Научная сессия НИЯУ МИФИ - 2013. Аннотация докладов, Том 1, С. 140.

15) Г.Л. Деденко, В.В. Кадилин, Ю.Т Юркин, И.А. Мереминский, Тант Зин. Расчетное моделирование нейтронного детектора гамма-телескопа «ГАММА-400». // Научная сессия НИЯУ МИФИ - 2013. Аннотация докладов, Том 2, С.89.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Тант Зин

Основные выводы

1. Изучены способы разделения электромагнитных и адронных каскадов в калориметрии, роль нейтронов при разделении каскадов, существующие системы детектирования нейтронов в калориметрии и применение математического моделирования при создании детекторов излучения.

2. Разработаны алгоритмические модели нейтронного детектора на основе многослойных конструкций замедлителей нейтронов и регистраторов медленных и тепловых нейтронов, таких как: гелиевые счетчики; кадмиевые конверторы в сочетании с пластическими сцинтилляторами; полупроводниковые кремниевые детекторы и пластические сцинтилляторы с борными покрытиями; пластические борсодержащие сцинтилляторы; органические светопроводы с нанесенным светосоставом на основе смеси 6LiF+ZnS(Ag). 3. Расчетным путем для модельного спектра нейтронов было показано, что эффективность регистрации нейтронов различных детекторов составляет:

• для гелиевых счётчиков в качестве регистратора медленных нейтронов и замедлителя из полиэтилена - 10% для счетчиков 032 мм и 16% для счетчиков 018,5 мм без учета мертвого времени. С учетом мертвого времени - 5% и 9%, соответственно.

• для детектора, состоящего из чередующихся слоев сцинтиллятора на основе полистирола и листов кадмия, - не более 2 %. Такая низкая эффективность регистрации нейтронов при достаточном быстродействии (~10 не) такой моделью объясняется тем, что сцинтилляционный детектор, выполненный из материала с малым атомным номером, имеет недостаточную толщину для эффективного взаимодействия с гамма-излучением (п,у) реакции в кадмии;

• для различных модификаций детектора на основе кремниевых детекторов и борного конвертора при применении бора, обогащенного до 80% изотопом В-10, - не более 4%;

• при применении борного конвертора, нанесенного на пластмассовый сцинтиллятор, - 4%;

• для детектора на основе многослойной комбинации замедлителя нейтронов и светосостава б1лР+2п8(А§) - 10%. С учетом малой длительности сигналов (40 не) и высокого световыхода (160000 фотонов/событие) модель перспективна для дальнейших исследований;

• при использовании борсодержащего пластмассового сцинтиллятора для бора природного состава - не менее 15% и не менее 24% для обогащенного бора.

4. Выбран оптимальный вариант построения нейтронного детектора по наибольшей эффективности регистрации нейтронов адронного каскада (>15%) и достаточному быстродействию (-50 не) на основе замедлителя, быстродействующих борсодержащих сцинтилляторов и оптоволоконного сбора света, обеспечивающий необходимый коэффициент режекции адронных каскадов.

5. Исследовано пространственное и временное распределение нейтронов, регистрируемых выбранной моделью детектора для гамма-спектрометра «Гам-ма-400». Получены параметры разделения адронных и электромагнитных каскадов по количеству и временному распределению зарегистрированных нейтронов. Коэффициент режекции р/е событий меняется от 10 до 50 в зависимости энергии каскада.

6. Изготовлено два варианта исполнения действующих образцов детектора нейтронов: на основе многослойного пластмассового сцинтиллятора с кадмиевыми конверторами и борсодержащего пластмассового сцинтиллятора с полиэтиленовым замедлителем и оптоволоконным сбором света на БЮЭУ. Результаты экспериментальных исследований показали хорошее согласие (с систематическим расхождением -1%) эффективностей регистрации нейтронов и совпадение хода зависимости эффективности регистрации от времени сбора событий для этих образцов.

Заключение

В результате проведенных исследований разработаны варианты построения нейтронного детектора гамма-телескопа ГАММА-400 с применением различных типов замедлителей и регистраторов медленных нейтронов и их взаимной компоновки, позволяющего по количеству зарегистрированных нейтронов отделить электромагнитный каскад, развивающийся в гамма-телескопе ГАММА-400 от адронного. Выбран оптимальный вариант состава и построения детектора по критериям наибольшей эффективности регистрации и быстродействию, обеспечивающему минимальное наложение событий регистрации нейтронов в моменты максимальной загрузки. В работе методом математического моделирования в пакете программ веап14 исследованы характеристики рассмотренных вариантов НД в составе гамма-телескопа и проведено сравнение с результатами экспериментов.

В частности, рассмотрены характеристики (эффективность регистрации и возможность раздельной регистрации нейтронов в условиях импульсного потока) следующих моделей построения НД:

1) с использованием гелиевых счётчиков в качестве регистраторов медленных нейтронов и полиэтиленовой пластины в качестве замедлителя;

2) чередующихся слоев сцинтиллятора на основе полистирола и листов кадмия;

3) слоев кремниевых детекторов альфа-частиц, борного конвертора медленных нейтронов в заряженные частицы и полиэтиленового замедлителя;

4) слоев пластмассового сцинтиллятора, борного конвертора и замедлителя из полиэтилена;

5) слоев на основе светосостава 6LiF+ZnS(Ag), нанесенного на светопровод, и замедлителя из полиэтилена;

6) слоев борсодержащего пластмассового сцинтиллятора и полиэтиленового замедлителя.

В заключение сформулируем основные результаты, полученные в ходе выполнения данной работы:

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тант Зин, 2013 год

Список литературы

1. Гальпер A.M. и др., Научные задачи и современное состояние проекта ГАММА-40. // Известия РАН, сер. физ. А., т. 75, с. 926-928, 2011.

2. Волобуев С.А., Гальпер A.M., Кириллов_Угрюмов В.Г.и др. Исследование первичного гамма-излучения с Е > 200 МэВ на ИСЗ с помощью искровой камеры. // Изв. АН СССР, Сер. Физ., Т. 34, № 11, С. 2259, 1970.

3. Fichtel С. et al. High-energy gamma-ray results from the second small astronomy satellite. //Astrophys. J., V.198, P. 163, 1975.

4. Bignami G. et al. The COS-B experiment for gamma-ray astronomy. // Space Sci. Instr., V.l, P.245, 1975.

5. Akimov V. et al. Determination of the characteristics of the gamma-ray telescope GAMMA-1. // Space Science Reviews. // Space Sci. Rev.,V.49, P. 125, 1988.

6. Kanbach G. et al. The project EGRET (Energetic Gamma-Ray Experiment Telescope) on NASA's gamma-ray observatory GRO. // Space Science Reviews, V. 49, P.69-84, 1988.

7. Tavani M. et al. The AGILE space mission. // Nucl. Instrum. Methods., A588, P.52, 2008.

8. Atwood W.B. et al. The large area telescope on the FERMI gamma-ray space telescope mission. // Astrophys. J., V.697, P. 1071, 2009.

9. Abdo A. et al, Fermi Large Area Telescope First Source Catalog. // Astrophys. J. Suppl., V.188, P.405, 2010.

10.Abdo A.A. et al. Fermi observations of TeV-selected active galactic nuclei. // Astrophys. J., V.707, P. 1310, 2009.

11.Wigmans R., On the role of neutrons in hadron calorimetry // Rev. Sci. Instrum, V.69, P.3723, 1998.

12.Behrens U., et al. Test Of The Zeus Forward Calorimeter Prototype - ZEUS Calorimeter Group Collaboration // Nucl. Instrum. Methods, A289, P. 115138, 1990.

13.Christian W., Fabjan and Fabiola Gianotti, Calorimetry for Particle Physics // CERN, 1211 Geneva 23, Switzerland, 2003.

H.Balka L., et al. The CDF Central Electromagnetic Calorimeter // Nucl. Instrum. Methods, A267, P.272, 1988.

15.Bertolucci S., et al. The CDF Calorimetry Upgrade for Run lib. // Nucl. Instrum. Methods, A267, P.301-314, 1988.

16.Adinolfi M., et al., The KLOE electromagnetic calorimeter. //Nucl. Instrum. Methods, A482, P.364-368 , 2002.

17.Antonelli A., et al. Construction and performance of the Lead-scintillating fiber calorimeter prototypes for the KLOE detector. // Nucl. Instrum. Methods, A354, P.352, 1995.

18.Decamp D., et al. ALEPH Collaboration // Nucl. Instrum. Methods, A294, P.121, 1990.

19.http://public.web.cern.cli/public/en/Research/LEPExp-en.html

20.Ferrari A., and Sala P. R. Physics processes in hadronic showers. // In Proceedings of the 9th International Conference on Calorimetry in High Energy Physics // Annecy, France, 2000, Frascati Physics Series 21, edited by B. Aubert et. al. (INFN, Frascati), P.31, 2001.

21.Gabriel T. A., et al., Uranium liquid-argon calorimeters: A calculational investigation. //Nucl. Instrum. Methods, A338, P.336, 1994.

22.Groom D. E., Review of particle physics. //In Proceedings of the 7th International Conference on Calorimetry in High Energy Physics, Tucson, AZ, edited by E. Chen, et al., (World Scientic, Singapore), P. 507, 1998.

23.Bottai S., Castellini G., Papini P., et al., An innovative approach to compact calorimetry in space, NEUCAL // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A617, P. 464-466, 2010.

24.Lawrence W. J., The Separations Between Hadrons And Electromagnetic Particles Using An Ionization Calorimeter // Nuclear Instruments And Methods, A144, P. 341-342, 1977.

25.Casolino M., Picozza P., Altamura F., Launch of the space experiment PAMELA // Adv. In Space Res., V.42, P. 455-466, 2008.

26.Papini P., Adriani O., Ambriola M., et al., In-flight performances of the PAMELA satellite experiment // Nucl. Instr. And Meth. In Phys. Res., A588, P. 259-266, 2008.

27.Karelin A.V., Vasilievy G.I., Voronov S.A., Galper A.M., et al., New High-Energy Cosmic-Ray Observatory (HERO) project for studying the high-energy primary cosmic-ray radiation // Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 196, P. 450-453, 2009.

28.http://pamela.roma2.infri.it/

29.A.M. Гальпер, Элементарные частицы и скрытая масса во Вселенной - одна из главных научных задач эксперимента «ПАМЕЛА». (http://www.federalspace.ru/main.php?id=133).

3 0. http ://aspect. dubna. ru/

31 .http://nucsafe.com/

32.Gemmeke H., Grandegger W., Maschuw R., Plischke P., Zeitnitz В., et al., Neutron detection efficiency of a large scintillation calorimeter // Nuclear Science Symposium, 34th, and Symposium on Nuclear Power Systems, 19th, San Francisco, CA, 1987 IEEE Transactions on Nuclear Science (ISSN 0018-9499), V. 35, pt. 1, p. 360-364, 1988.

33.Britvich G.I. et al., Search for new scintillators for high-energy resolution electromagnetic calorimeters // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res, A426, 1999.

34.Гальпер A.M., Топчиев Н.П., Материалы в обосновании принципиальных возможностей создания гамма-телескопа «ГАММА-400» // отчет по ОКР. - ФИАН, Москва, 2012г.

35.Galper A.M., et al., Advances and Space Research. // arXiv: 1201.2490, 2012.

36.A.M. Galper, et al., GAMMA-400 Space Observatory // Nuovo Cimento, V. 34 C, No. 3, P. 71-75, 2011.

37. Самарский А.А., Михайлов А.П., Математическое моделирование // M.: Наука. Физматлит, 1997.

38.Тарасевич Н.Н., Математическое и компьютерное моделирование. // -Вводный курс. -М. : Эдиториал УРСС, 2001.

39. http://ru.wikipedia.org/wiki/MCNP

40. http://mcnp.lanl.gov/

41.Лопаткин А. П. , Отчёт по инструкции использованию программы MCNP-4.1 для персонального компьютера // НИКИЭТД995.

42.Х-5 Monte Carlo Team, MCNP5 manual, MCNP — A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5 Volume I: Overview and Theory. // University of California, Los Alamos National Laborator, 2003.

43. http://www.fluka.org

44. Alfredo Ferrari, Paola R. Sala, Alberto Fass_o, Johannes Ranft, Fluka; a multi-particle transport code // GENEVA, 2011.

45.http://en.wikipedia.org/wiki/FLUKA

46.http://mcuproiect.ru/rinfo.html

47.http://ru.wikipedia.org/wiki / Майоров, Лев Васильевич

48.http://ru.wikipedia.org/wiki /Гомин, Евгений Алексеевич

49.http://calet.phvs.lsu.edu/#url%22

50.Shoji Т., et. al., The CALET mission for detection of cosmic ray sources and dark matter. // J. Phys. Conf. Ser. V.120, 062020, 2008.

51.Botta I., Castellini G., et al., An innovative approach to compact calorimetry in space, NEUCAL. // - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A617, P. 464^166, 2010.

52. Bellotti R., Boezio M., Volpe F., A particle classification system for the PAMELA calorimeter. //Astroparticle Physics, 22, P.431-438, 2005.

53.Malvezzi V., Performance of neutron detector and button trigger for the space instrument PAMELA // INFN and University of Rome, Italy, 2005.

54.Brun R. and Carminati F., // CERNProgram Library, W5013, P.427,1993.

55.Berman B. L. Atom. Data Nucl. Data Tabl. // V.15 (No. 4), 398, 1975.

56.Yuri I., Stozhko V., About separation of hadron and electromagnetic cascades in the pamela calorimeter. // International journal of modern physics, V. 20, No. 29, P. 6745-6748, 2005.

57.Крамер-Агеев Е.А., Лавренчик В.Н., Самосадный В.Т., Протасов В.П. -Эксперементальные методы нейтронных исследований // М.:Энергоатомиздат, 1990.

58. Knoll Glenn F. Knoll. Radiation Détection and Measurement 3rd. Third Edition

59. Практикум по компьютерному моделированию ядерных процессов с использованием библиотеки GEANT4 // Методические указания к лабораторным работам, Минск, 2007.

60. http://cern.ch/GEANT4/

61. GEANT4 physics reference Manual.

62. http ://root. cern. ch/drupal/content/users-guide

63.Зверев В.Г. Частное сообщение.

64.Кадилин В.В., Деденко Г.Л., Тант Зин, Моделирование детектора быстрых нейтронов на основе гелиевых счётчиков. // 9-ая Курчатовская молодёжная научная школа, Сб. аннотации работ, Москва, С.251, 2011.

65.Кадилин В.В., Деденко Г.Л., Тант Зин, Расчётное моделирование эффективности регистрации нейтронного детектора гамма-телескопа «Гамма-400». // Научная сессия НИЯУ МИФИ - 2012. Аннотация докладов, Том 1, С. 190.

66.http://t2.1anl.gov/data/data.html

67.Кадилин В.В, Деденко Г.Л, Тант Зин и др. Оценка эффективности нейтронного детектора для измерения характеристик импульсных потоков нейтронов. // Яде. Изм. Инф. Тех., т. 2, с. 4-8, 2012.

68.Кадилин В.В, Гавриков И.В., Тант Зин, Расчёт и выбор модели нейтронного детектора для гамма-телескопа « ГАММА-400 ». // 8-ая Курчатовская молодёжная научная школа, Сб. докладов, Секция «Фундаментальные исследования», С.422-426, 2011.

69.Тант Зин, Сравнение расчетных результатов эффективности нейтронного детектора научного комплекса «ГАММА-400». // Конференция «Ломоносов-2011», сб. тезисов, Секция «Физика», Подсекция «Астрофизика», С. 8.

70.Dedenko G. , Thant Zin, Kadilin V., Gavrikov I., Thyrin E., Isakov S., Comparison of calculation results of efficiency of neutron detection for model with silicon semiconductor detector and model with plastic scintillator for Gamma telescope Gamma-400. // 23rd European Cosmic Ray Symposium (and 32nd Russian Cosmic Ray Conference) Moscow, Russia, 2012. mn-399.

71.Бритвич Г.И., Васильченко В.Г., Гилицкий Ю.В. и друие, Прототип детектора нейтронов на основе борсодержащего пластичекого сцинтиллятора. // Препринт ИФВЭ 2004-9. -Протвино ,2004 -22с, 13 рисунке, библиогр.:33.

72.Кадилин В.В, Деденко Г.Л, Тант Зин, Расчетное моделирование эффективности регистрации нейтронного детектора гамма телескопа «ГАММА-400». // Ядерная физика и инжиниринг, том 4, № 1, с. 1-8, 2013.

73.Кадилин В.В, Деденко Г.Л, Тант Зин, Расчёт эффективности регистрации нейтронов сцинтилляционного многослойного детектора с помощью пакета GEANT4. // 9-ая Курчатовская молодёжная научная школа, Сб. аннотации работ, 2011, Москва, С.250.

74.Кадилин В.В, Деденко Г.Л, Тант Зин, Расчетное исследование пространственно-временного отклика нейтронного детектора в составе комплекса «GAMMA-400». // Естественные и технические науки , 2012, №6.

75.Ю.В. Стенькин, Д.Д. Джаппуев, Х.Ф. Вальдес-Галисия, Нейтроны в широких атмосферных ливнях. // ЯФ. 2007. Т. 70. №6. С. 1123.

76.Ю.В. Стенькин и др. Нейтроны в ШАЛ. // Изв. РАН. Сер. физ. 2007. Т. 71. №4. С. 558

77.Стенькин Ю.В., Исследование нейтронной компоненты широких атмосферных ливней как новый метод изучения космических лучей сверхвысоких энергий. // автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук. (http://www.inr.ru/rus/referat/stenkin.pdf)

78.Д.М. Громушкин, О.Б. Щеголев, Исследование вариаций тепловых нейтронов вблизи поверхности Земли. // Конференция «Ломоносов-2011», Секция «Физика», Подсекция «Геофизика». ( http://lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov 201 l/1289/1289.pdf)

79.http://kuraraypsf.jp/psf/ws.html

80.Border P. et al. A large liquid scintillator detector for a long baseline neutrino oscillation experiment. //Nucl. Instrtum. Methods, A463, P. 194, 2001.

81.Benussi L. et al. Large liquid-scintillator trackers for neutrino experiments. // Nucl. Instrtum. Methods, A488, P.503, 2001.

82.Nakamura Т., Kawasaki Т., Hosoya Т., Toh K., Ebine M., Birumachi A., A wavelength-shifting-fibre-based scintillator neutron detector implemented with the median point calculation method // the 9th international conference on position sensitive detectors, Aberystwyth, U.K., 2011.

83.http://energosila.com/catalog/element.php?ID=42685

84. www.priborelektro.ru/price/G5-88.php4?deviceid=261

85.Кадилин B.B, Бритвич Г.И., Гавриков И.В., Зебзеева И.В., Тант Зин, Экспериментальное исследование эффективности регистрации нейтронов нейтронного детектора для гамма-телескопа «ГАММА-400». // 8-ая Курчатовская молодёжная научная школа, Сб. аннотации, секция «Фундаментальные исследования», С. 174, 2010.

86.Кадилин В.В., Бритвич Г.И., Зебзеева И.В., Гавриков И.В., Тант Зин, Экспериментальные исследования характеристик макета нейтронного детектора для гамма-телескопа «ГАММА-400». // Научная сессия НИЛУ МИФИ - 2011, Аннотация докладов, Том 2, С. 106.