СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРИННЫХ ПОТОКОВ Российский патент 2000 года по МПК G01T1/00 G01T1/16 

Предлагаемое изобретение относится к области ядерной физики и физики элементарных частиц, в частности к измерению ядерных излучений.

Известны ядерно-физические способы регистрации нейтринных потоков [1-4]. В этих способах регистрируют скорость образования радиоактивных ядер в нейтринных мишенях, на которые воздействуют нейтринные потоки, например, потоки нейтрино от Солнца или специально созданного источника нейтрино. В известных способах регистрации используют нейтринные мишени, содержащие один или несколько типов ядер, с естественным содержанием стабильных изотопов в них. Например, в нейтринной мишени, используемой в хлораргонном нейтринном детекторе, в качестве рабочего вещества используется жидкий перхлорэтилен C₂Cl₄, т. е. вещество, содержащее ядра углерода и хлора. Изотопы углерода и изотопы хлора-35 составляют большую часть изотопов этой нейтринной мишени. Однако для регистрации нейтринных потоков в указанной нейтринной мишени используются только изотопы хлора-37, которые удобно называть исходными рабочими изотопами нейтринной мишени. В галлиевом нейтринном детекторе [2, 4] в качестве рабочего вещества нейтринной мишени используют раствор GaCl₃-HCl. Ядро галлия имеет два стабильных изотопа: ⁶⁹Ga и ⁷¹Ga. В качестве исходного рабочего изотопа нейтринной мишени в этом детекторе используют изотопы ⁷¹Ga. Для проверки эффективности способа детектирования нейтринных потоков галлиевой нейтринной мишенью использовали нейтринные потоки от нейтринного источника, созданного на основе радиоактивных изотопов хрома-51 [4].

В прототипе [4] в качестве исходных рабочих изотопов нейтринной мишени используют стабильные изотопы. Регистрируют скорость образования радиоактивных изотопов, имеющих на единицу больший положительный заряд и тоже количество нуклонов, что и исходные стабильные рабочие изотопы нейтринной мишени. В этом способе используется реакция захвата нейтрино исходным рабочим изотопом нейтринной мишени. В этой реакции, из исходного изотопа NZ

A, имеющего заряд "Z" и количество нуклонов "N"; в результате захвата нейтрино ν_e образуются электрон и радиоактивное ядро _z+1N_A имеющее N-нуклонов и положительный заряд Z+1, т.е. заряд на единицу больший относительно заряда исходного рабочего стабильного изотопа z^NA.
ν_e+NZA _→ NZ+1A+e^- (1)
В хлораргонном детекторе солнечных нейтрино в качестве рабочих изотопов нейтринной мишени используются стабильные изотопы хлора-37, а измеряется скорость образования радиоактивных изотопов аргона-37.

ν_e+3717

Cl _→ 3718Ar+e^- (2)
Количество нуклонов в радиоактивном изотопе аргона-37 равно количеству нуклонов в изотопах хлора-37. Заряд изотопов аргона-37 на единицу больше заряда изотопов хлора-37. Существо способа детектирования нейтрино в этом случае состоит в измерении скорости образования радиоактивных изотопов аргона-37 в результате захвата нейтрино. В известном хлораргонном детекторе вес рабочего вещества нейтринной мишени (жидкого перхлорэтилена) составляет около 615 тонн [2]. В этом детекторе в результате воздействия солнечных нейтрино в среднем появлялся один атом аргона-37 в течение двух суток. При большом объеме нейтринной мишени и времени регистрации нейтрино чувствительность используемого детектора невелика. Примерно такую же чувствительность и размеры имеет галлиевый нейтринный детектор [4]. В этом детекторе в качестве исходных ядер используют изотопы галлия-71, а образуются изотопы германия-71, имеющие то же количество нуклонов, что и изотопы галлия-71.

ν_e+7131

Ga _→ 7132Ge+e^- (3)
Реакция (3) позволяет детектировать нейтрино с несколько меньшей энергией, чем реакция (2). Порог реакции детектирования нейтрино в галлиевом детекторе равен E_пор=0,233 Mev. Известны возможности использования в качестве исходных рабочих ядер нейтринной мишени стабильных изотопов ⁷Li, ⁴⁰Ar, ⁸¹Br, ⁹⁸Mo, ¹²⁷J, ²⁰⁸Te и других [2].

Недостатком известного способа регистрации нейтринных потоков является то, что детекторы, основанные на этом способе, имеют большой вес и размеры и чрезвычайно низкую чувствительность. Это обусловлено тем, что вероятность образования радиоактивных ядер, имеющих то же число нуклонов, что и исходное рабочее ядро нейтринной мишени, чрезвычайно мала.

Низкая чувствительность, большие размеры и вес нейтринных детекторов, использующих известный способ детектирования нейтрино, сдерживают развитие физики нейтрино и использование нейтрино в информационных каналах и технологических процессах.

В предлагаемом способе регистрации нейтринных потоков решалась техническая задача повышения чувствительности детекторов нейтрино, уменьшения их размеров и веса, а также расширения диапазона энергий регистрируемых нейтрино в сторону низких энергий.

Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе измеряют скорость образования в нейтринной мишени радиоактивных ядер, имеющих больший на единицу заряд и меньшее на два нейтрона количество нуклонов относительно количества нуклонов в исходных рабочих изотопах нейтринной мишени, о наличии нейтринного потока судят по скорости образования этих радиоактивных изотопов. В предлагаемом способе регистрации нейтринных потоков используют процессы, в которых в результате захвата нейтрино исходным рабочим изотопом нейтринной мишени и последующего радиоактивного процесса образуется не две частицы, как это имеет место в известном способе детектирования, а три или более частиц. Примером такого процесса могут служить реакции, в которых в результате захвата нейтрино образуются электроны, динейтроны (²n), а так же ядра, имеющие больший на единицу положительный заряд и меньшее на два нуклона число нуклонов по сравнению с их числом в исходных изотопах.

ν_e+NZ

A _→ N-2Z+1A+²n+e^- (4)
Существенным признаком предлагаемого изобретения, отличающего его от прототипа, является то, что в предлагаемом способе измеряется скорость образования радиоактивных ядер, общее число нуклонов в которых отличается от общего числа нуклонов в исходных рабочих изотопах нейтринной мишени на два нуклона.

В качестве примера рассмотрим процессы, инициируемые нейтрино в германиевых диодах низкофоновых гамма-спектрометров. В этом случае нейтринной мишенью является непосредственно германиевый диод гамма-спектрометра. В качестве исходного рабочего ядра нейтринной мишени можно использовать изотопы ⁷³Ge. В соответствии с реакцией (4) в германиевом диоде образуются изотопы мышьяка-71.

ν_e+7332

Ge _→ 7133As+²n+e^- (5)
Существо способа регистрации нейтринных потоков в этом примере состоит в регистрации скорости образования радиоактивных изотопов мышьяка-71. Это возможно сделать несколькими способами. В реакции (5) изотопы ⁷¹As образуются в возбужденных состояниях. Поэтому возможно регистрировать гамма-кванты, образующиеся в результате переходов между ядерными квантовыми уровнями изотопов ⁷¹As. Возможно регистрировать гамма-кванты, возникающие в результате радиоактивного превращения мышьяка-71 в изотопы германия-71.

⁷¹As+e^-_→ ⁷¹Ge+ν_e (6)
⁷¹As _→ ⁷¹Ge+e⁺+ν_e (7)
Из анализа фоновых спектров низкофоновых германиевых гамма-спектрометров [6-13] возможно увидеть, что упомянутые два способа измерения скорости образования изотопов ⁷¹As могут быть реально использованы для регистрации потоков нейтрино.

Вес нейтринной мишени хлораргонного нейтринного детектора составляет около 615 тонн [2], а вес германиевого диода составляет около 1 кг. Легко получить, что использование германиевого спектрометра как нейтринного детектора позволяет уменьшить вес нейтринного детектора более чем на пять порядков.

Для регистрации нейтрино, согласно предлагаемому способу, необходимо регистрировать скорость образования радиоактивных изотопов мышьяка-71 и/или других изотопов, образующихся в результате захвата динейтронов. Имеющиеся данные позволяют нам утверждать, что именно эти реакции обнаружены в фоновых спектрах германиевых гамма-спектрометров, расположенных на уровне моря [10-13] и на околоземной орбите на высоте 500 км. [6,8].

Имеющиеся данные позволяют получить оценки чувствительности нейтринных детекторов, использующих предлагаемый способ регистрации нейтринных потоков. Эксперименты, имеющие целью изучение фоновых спектров низкофоновых гамма-спектрометров, позволяют дать заниженную оценку чувствительности нейтринных детекторов. Согласно известных данных [12, 13], скорость образования изотопов ⁷¹Ge на уровне моря составляет около одного отсчета за 1000 секунд. Можно утверждать, что чувствительность нейтринного детектора, использующего германиевые гамма-спектрометры, не менее чем на два порядка превышает чувствительность хлораргонного нейтринного детектора, в то время как различие в весе этих детекторов составляет около пяти порядков.

Сведения, подтверждающие реальность реакций, используемых в предлагаемом способе.

В основе предлагаемого изобретения используются данные, свидетельствующие, что имеют место реакции с участием нейтрино, сечение которых на много порядков превышает сечения известных реакций нейтрино. Одной из таких не известных ранее реакций является реакция (4), в которой в результате захвата нейтрино образуются электроны, динейтроны и изотопы, отличающиеся от исходных на единицу большим зарядом и меньшим на две единицы количеством нуклонов. Такого типа реакции не были известны ранее. Существовали сомнения в реальности процессов с участием динейтронов. В последние годы получены данные, свидетельствующие о существовании процессов образования динейтронов [14-25].

Существенное значение при решении вопроса о существовании реакций (4) являются не только данные о существовании динейтронов, но и данные о спине динейтронов в основном и первых двух возбужденных состояниях, полученные впервые в 1998 г. в работе [14].

О существовании реакций (4) свидетельствует значительное число данных, полученных методами низкофоновой гамма-спектроскопии. Например, обнаружено, что в веществах, содержащих изотопы ⁷³Ge; ⁷⁶Ge образуются соответственно изотопы ⁷¹As; ⁷⁴As [6].

Известно, что в германиевые диоды внедряются небольшие количества изотопов лития и бора, а в фоновых гамма-спектрах германиевых спектрометров обнаружены радиоактивные изотопы ⁹Li и ¹³B [11]. Эти данные согласуются с точкой зрения, что в германиевых диодах в результате реакции (5) образуются динейтроны, которые частично захватываются изотопами ⁷³Ge, а частично изотопами ⁷Li и ¹¹B
⁷Li+²n _→ ⁹Li+γ (8)
¹¹B+²n _→ ¹³B+γ (9)
Указанные и другие данные, полученные методами гамма-спектроскопии на околоземной орбите, на уровне моря, а также в подземных лабораториях, дают основание считать, что часть фоновых спектров германиевых гамма-спектрометров обусловлена нейтринными воздействиями. Это свидетельствует о высокой эффективности и реальности предлагаемого способа регистрации нейтринных потоков.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. М. А. Рудерман Нейтрино и астрофизика. Стр. 168-265 в сборнике "Нейтрино" серия: Современные проблемы физики. Из-во "Наука", М., 1970 г.

2. Дж.Бакал "Нейтринная астрофизика". Из-во "Мир", М., 1993 г.

3. Ф. Боум, П.Фогель "Физика массивных нейтрино". Из-во "Мир", М., 1990 г.

4. W.Hampel et al. Gallex solar neutrino observations Phys. Lett B.388, p.384-396 (1996).

5. Д. С. Баранов, В.И.Муромцев, Н.В.Самсоненко Космофизические процессы образования радиоактивных изотопов германия ⁷¹Ge, ⁷⁵Ge, ⁷⁷Ge. Тезисы доклада на Международном совещании по физике атомного ядра. Стр. 27. Москва, 16-19 июня 1998, г. Санкт-Петербург, 1998.

6. W.A.Wheaton, A.S.Jacobson, J.C.Ling, W.A.Mahoney and L.S.Varnell. The HEAO-3 background: spectrum observer by a large germanium spectrometer in low earth orbit. AIP Cunf. Pros. 186. eds AS. Rester and Yl Trombka AIP New York 1989.

7. J. C. Roy, J.E.Cote, R.W.Durham, S.R.Joshi A study of the indium and germanium photopeaks in the background spectra of Ge spectrometers with a passive shie J. Radioanal. Nucl. Chem. 130, 221 (1989).

8. N.Gehrels Isotopically enriched germanium detectors for astrophysical gamma-ray spectroscopy. Nucl. Instr. and Meth. A 292, 505-516 (1990).

9. R. L.Brodzinski, H.S.Miley, J.H.Reeves, F.T.Avignone, 3. Further reduction of radioactive backgrounds in ultrasensitive germanium spectrometers. Nucl. Instr. and Meth. A792, 337-342 (1990).

10. R.M.Lindstrom, D.J.Lindstrom, L.A.Slaback, J.K.Langland A low-backgraund gamma-ray assay laboratory for activation analysis. Nucl. Instr. and Meth. A299, 425-429 (1990).

11. G. Heusser Cosmic ray-induced background in Ge-spectrometry. Nucl. Instr. and Meth. B83, 223-228 (1993).

12. J.Bourlat, J.C.Millies-Lacroix, D.Abt Measurement of low-level radioactivity in the Modane underground laboratory. Nucl. lnstr. and Meth. A339, 309-317 (1994).

13. J. Laurec, X.Blanchard, F.Pointurier, A.Adam. A new low background gamma spectrometer equipped with an anti-cosmic device. Nucl. Inst. and Meth. A369, 566-571 (1996).

14. Д.В.Александров, Е.Ю.Никольский, Б.Г.Новицкий, Д.Н.Степанов, Р.Вольски Существуют ли возбужденные состояния в системе двух нейтронов? Письма в ЖЭТФ, т. 67, вып. 11-12, стр. 860-865 (1998).

15. Masakatsu Sakisaka, Michio Tomita. Experiments on the Possible Existence of a Bound Dineutron. J.Phys. Soc. Japan v 16, p 2597-2598 (1961).

16. N.Feather. Properties of a Hypotetical di-Neutron. Nature, v. 162, N 7, p. 213 (1948).

17. О. В.Бочкарев, А.А.Коршенинников, Е.Л.Кузьмин и др. Эмиссия динейтрона из возбужденного состояния ядра ⁶He. Письма в ЖЭТФ, т. 42, вып.7, стр. 303-305 (1985).

18. Kamal К Seth and Brett Parker. Evidence for Dineutrons in Extremly Neutron-Rich Nuclei. Phys. Rev. Lett., v. 66, N 19, pp. 2448-2457 (1991).

19. Ю.А.Истомин, К.А.Калиев, В.Ю.Истомин Экспериментальное доказательство существования динейтронов. Стр. 311-330 в сб. Труды Международного симпозиума "Холодный ядерный синтез и новые источники энергии". Минск. Беларусь. 24-26 мая 1994 г.

20. Akira Katase, Masao Seki, Tsunakazu Akioshi, Atsushi Yoshimura, Masateru Sonoda. Experiments on the Existence of Di - neutrons. J. Phys. Soc. Japan 17, 1211-1212 (1962).

21.F.W.Fenning, F.R.Holt. Possible Emission of the Dineutron in Fission. Nature, v. l65, p. 722 (1950).

22. C. Detraz. Possible existence of bound neutral nucley. Phys. Lett., v. 66B, N 4, p. 333-336 (1977).

23. B. L. Cohen, T.H.Handley. An Experimental Search for a Stable Dineutron. Phys. Rev. v. 92, N 1, p. 101-102 (1953).

24. K. Otozai, T.Sekine, R.Arakawa, K.Hata, S.Saito, H.Baba. A Radiochemical Study on the Existence of Dineutron. Z. Phys. A. Atoms and Nuclei, 311, 303 - 309 (1983).

25. K.K. Seth, В.Parker Evidence for Dineutron in Extremby Neutron-Rich Nuclei. Phys.Rev. Lett, v. 66, N 19, p. 2448-2451 (1991).

Сущность изобретения: способ состоит в том, что измеряют скорость образования в нейтринной мишени радиоактивных ядер, имеющих больший на единицу заряд и меньшее на два нейтрона количество нуклонов относительно количества нуклонов в исходных рабочих изотопах нейтринной мишени, а величину нейтринного потока определяют по скорости образования этих радиоактивных изотопов. В предлагаемом способе регистрации нейтринных потоков используют процессы, в которых в результате захвата нейтрино исходным рабочим изотопом нейтринной мишени и последующего радиоактивного процесса образуется не две частицы, как это имеет место в известном способе детектирования, а три или более частиц. Примером такого процесса могут служить реакции, в которых в результате захвата нейтрино образуются электроны, динейтроны (²n), а также ядра, имеющие больший на единицу положительный заряд и меньшее на два нуклона число нуклонов по сравнению с их числом в исходных изотопах. Технический результат заключается в повышении чувствительности, уменьшении размеров и веса детекторов нейтрино, использующих данный способ, а также в расширении диапазона энергий регистрируемых нейтрино в сторону низких энергий.

Способ регистрации нейтринных потоков, включающий измерение скорости превращений исходных рабочих изотопов ядер нейтринной мишени в радиоактивные изотопы, имеющие на единицу больший положительный заряд относительно заряда исходных рабочих изотопов, отличающийся тем, что измеряют скорость образования радиоактивных изотопов, имеющих меньшее на два число нуклонов по сравнению с числом нуклонов в исходных рабочих изотопах нейтринной мишени, о наличии нейтринного потока судят по скорости образования этих радиоактивных изотопов.