Содержание работы
Во введении обозначена роль компьютерного моделирования в исследованиях фундаментальной и прикладной ядерной физики. Подчеркнута важность метода Монте-Карло, как основного метода теоретического описания взаимодействия частиц и ядер высоких энергий со сложными мишенями. Перечислены известные программы моделирования методом Монте-Карло, в том числе используемые в диссертации коды SHIELD и Geant4. Вкратце представлено содержание последующих глав и цели работы.
Первая глава имеет обзорный характер. В первом параграфе Главы 1 дается достаточно подробный обзор проблемы безнейтринного двойного β-распада ( ) как одного из главных источников информации о свойствах нейтрино. Обсуждается связь между периодом полураспада и массой нейтрино. Рассмотрена история вопроса, прошлые, текущие и планируемые эксперименты по обнаружению безнейтринного двойного β-распада. Представлен эксперимент GERDA, которому посвящены 2-я и 3-я главы.
Для эксперимента GERDA обсуждается связь между уровнем фона и достигаемыми при этом ограничениями на массу нейтрино. Представлены основные источники фона в эксперименте GERDA. Вкратце описана технология изготовления германиевых детекторов, которые в эксперименте одновременно будут являться также и источниками полезного сигнала .
Ставится задача оптимизации транспортного контейнера для перевозки обогащенного германия из Красноярска в Мюнхен наземным путем, что является необходимым этапом в технологическом цикле изготовления детекторов. Важно, чтобы в процессе транспортировки, вследствие космогенного облучения, в германии нарабатывалось как можно меньше вредных изотопов. Расчеты с целью оптимизации транспортного контейнера описаны в Главе 3 диссертации.
Существуют два альтернативных варианта конфигурации массива германиевых детекторов в эксперименте GERDA: массив 1-кг несегментированных детекторов и массив 2-кг сегментированных детекторов. Каждый вариант имеет свои преимущества и недостатки. Обосновывается необходимость сравнения этих вариантов с точки зрения соблюдения условий на величину фона. Сравнение альтернативных вариантов конфигурации детекторов содержится в Главе 2 диссертации.
Во втором параграфе Главы 1 обсуждаются проблемы освоения Луны и строительства на ней обитаемой базы. В частности, радиационная обстановка на Луне является одним из серьезных препятствий для ее освоения. Ставится задача расчета потоков и доз на поверхности Луны и в глубине грунта. Подчеркивается новизна работы, в частности, использование только отечественных моделей и кодов и учет вклада ядер космических лучей, и рожденных ими вторичных частиц, в потоки и дозы на Луне. Оценка радиационной обстановки на Луне выполнена в Главе 4 диссертации.
В третьем параграфе Главы 1 кратко описаны инструменты для моделирования взаимодействия частиц и ядер с веществом – программы SHIELD и Geant4, которые используются в представленной диссертации.
Вторая глава посвящена минимизации фонов в детекторах эксперимента GERDA. Общий вид экспериментальной установки показан на Рис. 1. Моделирование проводилось с использованием Geant4.
Рис. 1. Общий вид установки GERDA
Источники фона в детекторах подразделяются на внутренние и внешние. Основными источниками внутреннего фона детекторов являются 60Co и 68Ge, возникающие в германии вследствие воздействия космогенного излучения.
Внешний фон объясняется следующими факторами:
фон от окружения, находящегося в контакте с детектором, либо непосредственной близости к нему (электрические контакты, держатели и т.п.), где влияние могут оказывать не только γ-кванты, но и β- и даже α-частицы
γ-кванты от удаленных источников (материалы экспериментальной установки, стенки лаборатории, воздух и т.п.)
мюоны космогенного происхождения, обладающие высокой проникающей способностью
Подробно объясняется, почему основными источниками внешнего фона от материалов из окружения детекторов являются изотопы 214Bi и 208Tl, а, например, 60Co не представляет особой опасности, хотя и может образоваться в меди.
При рассмотрении фона от удаленных источников оценивалась эффективность подавления фона от γ-квантов, образовавшихся от первичного γ-кванта с энергией 2.614 МэВ (максимальная энергия γ-кванта, рожденного в распаде 208Tl) после прохождения им 20 длин свободного пробега.
Для оценки фона от мюонов использовался доступный авторам спектр вторичных частиц от них вблизи детекторов. Однако к данному спектру невозможно было применить методики снижения фона (метод антисовпадений). Поэтому в диссертации представлена оценка сверху фона от мюонов. Предполагается, что реальный фон будет в несколько раз ниже и зависит от среднего числа вторичных частиц, одновременно достигающих детекторной сборки.
Далее рассматриваются альтернативные варианты массивов детекторов: 57 несегментированных детекторов массой по 0.9 кг (1 кг детекторы), либо 21 сегментированный детектор массой по 2.1 кг (2 кг детекторы). На Рис. 2 показаны варианты детекторных сборок. Различие в массах массивов детекторов (~5 кг) объясняется большей эффективностью (следовательно, экономией материала) при выращивании 1 кг кристаллов германия в стандартных промышленных тиглях по сравнению с нестандартными 2 кг детекторами. Кроме того, сегментирование – новая и довольно сложная процедура, высока вероятность брака. Сегментированные детекторы сложны в обслуживании и применении. Сегментирование производится в основном с целью применения методики антисовпадений (АС): два близких по времени энерговыделения в разных сегментах детектора отбрасываются как фон. Действительно ли сегментирование настолько необходимо в GERDA, чтобы вынудить коллаборацию нести немалые затраты на сегментирование детекторов? Выяснить это является одной из целей данной работы.
В расчетах учитывается также снижение массы окружающих деталей при переходе к несегментированным 1 кг детекторам.
Объясняется, почему уменьшение размеров детекторов уменьшает их внутренний фон (в пересчете на 1 кг), что подтверждается расчетом. Основную роль здесь играют условия облучения и геометрический фактор.
 
(а)
(б)
Рис. 2. Два массива детекторов примерно одинаковой массы. Массив больших 2 кг детекторов (а) и массив малых 1 кг детекторов (б).
В Табл. 1 представлены результаты вычисления внутреннего фона детекторов.
Таблица 1. Результаты вычисления фона от источников внутри детектора при предполагаемой активности германия в случае больших сегментированных детекторов и малых несегментированных детекторов.
Источник
фона
|
Предполагаемая активность
|
Сегм. АС, Mдет=2.1 кг, фон, gbu*
|
Дет. АС, Mдет=0.9 кг, фон, gbu*
|
Отношение
|
60Co
|
0.507 мкБк/кг (20 сут. 6 яд/сут/кг)
|
0.9
|
5.3
|
6
|
68Ge
|
4.439 мкБк/кг (25 сут, 5.6 яд./сут/кг)
|
27
|
117
|
4.3
|
*1 gbu = 10-4 событий/год/кэВ/кг
Для сокращения записи фоновый индекс измерялся в единицах, предложенных членами колаборации GERDA, gbu (GERDA Background Units). При этом, 1 gbu = 10-4 событий/год/кэВ/кг. Отметим, что суммарный индекс фона должен быть не выше 10 gbu для второй фазы эксперимента GERDA.
Из Таблицы 1 видно, что для достижения приемлемого индекса фона после изготовления 1 кг детекторов до начала эксперимента их нужно выдержать 3 4 года под землей (для 2 кг детекторов ~1 год), для того чтобы внутренний фон от 68Ge стал ниже максимального значения. Судя задержкам с запуском 1 й и, тем более, 2 й фаз эксперимента, сроки выдержки выполнятся автоматически. Как видно, сегментирование больших детекторов эффективно подавляет внутренний фон. В больших сегментированных детекторах фон от 60Co подавляется даже избыточно. При этом в малых несегментированных детекторах указанный фон будет находиться на приемлемом уровне.
Источником внешнего фона может служить специально обработанная поверхность детектора. Моделирование показало, что возможные источники α-частиц на поверхности детектора не дадут заметного вклада в фон. Основным источником фона на поверхности остаются долгоживущие изотопы, при распаде которых возникают γ кванты с суммарной энергией, превышающей 2039 кэВ. Таковыми являются только 214Bi, 208Tl, а также 60Co, который может образоваться в меди под воздействием космогенного облучения.
В Табл. 2 представлены наиболее существенные источники внешнего фона от окружающих деталей. Активности материалов выбирались максимально допустимыми, согласно существующей спецификации материалов.
В диссертации рассмотрено влияние положения детектора в массиве на эффективность подавления фона. Для детектора внутри массива окружающие его детекторы являются активной защитой. Внешние же детекторы такого преимущества не имеют. Поэтому эффективность внешних детекторов можно повысить, окружив их активной защитой. В качестве активной защиты предлагается использовать отходы обогащения германия.
Внутренний фон активной защиты не будет влиять на фон в основных детекторах. В крайнем случае, активную защиту можно выдержать под землей некоторое время.
Таблица 2. Результаты вычисления фона от источников на поверхности и в окружении детектора при предполагаемой активности материалов в случае больших сегментированных и малых несегментированных детекторов.
Объект
|
Источник
|
Предполагаемая активность
|
Сегм. АС, Mдет=2.1 фон, gbu
|
Дет. АС, Mдет=0.9 фон, gbu
|
Отношение
|
Поверхн. детектора
|
214Bi
|
1.0 нБк/см2
|
1.0
|
2.0
|
2
|
208Tl
|
1.0 нБк/см2
|
0.38
|
1.3
|
3.5
|
Кабель1
|
214Bi
|
10 мкБк/кг
|
0.036
|
0.0064
|
0.18
|
208Tl
|
10 мкБк/кг
|
0.032
|
0.0047
|
0.15
|
60Co
|
10 мкБк/кг
|
0.0064
|
0.0017
|
0.27
|
Держ-ль медь
|
214Bi
|
10 мкБк/кг
|
0.32
|
0.59
|
1.86
|
208Tl
|
10 мкБк/кг
|
0.69
|
1.3
|
1.87
|
60Co
|
10 мкБк/кг
|
-
|
0.54
|
-
|
Держ-ль тефлон
|
214Bi
|
10 мкБк/кг
|
0.01
|
0.08
|
8
|
208Tl
|
10 мкБк/кг
|
0.052
|
0.23
|
4.4
|
Эл. Плата
|
214Bi
|
10 мкБк/кг
|
-
|
0.014
|
-
|
208Tl
|
10 мкБк/кг
|
0.025
|
0.065
|
2.6
|
Эл.
Стойка
|
214Bi
|
10 мкБк/кг
|
0.044
|
-
|
-
|
208Tl
|
10 мкБк/кг
|
0.088
|
0.18
|
2.0
| |
