И. Владимиров

Детектор антинейтрино Hanohano

Введение

Измерение геонейтрино

Рис. 1. Соотношения потоков антинейтрино от мантии, коры и атомных реакторов в различных местах Земли

    Большой интерес для геологии представляет распределение U/Th в мантии и ядре Земли*. О наличии урана U и тория Th в мантии можно судить по _e, образующимся в естественных радиоактивных рядах. «Земные» антинейтрино (геонейтрино), наблюдаемые на шельфе, в основном появляются из-за радиоактивных распадов остаточных пород. Геохимики считают, что фракционный U и Th состав земной коры превышает содержание этих элементов в мантии приблизительно в 100 раз. Несмотря на чрезвычайно большую массу мантии (в 100 раз больше массы земной коры), считается, что геонейтрино из земной коры будут доминировать в соотношении 70%/30% на континенте. Океаническая кора тоньше и менее радиоактивна, потому оказывается заманчивой идея исследования геонейтрино из мантии где-нибудь в океане. Кроме того, ядерные реакторы являются одним из самых серьёзных источников фона при изучении геонейтрино. На рис. 1 показано соотношения потоков антинейтрино от коры, мантии и атомных реакторов в различных местах Земли.
     Для исследования геонейтрино предлагается создать передвижной детектор (Hanohano), который может погружаться глубоко в океан, подниматься обратно на поверхность и перемещаться для исследований в новые районы. Успешная работа детектора в нескольких районах мирового океана может привести к важным выводам о мантии Земли.

Поиск гипотетического геореактора

    Вторая причина создания Hanohano – поиск гипотетического ядерного реактора в центре Земли. Теория «геореактора», предложенная Марвином Герндоном (J. Marvin Herndon), не встретила одобрения у большинства геологов. Однако не существует весомых доказательств против этой гипотезы, так как условия образования Земли мало известны. Более того, некоторые особенности в соотношениях изотопов, в частности, аномально высокое отношение ³He/⁴He в районах с высокой вулканической активностью, таких как Гавайи и Исландия, может быть объяснено существованием природного реактора. На рис. 2 показаны оценки энергетических распределений антинейтрино от различных источников.

Рис. 2. Спектры нейтрино от гипотетического геореактора (оранжевая полоса), геонейтрино из мантии (синий/красный), земной коры (пунктирные синий/красный) и фона

    Такой гипотетический источник энергии с тепловой мощностью в диапазоне от 1 до 10 ТВт (большей суммарной мощности всех существующих промышленных реакторов) может быть ответственным за тектонику плит, а также за магнитное поле Земли (геодинамо). Нейтринный поток от предполагаемого геореактора очень трудно измерить в районах вблизи АЭС (в Японии, Европе и Северной Америке) из-за схожести спектров антинейтрино и большой интенсивности  излучения от промышленных реакторов (см. рис.1).

Мониторинг ядерной активности**

    Долгосрочная задача проекта Hanohano – альтернатива существующим методам дозиметрического контроля (космические спутники, выбросы газа и пыли, сейсмические и инфразвуковые сигнатуры испытаний ядерного оружия). Для этого должна быть создана сеть огромных подводных детекторов, которые могут отслеживать сигналы от всех существующих реакторов. С помощью 500 детекторов по всему миру, что приблизительно равно количеству существующих реакторов, можно, опираясь на наблюдаемую интенсивность потока нейтрино и зная мощности и расположения известных реакторов, вычислить мощность и местоположение неизвестных источников. Сетка из таких детекторов сможет фиксировать нелегальные испытания ядерного оружия массой ниже килотонны в тротиловом эквиваленте.

Устройство детектора

Баржа

    Опорная баржа имеет полную длину 112 м, ширину 32.3 м и высоту 13.8 м. Масса баржи равна 2850 т. На барже имеются резервуары для хранения сцинтиллятора и масла. На барже размещены жилые отсеки, лаборатории, генераторы, оборудование для опреснения воды, хранилище азота и аппаратура по очищению сцинтиллятора.
    Детектор имеет цилиндрическую форму с внешним диаметром 26 м и высотой 44.7 м. Масса пустого детектора равна 1600 т. Диаметр внутреннего концентрического объёма 20 м, а высота 35 м (объём 10000 м³ – 8523 т сцинтиллятора). В детекторе имеется буферная зона толщиной 1 м, окружающая сцинтиллятор и заполненная маслом (объёмом 3970 м³). В буферной зоне находятся модули с ФЭУ.
     В нижней части детектора (между дном запретной зоны и балластом) расположен большой баллон высотой 3 м, чтобы компенсировать объём сцинтиллятора, уменьшающийся из-за сжатия и охлаждения (до 4^oC) на глубине 4000 м. В баллоне можно хранить 770 м³ (656 т) сцинтиллятора.  Чтобы предотвратить радиоактивное загрязнение детектора и накопительных резервуаров, они должны быть построены из нержавеющей стали и сварены электродами, свободными от тория.   После сборки внутренние части цилиндра и накопительных резервуаров, а также все детали, размещаемые в них, должны быть очищены. После очистки резервуары заполняются азотом (больше они не контактируют с воздухом). При перекачке сцинтиллятора из резервуаров в детектор азот выкачивается в накопительные резервуары.

Рис. 3. Детектор и баржа

Выбор детектирующего вещества

    В качестве детектирующего вещества может применяться как сцинтиллятор, так и простая очищенная вода. Например, органический сцинтиллятор используется в 1000-тонном детекторе KamLAND, а в SuperKamiokande успешно работает 50-килотонный водный черенковский детектор. Жидкие сцинтилляторы приблизительно в 30 раз эффективнее детекторов на основе черенковского излучения. Но цена органического сцинтиллятора превышает цену очищенной воды на несколько порядков. Состав сцинтиллятора определяется при испытаниях на светоотдачу, оптическую прозрачность, радиоактивное загрязнение, эффективность распознавания частиц, химическую стойкость. Также учитывается возможность обеспечения бесперебойных поставок сцинтиллятора, его стоимость и опыт применения тех или иных видов сцинтилляторов в других экспериментах. В проекте Hanohano приходится учитывать давление до 400 атмосфер и низкие температуры, так как при таких условиях некоторые вещества могут терять прозрачность.В эксперименте планируется использовать сцинтиллятор LAB (linear alkybenzene). LAB – исходное вещество для производства средств для мытья посуды и производится в больших количествах.
    За последние годы произошёл существенный прогресс в разработке методов извлечения радиоактивных материалов из жидкого сцинтиллятора. Например, внутренние следы примесей ²³⁸U- с содержанием 3.2·10^-14 г/г могут быть понижены до уровня 10^-17  г/г с помощью очистки кремнегелем (влагопоглотитель, используемый при упаковке оптического и электронного оборудования для защиты от вредного воздействия влаги). Эти методы будут использоваться на Hanohano. Сцинтиллятор в детекторе очищается четырьмя способами: обезвоживанием, азотной отгонкой, перегонкой под вакуумом и фильтрацией.

Детектирование антинейтрино

    При взаимодействии антинейтрино с протоном образуются нейтрон и позитрон. Позитрон тут же аннигилирует с электроном. В результате возникает световая вспышка. Интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии антинейтрино. Нейтрон термализуется. На это уходит около 200 микросекунд. Тепловой нейтрон взаимодействует с протоном, образуя дейтрон. При этом возникает задержанная световая вспышка, с интенсивностью пропорциональной энергии связи дейтрона (2.2 МэВ). Регистрация этих двух сигналов методом задержанных совпадений позволяет идентифицировать антинейтрино.

Рис. 4. Регистрация антинейтрино

ФЭУ

    На Hanohano будут использоваться лучшие на момент проектирования шарообразные фотоумножители.
    Из-за давления на глубине в сотни атмосфер ФЭУ должны быть защищены стеклянным корпусом. ФЭУ с диаметром в 10 дюймов находится в 13-дюймовом кожухе (две полусферы, склеенные полиакриловым клеем) (рис. 3). Остающееся пустое пространство в сфере может быть заполнено пеной или гелем, чтобы поглотить энергию взрыва в случае повреждения защитной оболочки. Внезапный взрыв стеклянной сферы приводит к освобождению энергии, пропорциональной произведению объёма детектора и давления (>400 атмосфер). Теоретически  для 13-дюймовых стеклянных сфер на глубине 4000 м взрывная энергия приблизительно равна 600 кДж. Четвёртая часть этой энергии превращается в акустическую энергию. Что может произойти, когда лопается один ФЭУ, продемонстрировала катастрофа на Super-Kamiokande. За одним взрывом последовали другие. В результате такого эффекта домино из 11146 ФЭУ было разрушено около 7000.
    Каждый элемент фотоумножительной системы состоит из 9 ФЭУ в модуле (PMT module). Такое разделение производится для того, чтобы (1) уменьшить давление на разделительные пластинки вследствие колебаний плотности между маслом и сцинтиллятором и (2) изолировать поломку отдельного элемента системы, в случае если защитный кожух ФЭУ взорвётся. (Если всё-таки ФЭУ взорвётся, а разделительные пластинки дадут течь, масло попадёт в сцинтиллятор, и хотя загрязнение нежелательно, но допустимо.) ФЭУ будут вставлены в фоконы (концентраторы), которые увеличивают оптический захват света выходящего из объёма сцинтиллятора. В стеклянной сфере будет минимальное количество электроники: только источник высокого напряжения для динодной цепочки ФЭУ. Аналоговые сигналы будут посылаться от отдельных оптических модулей к соседним цифровым преобразователям либо через коаксиальные кабели, либо через витые пары.

Рис. 5. ФЭУ и электроника

Фон при исследовании геонейтрино Вероятный фон для «земных» нейтрино состоит из:

• ⁹Li, рождаемого при прохождении космических лучей сквозь детектор

• Быстрые нейтроны от космических лучей

• α-распад ²¹⁰Po, приводящий к реакции ¹³C(α,n)¹⁶O в сцинтилляторе

• Случайные совпадения

• Антинейтрино из реакторов АЭС

• Антинейтрино из геореактора

  Оцениваемые скорости регистрации событий от каждого процесса показаны в таблице 1. Фон от быстрых нейтронов может быть легко отброшен, так как такие события происходят на границе объёма сцинтиллятора. Фон от лития, рождаемого мюонами в космических лучах, минимизируется увеличением глубины погружения детектора. Таблица 1.   Фон от полония (может напоминать обратный бета-распад) в виде альфа- частиц, которые взаимодействуют с 13С, происходит от радонового загрязнения окружающей среды. Вычисление вклада излучения от реакторов АЭС в полный фон может быть выполнено с точностью 2%. Поток нейтрино от атомных подводных лодок оказывается незначительным по сравнению с АЭС, так как мощность реактора подводной лодки около 100 МВт, а мощность обычного реактора 2 ГВт. Кроме указанных источников фонового излучения надо учесть близость Гавайских островов. Если принять, что остров – это конус высотой 10 км и радиусом 100 км и что детектор расположен по крайней мере в 10 км от Среднеокеанического базальтового хребта, дополнительный вклад может составлять только 5% от потока из мантии/ядра. Следовательно, близость островов не влияет на результаты измерения потока антинейтрино из мантии. Полная интенсивность фонового излучения на глубине 4 км (без геореактора, но с нейтрино из земной коры) равна 61±5 на 10 кт/год, а интенсивность нужного излучения равна 45 на 10 кт/год. 2.6.5.  Точность детектирования нейтрино из геореактора В энергетическом диапазоне от 1.8 до 3.4 МэВ геонейтрино - это фон для геореактора (рис. 7). Предполагается, что верхняя граница спектра нейтрино из геореактора 9.3 МэВ. В этом энергетическом диапазоне (3.4-9.3 МэВ) скорость регистрации геореакторных нейтрино 38 событий/ТВт/10кт/год.

  Таблица 2.      Источники фонового излучения при детектировании нейтрино от геореактора совпадают с источниками фона для геонейтрино (таблица 2). На глубине 4 км полная интенсивность фона 52 события на 10кт/год, а интенсивность нейтрино из геореактора мощностью 1 ТВт равна 38 на 10 кт/год. Если точно установлен фон, то мощность геореактора может быть определена с точностью 5-16% (ошибка вызвана статистическими флуктуациями).  

Рис. 6а. Детектор на барже

Рис. 6б. Начало спуска детектора

Рис. 6в. Детектор в рабочем положении

Установка детектора на морское дно

  По планам детектор полной массой 25 кт будет установлен на дно океана на глубине 4000 м, а спустя год поднят и перемещён на новое место.  Предполагается, испытание детектора будет проводиться в 250 км от Гавайи (Kawaihae). Когда баржа приплывёт на место эксперимента, начинается заполнение детектора сцинтиллятором и маслом. Чтобы избежать чрезмерных давлений на разделительную поверхность обе жидкости заполняются одновременно. При этом из детектора в накопительные резервуары откачивается азот. Из-за малой плотности сцинтиллятора и масла детектор Hanohano может быть успешно опущен на глубину 4000 м и поднят обратно с помощью обрыва бетонного якоря. При этом якорь остаётся на дне. Скорость погружения изменяется от 1.4 до 2 м/с. Время погружения и всплытия равны 38 и 39 мин соответственно.
  Место проведения эксперимента  – западная часть острова Гавайи (Keahole). Расстояние до берега 17.988 км. Длина кабеля, протянутого по дну океана 18.7 км. В проекте применяется стандартный оптико-волоконный кабель с 4 парами жил и проводником питания, по которому подаётся 10 кВт при высоком напряжении (несколько тысяч вольт) В рабочем состоянии детектор будет висеть на расстоянии 100 м от дна.

Выводы 

  По сравнению с другими детекторами геонейтрино Hanohano имеет ряд преимуществ.

  Из приведенной выше таблицы видно, что чувствительность Hanohano к геонейтрино должна быть заметно выше, чем у существующих детекторов. Кроме того, он транспортабелен, и, в принципе может быть установлен не только у Гавайских островов, но и в других местах, оптимальных для измерения потоков геонейтрино. Детектор Hanohano может быть также полезен при изучении нейтринных осцилляций [2].

Источники

1. A Deep Ocean Anti-Neutrino Detector near Hawaii - Hanohano. Final Report. (2006)
2. John G. Learned, Stephen T. Dye, Sandip Pakvasa. A Deep Ocean Anti-Neutrino Detector for Unique Neutrino Physic

* Обычно считается, что в ядре Земли урана и тория нет.
** Эта часть проекта близка к научной фантастике. (прим. редактора)

08.06.2010