ЖЭТФ, 2020, том 158, вып. 3 (9), стр. 469-473

ПОДЗЕМНАЯ ФИЗИКА И НЕЛИНЕЙНЫЙ ЗАДЕРЖАННЫЙ

БАРОМЕТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ГАММА-ФОНА

Ю. В. Стенькинa,b*, В. В. Алексеенко^a, А. В. Игошин^c, Д. А. Кулешов^a,

К. Р. Лёвочкин^a, В. И. Степанов^a, В. П. Сулаков^c, В. В. Рулев^a, О. Б. Щеголев^a

^a Институт ядерных исследований Российской академии наук

117312, Москва, Россия

^b Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

115409, Москва, Россия

^c Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына,

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

119991, Москва, Россия

Поступила в редакцию 31 марта 2020 г.,

после переработки 10 апреля 2020 г.

Принята к публикации 12 апреля 2020 г.

Известно, что проблема гамма-фона остро стоит в любом низкофоновом подземном эксперименте. Ва-

риации этого фона зависят от многих параметров и должны учитываться при интерпретации результатов

экспериментов, объединяемых термином «подземная физика». Данная работа посвящена изучению дол-

говременных вариаций гамма-фона в подземной лаборатории с помощью сцинтилляционного детектора

на основе кристалла CsI. При проведении исследований был обнаружен новый эффект в подземной

физике — задержанный нелинейный барометрический пампинг-эффект для гамма-фона в подземном

помещении, способный приводить к значительному возрастанию этого фона при аномально низком ат-

мосферном давлении.

DOI: 10.31857/S0044451020090059

гамма-фона в той же подземной лаборатории уста-

новки ШАЛ-МГУ [2] в НИИЯФ МГУ на глубине

25 м водного эквивалента. Эффект также связан с

1. ВВЕДЕНИЕ

диффузией радона в окружающем грунте и прояв-

ляется лишь при падении атмосферного давления,

Проблема фона в низкофоновых экспериментах

однако параметры процесса диффузии отличны от

решается различными методами, с помощью пас-

таковых для нейтронов. Относительная величина

сивной и активной защиты, однако она никогда не

эффекта также много меньше, чем наблюдается для

может быть решена полностью как из-за наличия

нейтронов, тем не менее эффект вполне значим.

в любом материале нуклидов естественной радио-

активности, так и из-за наведенной проникающи-

Пампинг-эффект известен геофизикам уже бо-

ми космическими лучами активности внутри защи-

лее 100 лет [3] и существует обширная литература

ты. В предыдущей нашей работе [1] по данной теме

на эту тему (см., например, обзор [4] и ссылки в

было описано обнаружение большого задержанного

нем). Эффект заключается в следующем: при пери-

барометрического эффекта для нейтронного фона

одических колебаниях атмосферного давления про-

в подземной лаборатории, связанного с диффузией

исходит как откачка подземных газов в атмосфе-

и пампинг-эффектом радиоактивного газа радона в

ру, так и, наоборот, закачка воздуха в грунт. На

грунте. В ходе выполнения настоящей работы был

самом деле этот эффект имеет общий характер и

обнаружен еще один новый эффект — задержанный

проявляется на границе двух сред типа атмосфера-

нелинейный барометрический пампинг-эффект для

вода, атмосфера-грунт для таких параметров сред,

как давление, температура, концентрация различ-

^* E-mail: stenkinyv@lebedev.ru

ных газов и т. д. Как будет видно ниже, для нас ва-

469

Ю. В. Стенькин, В. В. Алексеенко, А. В. Игошин и др.

ЖЭТФ, том 158, вып. 3 (9), 2020

жен выход подземных газов из грунта в подземную

полость. Обычная диффузия газов в пористой среде

есть всегда, а пампинг-эффект для интересующего

нас случая диффузии газов в грунте к поверхности

включается только при понижении давления, когда

оно становится меньше, чем в лежащих ниже слоях

грунта. В случае полости в грунте, каковой является

подземная лаборатория, выход газов происходит со

всех сторон и под словами «лежащие ниже» следует

понимать «удаленные» от границы раздела сред.

2. ЭКСПЕРИМЕНТ

Помимо описанного в работе

[1] электрон-

но-нейтронного детектора (эн-детектора), изме-

ряющего поток тепловых нейтронов, в установку

был добавлен небольшой детектор на основе кри-

сталла CsI (диаметром

см и высотой

см),

просматриваемого небольшим фотоумножителем

Рис. 1. Суточные временные ряды гамма-фона и атмо-

сферного давления за 34 месяца наблюдений

ФЭУ-85. Интенсивность гамма-фона много выше,

чем интенсивность нейтронного фона, поэтому

таких размеров оказалось более чем достаточно

для обеспечения высокой статистической точности

и колебания интенсивности не могут объясняться

измерений. После усиления зарядо-чувствительным

статистическими флуктуациями (провалы в данных

предусилителем все сигналы с этого детектора

связаны с перерывами в работе установки). Видно

оцифровываются быстродействующим АЦП (вы-

также, что на фоне сезонных колебаний, за время

полненным в виде PCI-слота в промышленном

наблюдений с 15 мая 2018 г. и вплоть до декабря

компьютере) с шагом 50 нс, так же как и все

2019 г., не наблюдалось коротких значимых пиков,

сигналы эн-детектора площадью 0.75 м², регист-

тогда как в декабре 2019 г. и в 2020 г. наблюдался

рирующего тепловые нейтроны. Применялась

ряд острых пиков, превышающих уровень 2.5 · 10⁶

методика отбора сигналов по форме импульса, хотя

отсчетов в сутки. Попробуем найти причину такого

в случае гамма-детектора все сигналы сцинтилля-

поведения.

тора имеют одинаковую длительность, около 1 мкс.

Как видно из рис. 1, наиболее значимый пик на-

Тем не менее процедура позволяет отбраковать ко-

блюдался в феврале 2020 г. На рис. 2 этот же пик

роткие импульсы, вызванные шумами ФЭУ, а также

показан в развернутом виде (с шагом 1 мин), наряду

редкие, слишком длинные и нестандартные импуль-

с поведением атмосферного давления и потока теп-

сы от электромагнитных помех. Число отобранных

ловых нейтронов. Последний, как видно из рисун-

импульсов каждую минуту записывается на диск,

ка, имел значительное превышение (около 100 %) и

т. е. мы имеем 1440 точек в день, наряду с данными

задержку 2 сут, что совпадает с ранее опубликован-

о метеопараметрах в месте проведения измерений.

ной величиной [1] и связано с медленной диффузией

Накопленные временные ряды обрабатываются и

радона в грунте, в том числе и за счет пампинг-

анализируются офлайн.

эффекта на глубине порядка 1-2 м — эффектив-

ной глубине рождения регистрируемых нейтронов.

Новым является заметное превышение гамма-фона

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ

приблизительно на 12 % и задержка превышения на

АНАЛИЗ

24 ч. Меньшую задержку гамма-фона можно объ-

3.1. Результаты измерений интенсивности гам-

яснить тем, что выход радона из грунта в воздух

ма-фона в виде суточного временного ряда пока-

помещения начинается раньше и происходит быст-

заны на рис. 1, наряду с величиной атмосферного

рее, так как для этого не нужны удаленные слои

давления. Как видно из графика, статистическая

грунта, поскольку детектор измеряет гамма-фон в

точность суточных точек очень высока (≈ 6 · 10-4)

воздухе и в тонком слое грунта, толщина которого

470

ЖЭТФ, том 158, вып. 3 (9), 2020 Подземная физика и нелинейный задержанный барометрический эффект. . .

Рис. 3. (В цвете онлайн) Суточные энергетические спект-

Рис. 2. Отклик гамма-фона и потока тепловых нейтронов

ры гамма-фона 6.02.20 (кривая 1) и 4.02.20 (кривая 2) и

на аномальное понижение атмосферного давления в фев-

их разность (кривая 3)

рале 2020 г. Минутные точки

суточные энергетические спектры регистрируемых

определяется энергией гамма-квантов и длиной их

квантов в день наибольшего превышения 04.02.20

поглощения в наружном слое стен, потолка, пола.

со спектром 06.02.20, т.е. в спокойный период. Ре-

Для гамма-квантов с энергией до 2.6 МэВ, сопро-

зультат показан на рис. 3. Видно, что в разностном

вождающих распады дочерних ядер радона (торо-

спектре хорошо выделяется характеристическое из-

на), длина поглощения в бетоне составляет не более

лучение нуклидов Bi-214 и Pb-214, особенно 609 кэВ

20-30 см. Это много меньше эффективной глубины

и 357 кэВ. На графиках также виден небольшой пик

генерации регистрируемых тепловых нейтронов, ко-

1.46 МэВ от распада K-40 (используемый нами для

торым необходимо перед регистрацией замедлиться

энергетической привязки), не связанного с радоно-

в грунте, а в процессе замедления в грунте они спо-

вой цепочкой и имеющегося практически везде, но

собны пройти несколько метров. Генерация нейтро-

отсутствующего в разностном спектре, что говорит

нов на достаточно больших глубинах происходит в

о стабильности наших измерений. Эти данные од-

(α, n)-реакциях, вызываемых α-распадами радиоак-

нозначно свидетельствуют о том, что наблюдаемое

тивных ядер из урановой и ториевой цепочек есте-

превышение гамма-фона вызвано именно избытком

ственной радиоактивности по всей глубине земной

радона в подземном помещении 04.02.20. Кроме то-

коры. Однако наибольший вклад в вариации ней-

го, отсюда следует еще одно доказательство того,

тронного потока дают распады газа Rn-222, живу-

что наблюдаемое превышение в нейтронном фоне

щего около 4 сут, за которые он успевает пройти

также связано с избытком радона Rn-222. Раньше

достаточно большое расстояние, зависящее от пори-

у нас было только одно косвенное доказательство

стости грунта, его состава, трещиноватости, насы-

[1] — сама двухдневная задержка по отношению

щенности грунтовыми водами и т.д. Любое увели-

к минимуму барометрического давления, которую

чение газопроницаемости грунта либо значительное

трудно объяснить чем-то, кроме как диффузией ра-

понижение атмосферного давления вызывает повы-

дона в грунте.

шение концентрации радона в верхних слоях грунта

3.2. Попытаемся теперь объяснить еще один экс-

за счет поступления новых порций из более глубо-

периментальный факт, а именно, почему такие пре-

ких слоев. Это также приводит к повышению фона

вышения раньше не наблюдались? Для этого еще

гамма-квантов, сопровождающих β-распады корот-

раз внимательно посмотрим на рис. 1 и вспомним,

коживущих дочерних нуклидов, в основном Bi-214

что зима 2019-20 гг. была в Москве аномальной.

и Pb-214.

Аномально теплая зима, как известно, была связа-

Для того чтобы убедиться в том, что регистри-

на с аномально продолжительным и аномально низ-

руемое превышение действительно вызвано реги-

ким атмосферным давлением, вызванным идущими

страцией β-распадов указанных ядер, мы сравнили

один за другим циклонами с Атлантики. Как ре-

471

Ю. В. Стенькин, В. В. Алексеенко, А. В. Игошин и др.

ЖЭТФ, том 158, вып. 3 (9), 2020

зультат, именно 3 февраля 2020 г. давление возду-

ха опустилось до рекордного уровня 717.5 мм рт. ст.

по нашим измерениям. По данным измерений на

метеостанции ВДНХ минимальное значение было

722.9 ммрт.ст. Заметим, что абсолютный минимум

давления в Москве за все время наблюдений равен

709 ммрт. ст. Из рис. 1 видно, что значения ниже

730 мм наблюдались ранее, но при этом на вызыва-

ли заметного превышения гамма-фона. Почему же

лишь при рекордном понижении давления эффект

проявился? Объяснение данному факту, имеющему

общий характер и множество аналогий в природе,

можно найти в работе Зырянова [5], описывающей

природу нелинейного пампинг-эффекта. Обычный

пампинг-эффект состоит в том, что при наличии на

границе раздела двух сред периодических колеба-

Рис. 4. Зависимость от атмосферного давления интенсив-

ний какого-либо параметра (температуры, давления

ности гамма-фона, нормированного на среднее за все вре-

и т. д.) происходит накачка либо откачка в зависимо-

мя наблюдений

сти от параметров и средние значения параметра на

поверхности и на глубине различаются. Нелинейный

пампинг-эффект заключается в нелинейной (квад-

730 ммрт. ст. подобрать линейный фит, то его задер-

ратичной) зависимости величины откачки от ампли-

жанный барометрический коэффициент будет бли-

туды периодических колебаний на границе сред. В

зок к -0.83 %/ммрт.ст., что не мало, хотя и много

работе получено приближенное решение уравнения

меньше такового для тепловых нейтронов [1].

теплопроводности, применимого, однако, и для мно-

Стоит отметить асимметрию данных на рис. 4,

жества других природных процессов:

что вполне ожидаемо, поскольку для возрастания

∂T

гамма-фона важен именно эффект откачки воздуха

= bdiv[F(T)gradT].

вместе с радоном из более глубоких слоев грунта.

∂t

Дело в том, что генерация радона-222, являюще-

После ряда допущений было получено решение

гося продуктом распада радия-226, происходит по

величины откачки в виде

всей толщине земной коры. Диффузия радона в ат-

βT²¹

мосферу, где его концентрация мала, создает гради-

T(±)(∞) =

4α

ент концентрации с понижением в сторону поверх-

Здесь T(±) — искомая величина на бесконечной глу-

ности. Из графика видно, что правая часть пара-

бине (в нашем случае это концентрация радона на

болы не описывает наблюдаемый эффект, который

достаточно большой глубине в грунте ниже слоя, где

практически не зависит от повышения давления вы-

генерируются регистрируемые гамма-кванты либо

ше среднего, поскольку при этом происходит закач-

создающий их радон и его короткоживущие про-

ка атмосферного воздуха из лежащих выше слоев

дукты), α и β — некие параметры, T₁ — ампли-

грунта в лежащие ниже, и она может только по-

туда колебаний параметра среды (в нашем случае

низить концентрацию радона на заданной глубине,

атмосферного давления). Как видно из равенства,

тогда как выход радона и продуктов его распада

величина откачки (или накачки, в зависимости от

в воздух прекращается. Это и приводит к наблю-

знака параметров) квадратично зависит от ампли-

даемому незначительному снижению гамма-фона в

туды колебаний. В нашем случае это колебания ат-

помещении (по величине снижения можно судить о

мосферного давления. На рис. 4 показано, как на-

снижающейся доле распадов в воздухе по отноше-

блюдаемый нами в эксперименте гамма-фон зави-

нию к распадам непосредственно в грунте). Схожая

сит от атмосферного давления, сдвинутого вперед

асимметрия наблюдалась и при регистрации нейтро-

на 24 ч. Представлены данные за последние 5 ме-

нов [1].

сяцев (01.11.19-30.03.20). Фитирующие параметры

В чем состоит отличие обнаруженного эффекта

показанной на графике параболы приведены на ри-

от, казалось бы, очень схожего пампинг-эффекта,

сунке. Как видим, парабола очень точно описыва-

обнаруженного на этой же установке ранее для теп-

ет наблюдаемый эффект. Если для давления ниже

ловых нейтронов? Отличие в том, что, как уже отме-

472

ЖЭТФ, том 158, вып. 3 (9), 2020 Подземная физика и нелинейный задержанный барометрический эффект. . .

чалось, эффективная глубина рождения регистри-

при интерпретации экспериментальных данных.

руемых в подземном помещении тепловых нейтро-

Обнаруженное квадратичное поведение этого фона

нов находится в грунте на глубине 1-2 м. Для это-

в зависимости от аномально низкого задержанного

го случая измеряемой величиной является концен-

атмосферного давления находится в прекрасном

трация радона в грунте на таких глубинах, а не в

согласии с теорией, что подтверждает правильность

воздухе над поверхностью или на глубине 10-20 см

полученных результатов.

в грунте, как при регистрации гамма-фона. Отсю-

да и примерно в 2 раза большая задержка и разли-

Финансирование. Работа выполнена при час-

чие в отклике на колебания атмосферного давления.

тичной поддержке Российского фонда фундамен-

Очевидно, что для запуска нелинейного пампинг-

тальных исследований (грант № 18-02-00339), а так-

эффекта для фоновых нейтронов аномально низкое

же Программы Президиума Российской академии

давление должно длиться достаточно долго, более

наук «Физика фундаментальных взаимодействий и

2 сут. Возможно, когда-нибудь реализуются усло-

ядерные технологии».

вия появления нелинейного пампинг-эффекта и для

нейтронов.

ЛИТЕРАТУРА

4. ВЫВОДЫ

1. Ю. В. Стенькин, В. В. Алексеенко, Д. М. Гро-

Несмотря на более чем 100-летнюю историю

мушкин, В. П. Сулаков, О. Б. Щеголев, ЖЭТФ

открытия пампинг-эффекта в геофизике для под-

151, 845 (2017) [Yu. V. Stenkin, V. V. Alekseenko,

земных газов, он до сих пор мало известен физикам.

D. M. Gromushkin, V. P. Sulakov, and O. B. Shche-

golev, JETP 124, 718 (2017)].

Между тем, этот эффект имеет прямое отноше-

ние к ядерной физике благодаря присутствию в

2. S. N. Vernov, G. B. Khristiansen, V. B. Atrashkevich

подземных газах радиоактивных газов — изотопов

et al., in Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf., Kyoto,

радона. В результате выполнения данной работы

Vol. 6, p. 129 (1979).

был обнаружен новый физический эффект — за-

паздывающий нелинейный пампинг-эффект для

3. E. Buckingham, Contributions to Our Knowledge of

гамма-фона в подземном помещении. Эффект, свя-

the Aeration of Soils, U.S. Dep. Agric., Bur. Soils

занный с откачкой радона, имеет важное значение

Bull. No. 25 (1904).

для так называемой «подземной физики» — разде-

ла экспериментальной физики, подразумевающего

4. G. Etiope and G. Martinelli, Phys. Earth and Plane-

проведение низкофоновых измерений в подземных

tary Interiors 129, 185 (2002).

лабораториях, поскольку вариации гамма-фона,

так же как и нейтронного, могут создать проблемы

5. В. Н. Зырянов, Водные ресурсы 40, 227 (2013).

473