Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 673-675

ВВЕДЕНИЕ

Известно о радон-нейтронных приливных вариациях в земной коре, связанных с лунными периодами и имеющих гравитационное происхождение [1, 2]. В работе [2] получены суточные и месячные приливные вариации концентрации радона в земной коре. На концентрацию радона влияют многие факторы: изменение температуры, влажности, давления, вибрация грунта. В работе [3] были обнаружены спорадические увеличения потока тепловых нейтронов, которые объясняются адвекцией грунтовых газов (эффект барометрической откачки радона). В Лаборатории Гран Сассо (LNGS, Италия), в зале А, где находится установка LVD – Детектор Большого Объема, температура и влажность мало изменяются. Работа приточной вентиляции и близость транспортного туннеля создают условия для колебаний концентрации радона в течение суток. Толщина грунта над залами Лаборатории более 3 км в. э. обусловливает ультранизкий уровень фонового излучения, идеально подходящий для экспериментов по нейтринной физике и изучению темной материи.

1. ОПИСАНИЕ ДЕТЕКТОРА БОЛЬШОГО ОБЪЕМА

Установка LVD содержит около 1000 тонн жидкого сцинтиллятора (C_nH_2n, $\bar {n}$ ≈ 9.6) и около 1000 тонн железа [4]. Сцинтиллятором заполнено 840 счетчиков объемом 1.5 м³ каждый. Счетчик имеет форму параллелепипеда (100 × 100 × 150 см) и сделан из нержавеющей стали толщиной 4 мм. На верхней грани установлены три фотоумножителя, включенные на совпадение. Счетчики, по восемь, помещены в металлические модули-контейнеры (толщина стенок 20 мм), из которых формируются вертикальные колонны. Пять колонн объединены в башню. Установка состоит из трех башен, в каждой по 280 счетчиков. Счетчики имеют верхний и нижний энергетические пороги регистрации (E_HET = = 5 МэВ и E_LET = 0.5 МэВ).

Основными источниками фона по низкому порогу на установке LVD являются продукты естественной радиоактивности грунта и радон, который образуется в грунте в результате деления и распадов элементов уранового и ториевого рядов. Радон выходит в атмосферу подземного помещения через множественные микротрещины в окружающих горных породах, хорошо растворяется в воде и переносится подземными водами. Наиболее интенсивная эманация радона наблюдается при землетрясениях. Установка LVD регистрирует гамма-кванты от распадов дочерних ядер радона, период полураспада которого составляет 3.8 дня. Гамма-излучение создается, в основном, ядрами висмута, превращающимися в полоний за счет β-распада с характерным периодом полураспада 19.7 мин. Энергетический спектр гамма-излучения охватывает диапазон от 0.6 до 2.5 МэВ.

2. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

В результате анализа данных установки LVD по низкоэнергетическому порогу E_LET была установлена зависимость концентрации радона в подземном зале от ежедневной производственной деятельности в подземных залах лаборатории [5, 6].

Изменение концентрации радона (Rn) тесно связано с сейсмической активностью и техногенными факторами, приводящими к ускоренному выходу Rn из грунта (особенно в окружении осадочных пород). Данные, используемые для исследования фона, формируются следующим образом: каждые 10 мин все сцинтилляционные счетчики запускаются импульсом от генератора на регистрацию низкоэнергетических импульсов в течение 10 с. Для анализа отбираются только стабильно работающие внутренние счетчики установки. Суммарный темп счета в герцах (Hz) нормируется на один счетчик. Чувствительность метода составляет 5% на уровне 3σ.

Методом “наложения эпох” мы получили суточные, недельные и годовые вариации темпа счета низкоэнергетических импульсов установки.

2.1. Суточные вариации

Время увеличения концентрации радона в атмосфере зала установки LVD коррелирует с рабочим временем. Ночью приточная вентиляция при закрытых воротах создает избыток давления, который уменьшает выход радона из скалы. Днем открываются ворота экспериментальных залов, давление уменьшается и радон выходит в атмосферу зала интенсивнее. Увеличение концентрации радона достигает максимума в дневное время при полном темпе счета около 45 имп. ⋅ с⁻¹ ⋅ сч.⁻¹. Минимум концентрации приходится на ночное время и на выходные дни при полном темпе счета ∼43 имп. ⋅ с⁻¹ ⋅ сч.⁻¹. Минимальной концентрации соответствует постоянное равновесное (между эманацией из горной породы и воды, с одной стороны, и вентиляцией – с другой) значение около 20 Бк/м³.

Временной ход темпа счета импульсов в рабочие дни имеет два максимума, которые расположены на временной шкале около 12 и 16 ч, соответственно. В районе 14 ч наблюдается снижение темпа счета (рис. 1a, штриховая кривая). В выходные дни (суббота и воскресенье) темп счета фоновых событий имеет другой вид: отсутствуют выраженные максимумы и не наблюдается увеличение темпа счета в рабочее время (рис. 1б). Впервые на этот эффект, наблюдаемый в данных LVD, было указано в работе [5]. Ярко виден часовой сдвиг между распределениями “летних” (светлая, штриховая кривая рис. 1) и “зимних” (сплошная, черная кривая рис. 1) радоновых пиков, что объясняется часовой разницей “летнего” и “зимнего” времени (часы установки всегда показывают “зимнее” время).

Рис. 1.

Средний темп счета (имп. ⋅ с⁻¹ ⋅ сч.⁻¹) за сутки при “наложении эпох” в 2016 г. (а) рабочие дни, (б)  выходные дни.

2.2. Недельные вариации

На рис. 2 приведен темп счета низкоэнергетических импульсов в течение одной недели (с понедельника по воскресенье). График получен методом “наложения эпох” за 2016 год, то есть просуммированы соответствующие дни недели и часы в течение года с последующим усреднением.

Рис. 2.

Средний темп счета импульсов в секунду, приведенный на 1 счетчик (имп. ⋅ с⁻¹ ⋅ сч.⁻¹) за неделю в 2016 г., полученный методом “наложения эпох”.

Отметим, что перепады концентрации радона в выходные дни невелики, поскольку работы на экспериментах практически не проводятся и ворота в экспериментальный зал, где расположена установка LVD, остаются закрытыми. Также в выходные дни ниже интенсивность движения в транспортном туннеле большегрузных машин, вызывающих вибрацию грунта. Подобные эффекты в туннелях и подземных залах были описаны в работах [7–9]. Очевидно, что эти флуктуации могут влиять на “пиковый” характер полученных графиков.

2.3. Годовые вариации

С целью выделения долговременной составляющей вариации концентрации радона был проведен анализ данных по низкоэнергетическому порогу с 2008 по 2016 годы [10]. Данные до 2008 не включались в анализ из-за несовершенной системы вентиляции помещения. Амплитуда колебаний темпа счета δN_b/N_b и фаза φ с достаточной точностью были установлены методом “наложения эпох”, при этом суммировались годичные данные за восемь лет наблюдений (рис. 3). При фитировании временного распределение с бином 1 месяц функцией N_b(t) = 1 + δN_b/N_bcos(2π(t − φ)/T) с T = = 12 мес., были получены значения величин модуляции δN_b/N_b = 4 ± 2% и фаза φ = 8.1 ± 0.4 мес. Максимум находится в начале сентября. Так как радон переносится главным образом подземными водами, его максимальная концентрация в атмосфере зала достигается в период максимального тока воды в окружающем грунте, то есть в сентябре.

Рис. 3.

Средний темп счета импульсов в течение года, полученный методом наложения эпох с 2008 по 2016 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вариации концентрации радона связаны с сейсмической активностью и с техногенными факторами, приводящими к эманации радона из породы. Движение транспорта в туннеле, открытие и закрытие дверей в экспериментальном зале установки LVD влияют на концентрацию радона. Измерения вариаций темпа счета позволили разделить общий фон детектора на две компоненты: переменную, связанную с вариациями потока радона, и постоянную составляющую, связанную с радиоактивностью материалов установки и породы. Максимальная концентрация радона в подземных помещениях лаборатории Гран Сассо достигается в сентябре при насыщении породы водой тающих горных ледников.