Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1661-1665

ВВЕДЕНИЕ

Радиоактивный газ радон, всегда присутствующий в грунте, является одним из основных источников фона установок, нацеленных на поиск редких событий [1]. При деформациях земной коры увеличивается количество микротрещин, возникает напряжение и усиливается вибрация грунта, что приводит к значительному повышению концентрации радона.

На возможности установки LVD для изучения вариаций концентрации радона под землей было обращено в [2] после обнаружения аномального повышения фонового темпа счета детектора в дни наиболее сильных сейсмических толчков (сентябрь 1997 г.). Эпицентр толчков находился в Центральной Италии, примерно в 300 км от установки. После похожего увеличения темпа счета в 1999 г., которое по времени появления было ассоциировано с разрушительным землетрясением в Турции, началось целевое изучение вариаций темпа счета низкоэнергетичных фоновых событий.

В структуру установки помещен альфа-частичный радонометр, который проводит точечные замеры концентрации радона [3, 4]. Сравнение данных помогло понять, что быстро изменяющаяся компонента фона детектора LVD связана с радоном. На концентрацию радона в подземном экспериментальном зале влияют давление, влажность, температура, вибрация грунта, работа вентиляции. В работе представлен анализ изменений этих факторов и зависимость от них низко-энергичного темпа счета LVD. Указанная связь позволит разделить полный фоновый темп счета установки LVD на три группы: две переменные составляющие, связанные с изменением окружающих условий и концентрации радона, и постоянную составляющую, обусловленную радиоактивностью материалов установки и скальной породы.

ЭКСПЕРИМЕНТ LVD И МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ

Детектор LVD [5], находящийся в подземной лаборатории под толщей грунта 3650 м в.э., предназначен для поиска нейтрино от коллапсов звездных ядер [6]. Установка состоит из 840 полуторакубовых сцинтилляционных счетчиков (C_nH_2n, n ≈ 9.6) сгруппированных в 3 башни. Каждая башня размером 6 ×10 × 12 м объединят счетчики в 7 уровней и 5 колонн. Для разных научных задач в детекторе имеется два энергетических порога: верхний E_HET = 4 МэВ, и нижний E_LET = 0.5 МэВ. Данные низкоэнергетического порога используются для исследования фона эксперимента и контроля работы счетчиков.

Основным источником фона по низкому порогу на установке LVD является радон. Радон – радиоактивный газ, который образуется в грунте в результате деления и распадов элементов уранового и ториевого рядов. Радон выходит в атмосферу подземного помещения через множественные микротрещины в породе. Радон хорошо растворяется в воде и переносится подземными водами.

Установка LVD регистрирует гамма-кванты от распадов дочерних ядер радона, период полураспада которого 3.8 дня. Гамма-излучение создается, в основном, ядрами висмута, за счет β-распада превращающимися в полоний с характерным временем 19.7 мин. Энергетический спектр гамма-излучения охватывает диапазон от 0.6 до 2.5 МэВ.

Данные детектора, используемые для исследования фона (E_LET), формируются следующим образом: каждые 10 мин все сцинтилляционные счетчики башни запускаются импульсом от генератора на регистрацию E_LET импульсов в течение 10 с [7].

При обработке данных отбираются наиболее стабильно работающие в течение длительного времени внутренние счетчики одной башни. Число включаемых в обработку счетчиков варьируется от 60 до 76. Данные суммируются за 1 ч. Суммарный темп счета нормируется на один счетчик в герцах. Общее число отсчетов в одном бине ~184 000 (~420 отсчетов за 10 с × 73 счетчика × 6 запусков/ч), что дает относительную ошибку измерений ~0.2%.

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ 2019 ГОДА

Мы отобрали данные установки LVD (N_LVD) по низкому порогу, совпадающие по времени с произошедшими в 2019 г. сильными землетрясениями [8] на расстояниях до 500 км от установки. На рис. 1 показаны только толчки с магнитудой больше 3.5. Обычно сильные землетрясения сопровождаются серией толчков с небольшой магнитудой. Линиями на рисунках отмечены моменты сильных толчков.

Рис. 1.

Сейсмические события 2019 г. с магнитудой больше 3.5 и отклик установки LVD: слева (а) – показаны эпицентры сильных толчков и их расположение относительно установки LVD; справа (б, в, г) – данные установки по нижнему порогу (по оси абсцисс – дата, по оси ординат – темп счета в секунду на счетчик). Линиями обозначены моменты сильных толчков.

Первое событие произошло вечером 7 ноября в Балсорано (регион Абруццо, провинция Аквила) в 75 км от установки LVD. Было зарегистрировано повышение темпа счета по низкому порогу за несколько часов до землетрясения.

Следующие два сильных землетрясения произошли одно за другим, с разницей по времени порядка суток. Ночью с 7 на 8 декабря произошло землетрясение в Барете (регион Абруццо, провинция Аквила), а утром 9 декабря – множественные толчки в провинции Флоренция региона Тоскана в 250 км от установки LVD. Первое землетрясение произошло совсем рядом с установкой LVD, но оно было намного слабее второго события в Тоскане. Повышение темпа счета мы наблюдали за 1.5 сут до первого события. К сожалению, мы не можем достоверно определить, на какое сейсмическое событие дает отклик установка: на близкое, но слабое или на сильное, но более отдаленное.

Третье событие тоже ставит перед нами вопросы: на каком расстоянии от эпицентра землетрясения установка LVD может дать отклик на сейсмическое событие. Утром 26 ноября произошло сильное землетрясение со множественными толчками в Албании в 500 км от установки LVD, а через несколько часов – в Боснии (~370 км от установки). Было зафиксировано повышение темпа счета установки за сутки до землетрясений.

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ НА ВАРИАЦИИ ФОНОВОГО ТЕМПА СЧЕТА LVD

Изменения температуры, влажности и давления в низкофоновых помещениях, предназначенных для поиска редких событий, являются неотъемлемой частью наблюдений фоновых условий экспериментов. С помощью обычного термогигрометра ИВТМ-7 М 6-Д (ТГ) мы провели две серии измерений температуры (T), влажности (H) и давления (P) в подземном зеле Лаборатории. В I-серии измерений с 05.2019 по 10.2019 гг. термогигрометр находился в центре детектора (счетчик номер N2456). Во время II-серии с 11.2019 по 03.2020 гг. ТГ был помещен в угол детектора LVD (N3512) на 1 уровне, близко к воротам из зала.

Наши измерения показали, что средняя температура в центре детектора 〈T〉 = 20.0 ± 0.1сис°C. Систематическая ошибка – точность измерения. Суточное изменение температуры (метод наложения эпох) составляет не более 0.1%. На нижнем уровне детектора (L = 1) температура, как и следовало ожидать, меньше (18.4 ± 0.5°C), чем средняя температура на верхнем уровне (L = 7) – 22.3 ± ± 0.3°C (рис. 2а). Положение башен в зале относительно выхода вентиляции отражает разброс значений температуры на разных башнях (±0.5°C относительно центральной 2-ой башни).

Рис. 2.

Слева (а) – зависимость температуры от высоты (L = 1 – нижний уровень, L = 7 – верхний), справа (б) – измерения средней температуры за месяц с мая 2019 по март 2020 г., верхняя кривая – для положения ТГ на счетчике N2456, нижняя – на N3512.

Сезонная вариация средней температуры в установке составляет δT/T = 6% (δT = 1.2°C). Эта величина получена при аппроксимации данных функцией вида f(t) = 〈T〉 + δTcos(2π(t – t₀)/12), где фаза – максимум в распределении t₀ = 6.8 мес. (рис. 2б). Величина сезонных вариации температуры одинакова для обеих серий измерений.

Влажность в помещении обратно пропорциональна температуре: (H – 〈H〉/〈H〉) = –0.023 – 0.96 × × (T – 〈T〉/〈T〉). Средняя влажность в центре детектора (41.0 ± 0.1сис) %. Средняя влажность на нижнем уровне детектора H(L = 1) = 35%, на верхнем уровне – H(L = 7) = 44%. Сезонная вариация средней влажности δH/H = 17% (δH = 7.5%), фаза – максимум в распределении – 7.8 мес. Вариации влажности в течение дня (суточные) зависят, скорее всего, от действий персонала Лаборатории (открывание ворот в зале для прохода тяжелой техники, обслуживающей эксперименты) [9].

В зале детектора среднее давление за месяц постоянно и равно (680 ± 1сис) мм рт. ст. В течение года среднее давление меняется на 5 мм рт. ст. Абсолютное давление меняется ±10 мм рт. ст. в течение месяца (недели), и связано с внешним атмосферным давлением. В данных по температуре и давлению мы не обнаружили изменений в зависимости этих параметров от притока нового воздуха, то есть открывания ворот в экспериментальном зале.

Мы провели сравнительный анализ скорости счета данных LVD (N_LVD) по нижнему порогу с данными ТГ по температуре, влажности и давлению (рис. 3). Пики в E_LET данных LVD (N_LVD) не связаны с пиками изменений в T, H, P.

Рис. 3.

Измерения за октябрь 2019 г.: а – скорости счета LVD (на счетчик в секунду), точками показаны землетрясения с магнитудой >3 баллов, б – температуры, в – влажности, г – давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования по выявлению связи поведения радоновых полей с сейсмической активностью проводятся во всем мире в течение многих десятилетий. В данных LVD мы видим отклик установки на повышение сейсмической активности. В ряде случаев наблюдается повышение концентрации радона за 2–3 дня до землетрясения, что дает надежду на возможность предсказания готовящегося события.

Измерения в зале установки температуры, влажности и давления показали, что условия эксплуатации детектора стабильные как в краткосрочном режиме (в течение суток), так и в долгосрочном (в течение года). Это дает хороший прогноз для выделения резкого изменения концентрации радона и, надеемся, для выделения предвестников землетрясений.

Но прогноз землетрясения предполагает предсказание, с известной достоверностью, трех характеристик: силы, времени и места очага землетрясения. Мы же пока хотим выявить источники фоновых радоновых событий и a posteriori выделить характеристики вариаций концентрации радона под землей, коррелирующие со временем сильных землетрясений.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-02-00064-а).