Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 5, стр. 758-760

Вариации фонового потока тепловых нейтронов на Камчатке

Ю. В. Стенькин 1*, В. В. Алексеенко 1, Д. А. Кулешов 1, К. Р. Лёвочкин 1, Е. О. Макаров 2, П. П. Фирстов 2, О. Б. Щеголев 1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Институт ядерных исследований Российской академии наук”
Москва, Россия

2 Камчатский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки “Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба Российской академии наук”
Петропавловск-Камчатский, Россия

* E-mail: stenkinyv@lebedev.ru

Поступила в редакцию 15.10.2021
После доработки 05.11.2021
Принята к публикации 22.11.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

В мае 2019 г. в Петропавловске-Камчатском начались измерения вариаций фонового потока тепловых нейтронов (установка “н-Камчатка”) с помощью разработанных в ИЯИ РАН электронно-нейтронных детекторов. Высокая сейсмичность района субдукции Южной Камчатки, определила выбор места для развертывания еще одной установки подобного типа, создаваемой нами глобальной сети подобных установок в различных географических и геологических условиях. Целью установки “н‑Камчатка” является изучение корреляций динамики природного потока тепловых нейтронов с сейсмической активностью. Приведены результаты, полученные за 1.5 г. непрерывной работы установки.

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, природный поток нейтронов имеет два источника – космические лучи и естественная радиоактивность. На поверхности земли основной вклад дает первый источник, тогда как второй дает основной вклад в подземных измерениях, за счет распада альфа-активных ядер радиоактивных рядов урана и тория и образования нейтронов в (α,n)-реакциях на легких ядрах. Поскольку одним из промежуточных нуклидов уранового ряда является относительно долгоживущий инертный газ радон-222, то и генерация нейтронов вблизи детекторов и вариации их потока связаны с концентрацией этого газа в окружающем веществе. Природный поток тепловых нейтронов находится в динамическом равновесии с окружающей средой. Отсюда следует, что, изучая вариации тепловых нейтронов, можно судить и о состоянии среды в данный момент времени. Существующая много лет мировая сеть нейтронных мониторов (НМ) не пригодна для этой цели, поскольку мониторы регистрируют вторичные нейтроны, образованные при взаимодействии со свинцовой мишенью достаточно энергичных (более ~100 МэВ) адронов космических лучей внутри монитора. Нейтроны же, образованные естественной радиоактивностью, имеют энергию несколько МэВ и не регистрируются нейтронными мониторами. Тем более это относится к тепловым нейтронам с энергией 0.025 эВ, для которых толстый внешний полиэтиленовый слой монитора является непреодолимым препятствием. Создавая НМ около 70 лет назад, физики как раз и ставили целью минимизировать влияние внешних погодных и прочих факторов, чтобы получить прибор для исследования космических лучей [1].

Создаваемая нами мировая сеть неэкранированных сцинтилляционных детекторов должна решать задачу обратную целям сети НМ, а именно, максимально экранироваться от влияния космических лучей и, изучая вариации природных потоков тепловых нейтронов, искать корреляции с различными геофизическими явлениями [27]. В апреле 2019 г. в рамках этой сети в Петропавловске-Камчатском была создана установка “н‑Камчатка”.

УСТАНОВКА И ИЗМЕРЕНИЯ

Установка “н-Камчатка” в настоящий момент состоит из одного электронно-нейтронного детектора (эн-детектор) с возможностью расширения до 4, а также датчиков атмосферного давления, температуры и относительной влажности воздуха в помещении. Основой детектора является тонкий специализированный сцинтилляционный компаунд, состоящий из сплава неорганического сцинтиллятора ZnS(Ag) и оксида необогащенного бора (B2O3), содержащего около 19% изотопа 10B, имеющего большое сечение захвата тепловых нейтронов с образованием тяжелых сильно ионизующих заряженных частиц: альфа-частицы и ядра 7Li, регистрируемых сцинтиллятором. Средняя толщина сцинтиллятора равна 50 мг/см2, а площадь – 0.35 м2. Сцинтиллятор просматривается одним фотоэлектронным умножителем с диаметром фотокатода 15 см. Сигнал, снимаемый с последнего динода ФЭУ, интегрируется с τ = 10 мкс зарядо-чувствительным предусилителем, а затем оцифровывается 4-канальным, 10-битным АЦП (ADLINK PCI-9810) с шагом 50 нс. Следствием малой толщины сцинтиллятора является малый сигнал (~60 кэВ в сравнении с 2.3 МэВ от захвата нейтрона) от одиночных релятивистских заряженных частиц. Поскольку порог установлен на уровне около 150–200 кэВ, то детектор не чувствителен к обычному фону от гамма- и бета-радиоактивности и имеет очень низкую для своей площади скорость счета, менее 1 с–1. Наличие у сцинтиллятора нескольких временных констант, приводящее к разной скорости собирания заряда от релятивистских частиц и тяжелых медленно движущихся продуктов захвата нейтрона, а также применяемый нами анализ формы импульса, позволяют надежно выделять сигналы от захвата нейтрона. При этом фоновые, более быстрые, сигналы также считаются и анализируются. Как было показано ранее, эта компонента, называемая “заряженные”, чувствительна только к синхронному прохождению трех и более заряженных релятивистских частиц. Это могут быть широкие атмосферные ливни (для которых и был разработан эн-детектор), мюоны с сопровождением, а также наиболее интересный для вариационной задачи случай – бета распады дочерних ядер в цепочке распадов радона (особенно Bi-214 и Pb-214, дающих наиболее энергичные электроны и гамма-кванты в воздухе вблизи детектора, либо на его поверхности. Дело в том, что бета-распады сопровождаются, как правило, серией гамма-квантов с возбужденных уровней дочернего ядра. Гамма-кванты могут конвертировать в электроны, либо дать электрон-позитронную пару. В результате таких распадов через сцинтиллятор может пройти 3 и более электрона (позитрона) и дать регистрируемый сигнал в детекторе. Это проверялось ранее с помощью радиоактивных источников [4].

РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

За время измерений не было сильных землетрясений вблизи установки, и не было отмечено значимых изменений в потоке тепловых нейтронов. Максимальное по магнитуде землетрясение (М = 6.4) произошло 15.09.20 на расстоянии 330 км, с очагом на глубине 320 км. Мы не наблюдали при этом каких-либо значимых изменений ни в нейтронном потоке, ни в “заряженных”, ни в концентрации подпочвенного радона. Тем не менее, проведенный Фурье анализ данных за 14–16 сентября выявил ряд значимых частотных пиков в миллигерцовом диапазоне (0.3–8.0 мГц), совпадающих с собственными частотами Земли и их обертонами. Как минимум, 20 мод колебаний были активны в этот период и наибольшую амплитуду имели моды: 0S3, 0S4, 0S6, 0T7, 0T14 и ряд других.

Неким тестовым явлением, позволяющим проверить отклик детекторов на геодинамические явления, являются приливные волны в земной коре, вызываемые периодическими гравитационными колебаниями системы Земля-Луна-Солнце. Приливные силы приводят к деформации земной коры, тем самым воздействуя на ее газо- и водопроницаемость, а значит вызывают вариации диффузии и эсхаляции радона и находящихся в равновесии с ним нейтронов. Таким образом, мы можем использовать это явление для проверки чувствительности своих детекторов. На рис. 1 приведена полученная методом наложения эпох (за период с 00:00 04.05.2019 по 24:00 20.09.2020 с последующим трехчасовым усреднением скользящим средним) полусуточная лунно-приливная волна М2 (Т = 12 ч 25 мин), т. е. вторая гармоника суточной волны М1. Отчетлива видна 4-я гармоника М4. Объяснение этому факту может быть следующим: наибольшая деформация земной коры под детектором происходит не только при верхней и нижней кульминации луны, но и когда она находится на горизонте, т.е. во время восхода и заката. Волна М4 наблюдалась ранее и в других наших детекторах.

Рис. 1.

Полусуточная приливная волна М2 в тепловых нейтронах. Гистограмма – сглаженные 3-часовым скользящим средним экспериментальные данные (после наложения эпох); синусоида – волна М4; кружки сверху показывают моменты верхней и нижней и кульминаций, а овал – моменты пересечения луной горизонта.

Кроме того, на Камчатке наблюдается 4-я гармоника Mf4 лунного драконического месяца (Mf), определяющего период (Т = 27.212 сут) между наивысшими кульминациями луны над горизонтом. Эта волна, полученная методом наложения эпох за 1.5 г. (точный период указан выше), т.е. наложением ~20 периодов при последующем усреднении двухсуточным скользящим средним, показана на рис. 2. И опять явно видна 4-я (около недельная) гармоника. Объяснение, по-видимому, схоже с приведенным выше: амплитуда приливной волны, а значит и диффузия радона зависят от высоты кульминации луны и при этом максимальное воздействие наблюдается не только в дни наивысшей кульминации, но и “наинизшей” и даже “средней”, когда луна пересекает плоскость эклиптики. Возможно, моменты пересечения эклиптики также дают усиление приливной волны, поскольку в эти дни Солнце, Земля и Луна оказываются в одной плоскости.

Рис. 2.

4-я гармоника драконической лунной волны Мf в тепловых нейтронах. Кривая – сглаженные 2-суточным скользящим средним экспериментальные данные (после наложения эпох); кружок сверху показывает моменты наивысшей, наинизшей и средней кульминаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Первые 1.5 г. работы установки “н-Камчатка” не выявили значимых корреляций природного потока тепловых нейтронов с локальной сейсмической активностью. Возможная причина – отсутствие достаточно мощных землетрясений на Камчатке в этот период.

Обнаружены 4-е гармоники лунно-суточной и лунно-месячной приливных волн в природном потоке тепловых нейтронов, с амплитудами на уровне 0.001, что свидетельствует о высокой чувствительности эн-детектора и хорошей стабильности работы установки.

Работа выполнялась при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 18-02-0339а и № 20-05-00493а).

Список литературы

  1. Hatton C.J. // In: Progress in elementary particle and cosmic-ray physics. Amsterdam: North Holland Publishing Co., 1971.

  2. Alekseenko V., Arneodo F., Bruno G. et al. // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. Art. No. 125003.

  3. Алексеенко В.В., Громушкин Д.М., Джаппуев Д.Д. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 5. С. 739; Alekseenko V.V., Gromushkin D.M., Dhzappuev D.D. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2015. V. 79. No. 5. P. 682.

  4. Stenkin Y., Alekseenko V., Cai Z. et al. // Pure Appl. Geophys. 2017. V. 174. P. 2763.

  5. Стенькин Ю.В., Алексеенко В.В., Громушкин Д.М. и др. // ЖЭТФ. 2017. Т. 151. № 5. С. 845; Stenkin Yu.V., Alekseenko V.V., Gromushkin D.M. et al. // JETP. 2017. V. 124. No. 5. P. 718.

  6. Stenkin Yuri, Alekseenko Victor, Cai Zeyu et al. // J. Environ. Radioact. 2019. V. 208–209. Art. No. 105981.

  7. Stenkin Yu.V., Alekseenko V.V., Dzhappuev D.D. et al. // J. Environ. Radioact. 2020. V. 222. Art. No. 106335.

Дополнительные материалы отсутствуют.