Приборы и техника эксперимента, 2019, № 1, стр. 10-14

1. ВВЕДЕНИЕ

Ненулевая масса нейтрино и существование темной материи, природа которой неизвестна, свидетельствуют о том, что Стандартная модель физики частиц не полна. Одним из наиболее естественных кандидатов на роль темной материи являются массивные стерильные нейтрино, в связи с чем прямые лабораторные поиски таких нейтрино представляют особый интерес.

В работе [1] был предложен эксперимент по поиску гипотетической примеси стерильных нейтрино в β-распаде трития. Примесь может быть обнаружена по специфическому искажению энергетического спектра тритиевых электронов в газовом пропорциональном счетчике. Искажение спектра ожидается очень слабым, поэтому крайне важно исследовать все возможные источники систематической ошибки при измерении. В [1] было показано, что точности 0.1% для таких систематических факторов, как коэффициент подложки в спектре и доля неразличимых случайных наложений, достаточно для постановки верхнего предела на примесь вплоть до 10^–5 для стерильных нейтрино с массой в диапазоне 1–8 кэВ. В работе [2] проведено детальное исследование отклика пропорционального счетчика на электроны с энергией порядка 10 кэВ, в результате которого были определены основные факторы, искажающие энергетический спектр электронов.

Поиск слабой примеси стерильных нейтрино предполагает длительный набор данных, поэтому высокая стабильность характеристик счетчика является необходимым условием проведения измерений. Этому требованию удовлетворяют цельнопаяные кварцевые счетчики с углеродным катодным напылением, изготовленные по технологии [3, 4]. Газовое усиление таких счетчиков, по данным [5], остается стабильным в пределах 0.5% в течение длительного времени измерений. Однако из-за технологической сложности и узости области применения такие счетчики не производятся серийно, и поэтому не представляется возможным воспользоваться методически выверенными значениями важнейших параметров счетчиков от производителя. Указанная выше стабильность газового усиления 0.5% является одной из лучших опубликованных оценок; в то же время эта оценка получена как побочный результат калибровок энергетической шкалы счетчиков внешними источниками.

В настоящей работе приводятся результаты прямого исследования долговременной стабильности счетных и спектрометрических свойств кварцевого счетчика с точки зрения возможности его использования для поиска примеси стерильных нейтрино. С целью воспроизведения условий измерений с тритием для исследования выбран газообразный радиоактивный источник ³⁷Ar, добавляемый в рабочую смесь счетчика.

2. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для исследования стабильности был использован пропорциональный счетчик, изготовленный на основе кварцевой трубки длиной 200 мм с внутренним диаметром 4 мм. Анодом служила вольфрамовая нить ∅12 мкм, в качестве катода использовался тонкий (1 мкм) слой пиролитического углерода, нанесенный на внутреннюю поверхность кварцевой трубки. Счетчик был заполнен чистым CO₂ при давлении 1 атм и установлен в экранирующую коробку из медного листа, оборудованную зарядочувствительным предусилителем (з.ч.п.у.). В качестве источника ионизирующего излучения использовался короткоживущий изотоп ³⁷Ar, наработанный на протонном циклотроне Научно-исследовательского института ядерной физики Московского государственного университета (НИИЯФ МГУ) по реакции ⁴⁰Ca(p, α)³⁷Ar при энергии протонов 7 МэВ. Изотоп ³⁷Ar вводился в рабочую смесь в виде микропримеси, активность которой на начало измерений составила примерно 110 Бк. При распаде ³⁷Ar энергия выделяется в виде оже-электронов и характеристического рентгеновского излучения дочернего ³⁷Cl. Основные пики в спектре энерговыделений формируются в процессе K- и L-захвата. К-пик соответствует энерговыделению 2.82 кэВ; L-пик – 0.27 кэВ [6] при условии, что рентгеновское излучение поглощается в объеме детектора. Период полураспада ³⁷Ar составляет 35.04 ± 0.04 сут [7].

Источником высокого напряжения для счетчика служил отдельный блок HARSHAW NV-25A, подаваемое напряжение 1350 В, паспортное значение вариации выходного напряжения ≤0.03% за сутки. Сигнал з.ч.п.у. подавался на спектрометрический усилитель ORTEC 673 с временем формирования 0.25 мкс. С выхода тыльной панели усиленный сигнал поступал на усилитель-формирователь ORTEC 4890 с регулируемым порогом, а с выхода передней панели – на канал “0” регистратора Lan12-PCI.

Регистратор Lan12-PCI производства “Руднев-Шиляев” имеет в своем составе 12-битный амплитудно-цифровой преобразователь (а.ц.п.) и работает на частоте оцифровки 12.5 МГц. В качестве триггера для Lan12-PCI используется TTL-выход ORTEC 4890, подаваемый на вход канала “1” регистратора. Регистратор Lan12-PCI управляется отдельной программой нашего производства, работающей с максимальным приоритетом в окне командной строки системы Windows 7. Каждый импульсный сигнал от счетчика, оцифрованный в кадре размером 256 точек, записывается в файл; обработка кадров проводится в режиме оффлайн в среде GNU Octave (см. [8]). Пример оцифрованного кадра показан на рис. 1, где представлен исходный сигнал з.ч.п.у. и соответствующий ему сформированный сигнал на выходе усилителя ORTEC 673. Амплитуда сформированного сигнала определяется с учетом значения базовой линии в кадре, усредненной на участке в несколько микросекунд до появления сигнала.

Рис. 1.

Пример кадра осциллограммы сигналов от пропорционального счетчика. Пунктирная линия – сигнал с выхода зарядочувствительного предусилителя, сплошная – сигнал с выхода спектрометрического усилителя.

Для контроля стабильности электронного тракта использовался прецизионный генератор ORTEC 419, сигнал с которого подавался на спектрометрический усилитель вместо з.ч.п.у. счетчика. Паспортное значение суточной вариации амплитуды генератора <1%. Набор сигналов от генератора проводился примерно раз в сутки в течение получаса с частотой 50 Гц. Измеренное мертвое время системы регистрации составило 200 ± 1 мкс и использовалось для коррекции живого времени набора сигналов.

Амплитудный спектр от радиоактивного источника характеризует газовое усиление пропорционального счетчика, поэтому за меру стабильности принято положение K-пика ³⁷Ar, выраженное в каналах а.ц.п. регистратора (рис. 2). Набор кадров данных осуществляется непрерывно в течение длительного времени, сравнимого с периодом полураспада источника. Каждый час записывается отдельный файл, содержащий записи кадров и момент старта набора. По каждому файлу строится амплитудный спектр, в котором проводится поиск положения, интенсивности и энергетического разрешения K-пика.

Рис. 2.

Набранный за все время измерений амплитудный спектр сигналов пропорционального счетчика с рабочей смесью с примесью ³⁷Ar. Число событий в спектре 4 ⋅ 10⁸, К-пик расположен в 804-м канале а.ц.п., L-пик – в 58-м канале.

Положение пика находится как математическое ожидание $M = \sum {iN(i)} {\text{/}}\sum {N(i)} $ амплитуды сигнала в области К-пика; оценкой разрешения служит дисперсия S = ${{[\sum {{{{(M - i)}}^{2}}N(i){\text{/}}\sum {N(i)} } ]}^{{1/2}}}$ амплитуды. Здесь i – амплитуда сигнала, выраженная в каналах а.ц.п., а N(i) – число отсчетов в i-м канале. Суммирование проводится в пределах области К-пика: от 550 до 1150 каналов а.ц.п. За интенсивность пика принята простая сумма чисел событий в указанных границах, поправленная на живое время измерения.

Найденные значения привязываются к моменту старта текущего часового спектра, тем самым формируется последовательный по времени набор перечисленных параметров пика. Возможным систематическим смещением оценок положения, разрешения и интенсивности пика в данных измерениях можно пренебречь, поскольку интерес представляет в первую очередь динамика оценок.

В процессе набора данных со счетчика проводился также мониторинг температуры воздуха в помещении и основных узлов счетной системы: источника высокого напряжения и спектрометрического усилителя. В качестве монитора использовалась система на базе USB-контроллера МВ110-8А производства “Овен” с датчиками Pt1000. Датчик № 1 был установлен на верхней панели блока HARSHAW NV-25A, датчик № 2 – на боковой панели ORTEC 673. Датчик № 3 измеряет температуру воздуха в помещении.

3. ИЗМЕРЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Измерения проводились в зимнее время при наличии постоянного центрального отопления в помещении. Объем помещения составлял 420 м³ и способствовал демпфированию изменений температуры воздуха. Набор данных продолжался в течение ~30 сут. Получасовые перерывы в измерениях, связанные с контрольным набором сигналов от генератора, использовались для изъятия файлов суточных данных с целью оперативной обработки. Интенсивность К-пика в единичном часовом спектре составила около 3 · 10⁵ событий в начале измерений. Полное количество распадов ³⁷Ar, зарегистрированное в процессе измерений, составило более 4 ⋅ 10⁸. Величина заряда, собранного на анод, оценивалась как ≥10¹⁴ электронов вторичной ионизации (примерно 10^–5 Кл) при газовом усилении порядка 10⁴.

На рис. 2 представлен амплитудный спектр сигналов от счетчика, суммированный по всем файлам. K-пик расположен в 804 канале а.ц.п. регистратора, L-пик – в 58 канале. Наблюдается подложка в спектре между пиками, имеющая характерный наклон. Дисперсия К-пика составляет 102 канала а.ц.п., что соответствует энергетическому разрешению 30%.

На рис. 3 точками показана динамика интенсивности К-пика в процессе измерений. Число отсчетов в каждом измерении поправлено на живое время; величина поправки составила около 2% в начале измерений. Экспериментальные значения фитированы экспоненциальной функцией со свободными параметрами, результат фита показан сплошной линией. Фитирование проведено штатными средствами вычислительной среды GNU Octave; оценка периода полураспада составила 35.1 сут.

Рис. 3.

Динамика интенсивности скорости счета под К-пиком ³⁷Ar. Точки – число отсчетов под К-пиком в каждом часовом спектре ³⁷Ar, поправленное на живое время измерений; сплошная линия – результат фитирования экспонентой.

На рис. 4 отображена динамика положения К‑пика (кривая 1) и положения пика от генератора (кривая 2); кривыми 3–5 показаны изменения температуры в ходе измерений. Динамика положения К-пика отображена точками, каждая из которых соответствует значению оценки положения пика в отдельном часовом спектре. Сплошная линия показывает положение, усредненное по всем точкам, и соответствует значению 804.2 ± ± 0.9 канала а.ц.п. регистратора. Усредненное значение положения контрольного пика от генератора (кривая 2) составляет 776.9 ± 0.6 канала а.ц.п. Ошибки указанных значений соответствуют стандартному отклонению. Кривыми 3–5 показаны соответственно изменения температуры датчика № 1, установленного на блоке высокого напряжения, датчика № 2 на спектрометрическом усилителе и датчика № 3, отображающего температуру воздуха в помещении. После прогрева узлов счетной системы колебания температуры воздуха и блоков остаются в пределах ±1.5°C, что соответствует размаху ±0.5%.

Рис. 4.

1 – динамика положения К-пика ³⁷Ar, точки – оцененные положения К-пика в каждом часовом спектре ³⁷Ar, линия – среднее значение положения К-пика; 2 – положение пика от генератора; 3–5 –показания датчиков температуры: на корпусе блока высокого напряжения (3), на корпусе спектрометрического усилителя (4), воздуха в помещении (5). Положение пиков указано в каналах а.ц.п. (левая шкала), температура датчиков – в градусах Цельсия (правая шкала).

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты проведенных измерений в целом соответствуют представлениям о процессе распада ³⁷Ar в пропорциональном счетчике и об отклике счетчика на распад. В частности, специфический наклон подложки в спектре между пиками свидетельствует о преобладании пристеночного эффекта над краевым (см. [2]). Доминирование пристеночного эффекта характерно для длинного счетчика, у которого диаметр много меньше его длины; именно такой счетчик использовался в проведенных измерениях.

Положение L-пика в амплитудном спектре соответствует энергии 0.20 кэВ. Это согласуется со схемой излучения в распаде ³⁷Ar. После К-захвата примерно 8% событий заполнения вакансии на К-оболочке сопровождаются испусканием рентгеновского излучения 2.62 кэВ и оже-электронов с суммарной энергией 0.20 кэВ. Однако в CO₂ при давлении 1 атм и указанных размерах счетчика поглощается не более 10% рентгеновских лучей. Это приводит к тому, что значительная часть К‑захватов дает вклад в спектр в области L-пика с энерговыделением 0.20 кэВ.

Далее, оцененный период полураспада составил 35.1 ± 0.1 сут, что согласуется с литературными данными для ³⁷Ar – 35.04 ± 0.04 сут.

Не наблюдается значимой корреляции положения К-пика с изменением температуры воздуха и узлов счетной системы; контроль электронного тракта также свидетельствует о стабильности электронного усиления в процессе измерений. Таким образом, можно сделать заключение о долговременной стабильности кварцевого счетчика. В условиях данного исследования газовое усиление оставалось стабильным в пределах ±0.1% (уровень достоверности 0.68) в течение длительного времени непрерывной работы. Это указывает на отсутствие как значимых утечек рабочего газа и процессов сорбции-десорбции различных примесей, так и деградации рабочей смеси и конструкционных материалов пропорционального счетчика. Кроме того, полученное значение стабильности газового усиления в 5 раз лучше оценок, опубликованных до настоящего времени.

Необходимо также отметить, что величина заряда, собранного на анод в процессе данных измерений, на 3–4 порядка меньше величин, ожидаемых при работе с тритиевыми электронами. Заметная деградация дрейфовых камер наблюдается, начиная с заряда ~0.1 Кл, собранного на 1 см анодной нити [9]; при этом деградируют в основном рабочие смеси с органическими компонентами. Заключение о долговременной стабильности в таком контексте следует рассматривать как базовую оценку характеристики цельнопаяного кварцевого счетчика, которую можно брать за основу для планирования эксперимента с тритием.

В заключение авторы выражают признательность Т. Чувильской, В. Янцу и С. Задорожному за предоставленную возможность и помощь в проведении измерений, а также И. Ткачеву, В. Пантуеву и А. Нозику за плодотворное обсуждение и конструктивную критику результатов эксперимента. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 17-02-00361-а.