Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Нейтронный детектор космического гамма-телескопа «ГАММА-400»

Диссертация: Нейтронный детектор космического гамма-телескопа «ГАММА-400»
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Выбранная модель нейтронного детектора, благодаря малой длительности сигналов (15−20 не), позволяет значительно уменьшить просчёт нейтронов в адронных каскадах высокой энергии >100ГэВ и других импульсных нейтронных потоках высокой интенсивности (>750 нейтр./см2*с). Разработанная конструкция нейтронного детектора не содержит дефицитных материалов, таких как Не-3 и может быть применена при создании… Читать ещё >

Нейтронный детектор космического гамма-телескопа «ГАММА-400» (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ГЛАВА. 1. Нейтронные детекторы в калориметрии
    • 1. 1. Калориметры в экспериментах физики высокой энергии
      • 1. 1. 1. Гомогенные калориметры
      • 1. 1. 2. Гетерогенные (самплинг) калориметры
    • 1. 2. Физические процессы, приводящие к рождению нейтронов в калориметрах
    • 1. 3. Методы отделения адронов от электронов
      • 1. 3. 1. Отделение адронов от электромагнитных частиц с использованием ионизационного калориметра
      • 1. 3. 2. Разделение каскадов от адронов и электромагнитных частиц по анализу распределения энерговыделения в калориметре
      • 1. 3. 3. Использование нейтронных детекторов для отделения адронов от электромагнитных частиц
    • 1. 4. Существующие системы детектирования нейтронов для калориметрии
      • 1. 4. 1. Ионизационный калориметр HERO для изучения первичных космических лучей
      • 1. 4. 2. Нейтронный детектор в составе спектрометра ПАМЕЛА
      • 1. 4. 3. Сцинтиллирующее оптоволокно PUMA
      • 1. 4. 4. KARMEN, детектор нейтрино. Karlsruhe, West Germany
      • 1. 4. 5. Сцинтилляционный детектор быстрых нейтронов с использованием спектросмещающих волокон
    • 1. 4. 6. Комплекс научной аппаратуры «ГАММА-400» и применение нейтронного детектора в комплексе
      • 1. 4. 6. 1. Структура гамма-телескопа ГАММА
      • 1. 4. 6. 2. Принцип регистрация частиц и основные характеристики
      • 1. 4. 6. 3. Применение нейтронного детектора для выделения электрон-позитронной компоненты на фоне протонов
    • 1. 5. Применение математического моделирования при создании детекторов излучения
    • 1. 6. Результаты моделирования методом Монте-Карло нейтронных детекторов в калориметрии
      • 1. 6. 1. Моделирование потока нейтронов прототипа нейтронного детектора ЖШСАЪ
      • 1. 6. 2. Моделирование нейтронного детектора спектрометра ПАМЕЛА. 44
  • Заключение
  • ГЛАВА. 2. Расчетное моделирование откликов вариантов нейтронного детектора гамма — телескопа ГАММА-400, выбор оптимальной конструкции детектора
    • 2. 1. Назначение и принцип регистрации нейтронного детектора в ГАММА
    • 2. 2. Ядерные реакции, применяемые для регистрации нейтронов
    • 2. 3. Основные предпосылки при проведении расчетных исследований откликов нейтронного детектора
    • 2. 4. Исследования откликов НД с использованием гелиевых счётчиков
    • 2. 5. Исследования откликов НД с пластмассовым сцинтиллятором и листами кадмия
    • 2. 6. Исследования откликов НД на основе кремниевого детектора и борного конвертора
    • 2. 7. Исследования откликов НД на основе пластмассового сцинтиллятора и борного конвертора
      • 2. 7. 1. Детектор с покрытием из бора
      • 2. 7. 2. Детектор с бором, введенным в состав пластмассового сцинтиллятора
    • 2. 8. Исследования откликов НД на основе детекторов с литиевым конвертором

Актуальность проблемы. Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирование во Вселенной является одной из важнейших астрофизических проблем XXI века. Использование гамма-астрономических методов для регистрации процессов аннигиляции и распада гипотетических частиц темной материи (слабовзаимодействующие частицы, вимп-частицы) — основной экспериментальный метод получения прямого ответа на существование частиц темной материи и их характеристик [1]. Гамма-излучение практически полностью поглощается в верхних слоях атмосферы Земли, поэтому гаммаастрономические наблюдения сегодня осуществляют за пределами атмосферы на ИСЗ, орбитальных станциях или космических аппаратах, направляющихся к другим планетам и за пределы солнечной системы. Научный комплекс «ГАММА-400» предназначен для получения данных для определения природы «темной материи» во Вселенной, развития теории происхождения высокоэнергичных космических лучей и физики элементарных частиц, исследования космического гамма-излучения в диапазоне высоких энергий, регистрации заряженных частиц космических лучей, поиска и исследования гамма-всплесков [1]. Сигнал от аннигиляции или распаде частиц темной материи можно ожидать в области энергии гамма-квантов 100 ГэВ и несколько выше. Информацию о процессах самоаннигиляции и распада частиц темной материи, кроме гамма-квантов, могут нести электроны и позитроны [1]. Поток протонов в космосе в 1000 раз больше потока электронов при энергиях больше 100 ГэВ и поэтому необходимо обеспечить выделение электронов на фоне протонов. Как электроны, так и протоны высоких энергий создают каскад в веществе гамма-телескопа, в основном, в калориметре. Но каскады отличаются по форме и составу частиц.

В научном комплексе «ГАММА-400» выделение электронов на фоне протонов планируется проводить по анализу поперечного развития каскада в калориметрах и стриповых детекторах, анализу продольного развития каскада во всех детекторах, а также, по количеству нейтронов, в основном возникающих при взаимодействии протонов в калориметре с помощью детектора нейтронов. Нейтронный детектор (НД) гамма-телескопа «ГАММА-400» предназначен для определения количества нейтронов, возникающих в веществе калориметра при прохождении частицы высокой энергии.

В настоящее время детекторов, позволяющих адекватно решить данную проблему, не существует из-за особенностей спектра нейтронов, их временного и пространственного распределения и ограничений по массе детектора нейтронов. Поэтому работа по разработке нейтронного детектора космического гамма-телескопа «ГАММА-400» и математическому моделированию его характеристик является актуальной научной задачей по созданию новых приборов для исследований в области экспериментальной ядерной физики.

Объект и предмет исследования.

Рассмотрены варианты построения нейтронного детектора для гамма-телескопа «ГАММА-400», важным фактором является эффективность регистрации нейтронов и быстродействие используемого типа детектора, расчетным путем с применением пакета программ ОЕАМТ4 получены эффективности регистрации макетов детекторов различной конструкции. Экспериментально исследованы характеристики лабораторного макета НД. Проанализированы характеристики НД в составе телескопа с использованием его упрощенной схемы в пакете программ ОЕА>ГГ4.

Цель работы. Разработка физической модели детектора нейтронов в составе комплекса «ГАММА-400», предназначенного для разделения электромагнитных и адронных каскадов путём определения количества нейтронов, возникающих при прохождении частиц высокой энергии для обеспечения ре-жекции протонов, обоснование состава детектора и его характеристик. Для этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Провести анализ состава и временных характеристик падающего на детектор излучения.

• Разработать варианты построения нейтронного детектора.

• На основе математического моделирования провести сравнение характеристик различных вариантов построения нейтронного детектора.

• Выбрать оптимальный вариант построения нейтронного детектора, обеспечивающий возможность режекции адронных каскадов.

На основе математического моделирования получить пространственно-временное распределение нейтронов в каскадах различной природы, регистрируемых выбранной моделью нейтронного детектора. Научная новизна работы.

Разработанный нейтронный детектор, состоящий из чередующихся слоев замедлителя и быстродействующих борсодержащих сцинтилляторов с использованием оптоволоконного сбора света, позволяет проводить идентификацию электромагнитных и адронных каскадов по количеству и пространственно-временному распределению нейтронов с минимальным мертвым временем и коэффициентом режекции адронных каскадов от 50 до 10 в зависимости от энергии, регистрируемых протонов, электронов и фотонов в диапазоне энергий 25 — 1000 ГэВ.

Практическая значимость работы.

Выбранная модель нейтронного детектора, благодаря малой длительности сигналов (15−20 не), позволяет значительно уменьшить просчёт нейтронов в адронных каскадах высокой энергии >100ГэВ и других импульсных нейтронных потоках высокой интенсивности (>750 нейтр./см2*с). Разработанная конструкция нейтронного детектора не содержит дефицитных материалов, таких как Не-3 и может быть применена при создании мониторов импульсных потоков нейтронов. Разработанный детектор нейтронов, благодаря оптоволоконному сбору света сцинтилляций, может быть изготовлен любых размеров и применен при создании мониторов для контроля перемещений ядерных материалов.

Автор выносит на защиту.

1. Результаты математического моделирования отклика различных вариантов нейтронного детектора для гаммателескопа «ГАММА-400».

2. Выбор варианта построения детектора для создания действующего образца нейтронного детектора.

3. Результаты математического моделирования пространственно-временного распределения регистрируемых нейтронов в каскадах различной природы.

4. Доказательство возможности разделения электромагнитных и адронных каскадов по количеству и пространственно-временному распределению нейтронов, регистрируемых составными частями нейтронного детектора с коэффициентом режекции от 50 до 10 в зависимости от энергии попадающих в телескоп протонов в диапазоне энергий от 25 до 1000 ГэВ.

5. Результаты экспериментального исследования характеристик действующих образцов нейтронного детектора и их сравнения с результатов математического моделирования.

Содержание работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 86 наименований, содержит 121 страницу, в том числе 87 рисунков и 10 таблиц.

Основные выводы.

1. Изучены способы разделения электромагнитных и адронных каскадов в калориметрии, роль нейтронов при разделении каскадов, существующие системы детектирования нейтронов в калориметрии и применение математического моделирования при создании детекторов излучения.

2. Разработаны алгоритмические модели нейтронного детектора на основе многослойных конструкций замедлителей нейтронов и регистраторов медленных и тепловых нейтронов, таких как: гелиевые счетчикикадмиевые конверторы в сочетании с пластическими сцинтилляторамиполупроводниковые кремниевые детекторы и пластические сцинтилляторы с борными покрытиямипластические борсодержащие сцинтилляторыорганические светопроводы с нанесенным светосоставом на основе смеси 6LiF+ZnS (Ag). 3. Расчетным путем для модельного спектра нейтронов было показано, что эффективность регистрации нейтронов различных детекторов составляет:

• для гелиевых счётчиков в качестве регистратора медленных нейтронов и замедлителя из полиэтилена — 10% для счетчиков 032 мм и 16% для счетчиков 018,5 мм без учета мертвого времени. С учетом мертвого времени — 5% и 9%, соответственно.

• для детектора, состоящего из чередующихся слоев сцинтиллятора на основе полистирола и листов кадмия, — не более 2%. Такая низкая эффективность регистрации нейтронов при достаточном быстродействии (~10 не) такой моделью объясняется тем, что сцинтилляционный детектор, выполненный из материала с малым атомным номером, имеет недостаточную толщину для эффективного взаимодействия с гамма-излучением (п, у) реакции в кадмии;

• для различных модификаций детектора на основе кремниевых детекторов и борного конвертора при применении бора, обогащенного до 80% изотопом В-10, — не более 4%;

• при применении борного конвертора, нанесенного на пластмассовый сцинтиллятор, — 4%;

• для детектора на основе многослойной комбинации замедлителя нейтронов и светосостава б1лР+2п8(А§) — 10%. С учетом малой длительности сигналов (40 не) и высокого световыхода (160 000 фотонов/событие) модель перспективна для дальнейших исследований;

• при использовании борсодержащего пластмассового сцинтиллятора для бора природного состава — не менее 15% и не менее 24% для обогащенного бора.

4. Выбран оптимальный вариант построения нейтронного детектора по наибольшей эффективности регистрации нейтронов адронного каскада (>15%) и достаточному быстродействию (-50 не) на основе замедлителя, быстродействующих борсодержащих сцинтилляторов и оптоволоконного сбора света, обеспечивающий необходимый коэффициент режекции адронных каскадов.

5. Исследовано пространственное и временное распределение нейтронов, регистрируемых выбранной моделью детектора для гамма-спектрометра «Гам-ма-400». Получены параметры разделения адронных и электромагнитных каскадов по количеству и временному распределению зарегистрированных нейтронов. Коэффициент режекции р/е событий меняется от 10 до 50 в зависимости энергии каскада.

6. Изготовлено два варианта исполнения действующих образцов детектора нейтронов: на основе многослойного пластмассового сцинтиллятора с кадмиевыми конверторами и борсодержащего пластмассового сцинтиллятора с полиэтиленовым замедлителем и оптоволоконным сбором света на БЮЭУ. Результаты экспериментальных исследований показали хорошее согласие (с систематическим расхождением -1%) эффективностей регистрации нейтронов и совпадение хода зависимости эффективности регистрации от времени сбора событий для этих образцов.

Заключение

.

В результате проведенных исследований разработаны варианты построения нейтронного детектора гамма-телескопа ГАММА-400 с применением различных типов замедлителей и регистраторов медленных нейтронов и их взаимной компоновки, позволяющего по количеству зарегистрированных нейтронов отделить электромагнитный каскад, развивающийся в гамма-телескопе ГАММА-400 от адронного. Выбран оптимальный вариант состава и построения детектора по критериям наибольшей эффективности регистрации и быстродействию, обеспечивающему минимальное наложение событий регистрации нейтронов в моменты максимальной загрузки. В работе методом математического моделирования в пакете программ веап14 исследованы характеристики рассмотренных вариантов НД в составе гамма-телескопа и проведено сравнение с результатами экспериментов.

В частности, рассмотрены характеристики (эффективность регистрации и возможность раздельной регистрации нейтронов в условиях импульсного потока) следующих моделей построения НД:

1) с использованием гелиевых счётчиков в качестве регистраторов медленных нейтронов и полиэтиленовой пластины в качестве замедлителя;

2) чередующихся слоев сцинтиллятора на основе полистирола и листов кадмия;

3) слоев кремниевых детекторов альфа-частиц, борного конвертора медленных нейтронов в заряженные частицы и полиэтиленового замедлителя;

4) слоев пластмассового сцинтиллятора, борного конвертора и замедлителя из полиэтилена;

5) слоев на основе светосостава 6LiF+ZnS (Ag), нанесенного на светопровод, и замедлителя из полиэтилена;

6) слоев борсодержащего пластмассового сцинтиллятора и полиэтиленового замедлителя.

В заключение сформулируем основные результаты, полученные в ходе выполнения данной работы:

Показать весь текст

Список литературы

  1. A.M. и др., Научные задачи и современное состояние проекта ГАММА-40. // Известия РАН, сер. физ. А., т. 75, с. 926−928, 2011.
  2. С.А., Гальпер A.M., КирилловУгрюмов В.Г.и др. Исследование первичного гамма-излучения с Е > 200 МэВ на ИСЗ с помощью искровой камеры. // Изв. АН СССР, Сер. Физ., Т. 34, № 11, С. 2259, 1970.
  3. Fichtel С. et al. High-energy gamma-ray results from the second small astronomy satellite. //Astrophys. J., V.198, P. 163, 1975.
  4. Bignami G. et al. The COS-B experiment for gamma-ray astronomy. // Space Sci. Instr., V. l, P.245, 1975.
  5. Akimov V. et al. Determination of the characteristics of the gamma-ray telescope GAMMA-1. // Space Science Reviews. // Space Sci. Rev., V.49, P. 125, 1988.
  6. Kanbach G. et al. The project EGRET (Energetic Gamma-Ray Experiment Telescope) on NASA’s gamma-ray observatory GRO. // Space Science Reviews, V. 49, P.69−84, 1988.
  7. Tavani M. et al. The AGILE space mission. // Nucl. Instrum. Methods., A588, P.52, 2008.
  8. Atwood W.B. et al. The large area telescope on the FERMI gamma-ray space telescope mission. // Astrophys. J., V.697, P. 1071, 2009.
  9. Abdo A. et al, Fermi Large Area Telescope First Source Catalog. // Astrophys. J. Suppl., V.188, P.405, 2010.
  10. Abdo A.A. et al. Fermi observations of TeV-selected active galactic nuclei. // Astrophys. J., V.707, P. 1310, 2009.
  11. Wigmans R., On the role of neutrons in hadron calorimetry // Rev. Sci. Instrum, V.69, P.3723, 1998.
  12. Behrens U., et al. Test Of The Zeus Forward Calorimeter Prototype ZEUS Calorimeter Group Collaboration // Nucl. Instrum. Methods, A289, P. 115 138, 1990.
  13. Christian W., Fabjan and Fabiola Gianotti, Calorimetry for Particle Physics // CERN, 1211 Geneva 23, Switzerland, 2003.
  14. H.Balka L., et al. The CDF Central Electromagnetic Calorimeter // Nucl. Instrum. Methods, A267, P.272, 1988.
  15. Bertolucci S., et al. The CDF Calorimetry Upgrade for Run lib. // Nucl. Instrum. Methods, A267, P.301−314, 1988.
  16. Adinolfi M., et al., The KLOE electromagnetic calorimeter. //Nucl. Instrum. Methods, A482, P.364−368, 2002.
  17. Antonelli A., et al. Construction and performance of the Lead-scintillating fiber calorimeter prototypes for the KLOE detector. // Nucl. Instrum. Methods, A354, P.352, 1995.
  18. Decamp D., et al. ALEPH Collaboration // Nucl. Instrum. Methods, A294, P.121, 1990.19.http://public.web.cern.cli/public/en/Research/LEPExp-en.html
  19. Gabriel T. A., et al., Uranium liquid-argon calorimeters: A calculational investigation. //Nucl. Instrum. Methods, A338, P.336, 1994.
  20. Groom D. E., Review of particle physics. //In Proceedings of the 7th International Conference on Calorimetry in High Energy Physics, Tucson, AZ, edited by E. Chen, et al., (World Scientic, Singapore), P. 507, 1998.
  21. Bottai S., Castellini G., Papini P., et al., An innovative approach to compact calorimetry in space, NEUCAL // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A617, P. 464−466, 2010.
  22. Lawrence W. J., The Separations Between Hadrons And Electromagnetic Particles Using An Ionization Calorimeter // Nuclear Instruments And Methods, A144, P. 341−342, 1977.
  23. Casolino M., Picozza P., Altamura F., Launch of the space experiment PAMELA // Adv. In Space Res., V.42, P. 455−466, 2008.
  24. Papini P., Adriani O., Ambriola M., et al., In-flight performances of the PAMELA satellite experiment // Nucl. Instr. And Meth. In Phys. Res., A588, P. 259−266, 2008.
  25. A.M. Гальпер, Элементарные частицы и скрытая масса во Вселенной одна из главных научных задач эксперимента «ПАМЕЛА». (http://www.federalspace.ru/main.php?id=133).3 0. http ://aspect. dubna. ru/31 .http://nucsafe.com/
  26. Britvich G.I. et al., Search for new scintillators for high-energy resolution electromagnetic calorimeters // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res, A426, 1999.
  27. A.M., Топчиев Н. П., Материалы в обосновании принципиальных возможностей создания гамма-телескопа «ГАММА-400» // отчет по ОКР. ФИАН, Москва, 2012 г.
  28. Galper A.M., et al., Advances and Space Research. // arXiv: 1201.2490, 2012.
  29. A.M. Galper, et al., GAMMA-400 Space Observatory // Nuovo Cimento, V. 34 C, No. 3, P. 71−75, 2011.
  30. А.А., Михайлов А. П., Математическое моделирование // M.: Наука. Физматлит, 1997.
  31. Н.Н., Математическое и компьютерное моделирование. // -Вводный курс. -М.: Эдиториал УРСС, 2001.39. http://ru.wikipedia.org/wiki/MCNP40. http://mcnp.lanl.gov/
  32. А. П., Отчёт по инструкции использованию программы MCNP-4.1 для персонального компьютера // НИКИЭТД995.
  33. Х-5 Monte Carlo Team, MCNP5 manual, MCNP — A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5 Volume I: Overview and Theory. // University of California, Los Alamos National Laborator, 2003.43. http://www.fluka.org
  34. Shoji Т., et. al., The CALET mission for detection of cosmic ray sources and dark matter. // J. Phys. Conf. Ser. V.120, 62 020, 2008.
  35. Botta I., Castellini G., et al., An innovative approach to compact calorimetry in space, NEUCAL. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A617, P. 464166, 2010.
  36. Bellotti R., Boezio M., Volpe F., A particle classification system for the PAMELA calorimeter. //Astroparticle Physics, 22, P.431−438, 2005.
  37. Malvezzi V., Performance of neutron detector and button trigger for the space instrument PAMELA // INFN and University of Rome, Italy, 2005.
  38. Brun R. and Carminati F., // CERNProgram Library, W5013, P.427,1993.
  39. Berman B. L. Atom. Data Nucl. Data Tabl. // V.15 (No. 4), 398, 1975.
  40. Yuri I., Stozhko V., About separation of hadron and electromagnetic cascades in the pamela calorimeter. // International journal of modern physics, V. 20, No. 29, P. 6745−6748, 2005.
  41. Крамер-Агеев Е.А., Лавренчик В. Н., Самосадный В. Т., Протасов В. П. -Эксперементальные методы нейтронных исследований // М.:Энергоатомиздат, 1990.
  42. Knoll Glenn F. Knoll. Radiation Detection and Measurement 3rd. Third Edition
  43. Практикум по компьютерному моделированию ядерных процессов с использованием библиотеки GEANT4 // Методические указания к лабораторным работам, Минск, 2007.60. http://cern.ch/GEANT4/
  44. GEANT4 physics reference Manual.62. http ://root. cern. ch/drupal/content/users-guide
  45. В.Г. Частное сообщение.
  46. Кадилин В. В, Деденко Г. Л, Тант Зин и др. Оценка эффективности нейтронного детектора для измерения характеристик импульсных потоков нейтронов. // Яде. Изм. Инф. Тех., т. 2, с. 4−8, 2012.
  47. Тант Зин, Сравнение расчетных результатов эффективности нейтронного детектора научного комплекса «ГАММА-400». // Конференция «Ломоносов-2011», сб. тезисов, Секция «Физика», Подсекция «Астрофизика», С. 8.
  48. Г. И., Васильченко В. Г., Гилицкий Ю. В. и друие, Прототип детектора нейтронов на основе борсодержащего пластичекого сцинтиллятора. // Препринт ИФВЭ 2004−9. -Протвино, 2004 -22с, 13 рисунке, библиогр.:33.
  49. Кадилин В. В, Деденко Г. Л, Тант Зин, Расчетное моделирование эффективности регистрации нейтронного детектора гамма телескопа «ГАММА-400». // Ядерная физика и инжиниринг, том 4, № 1, с. 1−8, 2013.
  50. Кадилин В. В, Деденко Г. Л, Тант Зин, Расчетное исследование пространственно-временного отклика нейтронного детектора в составе комплекса «GAMMA-400». // Естественные и технические науки, 2012, № 6.
  51. Ю.В. Стенькин, Д. Д. Джаппуев, Х.Ф. Вальдес-Галисия, Нейтроны в широких атмосферных ливнях. // ЯФ. 2007. Т. 70. № 6. С. 1123.
  52. Ю.В. Стенькин и др. Нейтроны в ШАЛ. // Изв. РАН. Сер. физ. 2007. Т. 71. № 4. С. 558
  53. Border P. et al. A large liquid scintillator detector for a long baseline neutrino oscillation experiment. //Nucl. Instrtum. Methods, A463, P. 194, 2001.
  54. Benussi L. et al. Large liquid-scintillator trackers for neutrino experiments. // Nucl. Instrtum. Methods, A488, P.503, 2001.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!