Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эксперименты по поиску массы нейтрино 7
1.1 Осцилляции нейтрино 8
1.2 Двойной бета-распад 12
1.3 Наблюдение нейтрино от сверхновых звезд 13
1.4 Исследования бета-спектра 14
1.4.1. Определение массы нейтрино из бета-спектра трития вблизи граничной энергии 15
1.4.2 История исследований бета-спектра трития 18
1.4.3 Эксперимент в Майнце 22
Глава 2. Установка «Троицк ню-масс» 25
2.1 Состав установки 25
2.2 Принцип работы спектрометра 26
2.3 Конструкция спектрометра 28
2.4 Вакуумная система спектрометра 31
2.5 Криогенная система установки 32
2.6 Тритиевый источник электронов 33
2.7 Контроль состава газовой смеси в источнике 38
2.8 Искусственный источник электронов (электронная пушка) 39
Глава 3. Система сбора данных 47
3.1 Особенности регистрации 47
3.2 Структура системы сбора данных 47
3.3 Контроль за температурами элементов спектрометра 48
3.4 Канал регистрации электронов 50
3.4.1 Детектор 50
3.4.2 Предварительный усилитель 5 1
3.4.3 Усиление и оцифровка сигнала 53
3.4.5 Мониторный детектор 57
3.5 Форма амплитудного спектра 59
3.6 Проверка линейности канала сбора данных 62
3.7 Контроль за давлениями в источнике и спектрометре 63
3.8 Высоковольтная система 64
3.9 Программное обеспечение системы сбора данных 68
3.9.1 Выбор рабочих точек 68
3.9.2 Алгоритм сбора данных 68
3.9.3. Отображение результатов во время набора данных 70
3.9.4 Хранение данных 71
3.10. Предварительная обработка полученных экспериментальных данных 71
3.10.1 Источники фона 72
3.10.2 Временной анализ сигналов с детектора 74
3.10.3 Отбор данных для обработки 76
3.10.4 Выбор эффективности регистрации 76
3.10.5 Фильтрация «пачек» импульсов 79
3.10.6 Коррекция на необнаруженные пачки импульсов 81
3.10.7 Коррекция на мёртвое время АЦП 82
3.10.8 Коррекция на наложения импульсов 83
3.10.9 Вычисление темпа счёта 85
3.11 Сравнение теоретического и экспериментального спектров 86
3.12 Зависимость результатов фитирования данных от параметров предварительной обработки 89
3.13 Результаты измерений 90
3.14 Аномалия бета-спектра 93
3.15 Развитие установки. Проект «КАТРИН» 94
Заключение 95
Приложения 97
- Определение массы нейтрино из бета-спектра трития вблизи граничной энергии
- Контроль состава газовой смеси в источнике
- Предварительная обработка полученных экспериментальных данных
- Зависимость результатов фитирования данных от параметров предварительной обработки
Введение к работе
Экспериментальная проверка возможности существования ненулевой массы нейтрино является одной из интереснейших задач современной физики элементарных частиц и космологии. Открытие такой массы могло бы изменить наши представления об эволюции Вселенной и помогло бы решить задачу поиска темной материи во Вселенной. Вопрос о том, имеет ли нейтрино массу, играет ключевую роль и при построении современных теорий элементарных частиц - таких как Теория Великого Объединения и Теория Суперсимметрии.
В последнее время физика нейтрино приобретает всё большую актуальность в связи с некоторыми указаниями на существование процессов за рамками Стандартной Модели физики элементарных частиц — осцилляции нейтрино, а так же дефицит солнечных электронных и атмосферных мюонных нейтрино могут быть объяснены существованием конечной массы у нейтрино. Хотя Стандартная модель и описывает поведение электрослабых и сильных взаимодействий в хорошем соответствии с экспериментальными результатами, она требует многих входных параметров, таких, как массы элементарных частиц и константы взаимодействий. Они не могут быть выведены из теории и нуждаются в экспериментальном определении. Тот факт, что Теория Великого Объединения будет существовать с большей симметрией, указывает на то, что Стандартная модель является не более чем приблизительной теорией в диапазоне низких энергии.
Современные модели Великого Объединения могут объяснить данные наблюдения и допускают существование массы у нейтрино в диапазоне 1.-2 эВ [1]. Другие модели, также используемые для объяснения недостатка солнечных нейтрино, при использовании механизма see-saw приводят к существованию у нейтрино масс порядка 0.1-1 эВ [2], [3].
Существуют веские указания на отклонения от Стандартной модели и на наличие у нейтрино ненулевой массы в неускорительных экспериментах последних лет - Super-Kami okande [4], Sudbury Neutrino Observatory (SNO) [5], CAMLAND, SAGE, GALLEX.
На сегодняшний день проводится несколько десятков различных экспериментов, которые могли бы обнаружить ненулевую массу нейтрино.
Один из них проходит начиная с 1983 года на экспериментальной установке «Троицк ню-масс», созданной в Институте ядерных исследований РАН. На этой установке проводятся регулярные измерения бета-спектра трития вблизи граничной энергии с целью поиска массы покоя электронного антинейтрино.
Полученные результаты дают лучший в мире на данный момент верхний предел на массу электронного антинейтрино в прямых бета-распадных экспериментах и указывают на возможное существование аномалии в бета-спектре трития вблизи граничной энергии [6].
Данная работа состоит из трех глав, в первой из которых дан исторический обзор экспериментов по поиску массы нейтрино, во второй более подробно описана установка «Троицк ню-масс», а в третьей рассматриваются основные принципы построения системы сбора данных этой установки. Так же обсуждаются вопросы, возникающие при первичной обработке полученных результатов эксперимента.
Определение массы нейтрино из бета-спектра трития вблизи граничной энергии
Двойной безнейтринный бета-распад может наблюдаться лишь в случае, если нейтрино является массивной Маиорановской частицей. Его можно отличить от двухнейтринного распада по спектру бета-частиц. В 2v(3/3 распаде бета-спектр, как и в обычном бета распаде, является сплошным. В безнейтринном же бета-распаде сумма энергий бета-частиц оказывается константой, и в экспериментах пытаются зарегистрировать такой моноэнергетический сигнал. В этих исследованиях наибольшая чувствительность получена с изотопом ив, который присутствует в природном германии, а, следовательно, и в любом германиевом детекторе частиц. Другие используемые изотопы это Se, 3 Nd, Хе, Са. Прямые (не геохимические) эксперименты по (3(3 распаду можно разделить на два типа — с активным источником, где последний является также и детектором, и с пассивным источником. Эксперименты первого типа идентифицируют (3(3 распад по распределению полной энергии электронов. Эксперименты второго типа в принципе дают более полную информацию о [3(3 событиях путем измерений совпадения времён, треков и вершин электронов, а также распределения их энергии. Наибольшая чувствительность на распад 0v(3(3 в настоящее время достигается в экспериментах с использованием 76Ge [21] и, несколько хуже, с В6Хе [22].
Основная причина заключается в том, что могут быть получены источники, которые наряду с высокой интенсивностью обладают высоким энергетическим разрешением, особенно при использовании обогащенных (3(3 эмиттерами материалов. Дополнительные критерии, котором должен удовлетворять источник — это малость произведения Ту \?nv) э то есть большое значение матричного элемента или фазового объёма, а так же величина Qpp должна быть за пределами природной радиоактивности (2.614 МэВ). Наиболее низкий предел на массу из распада 0VJ3/3B настоящее время дает эксперимент Heidelberg-Moscow [23]. Эксперимент проводится в подземной лаборатории Gran Sasso и использует пять обогащенных (86% Ge) детектора полной массы 11.5 кг. К данному моменту получен предел на майорановскую массу электронного нейтрино (mvj 0A7 эВ (90%C.L.). В последующие годы от экспериментов по 0 vfifi ожидается получить предел на массу нейтрино на уровне 0.1 эВ. Однако, часть коллаборации утверждает, что последние результаты могут быть интерпретированы как события двойного безнейтринного распада на уровне периода распада 2-КЗ-1025 лет с ошибкой 4а.
Стандартная модель взрыва сверхновых звёзд второго рода основана на предположении, что в процессе эволюции, ядро массивной звезды в результате коллапса достигает ядерных плотностей. Прирост энергии гравитационного взаимодействия при этом составляет 1053 эрг, тогда как наблюдаемые кинетическая энергия материи и энергия электромагнитного излучения порядка 105 эрг. Почти вся оставшаяся энергия приходится на долю испущенных нейтрино. Современные оценки предсказывают для спиральной галактики подобной нашей примерно одно рождение сверхновой каждые (40 ± 20) лет [24]. Из всех сверхновых лишь около половины относится ко второму типу, и лишь от них ожидается поток нейтрино. Получение предела на массу нейтрино от сверхновой сопряжено с рядом трудностей. Во-первых, должны быть полностью понятны все процессы, генерирующие нейтрино, происходящие после окончательного коллапса массивной звезды, а во-вторых, нужно знать путь, который проделали нейтрино и взаимодействия, испытанные ими. И, наконец, данные, полученные уже в детекторе, должны получить чёткую интерпретацию. После взрыва сверхновой 1987А события, зарегистрированные детекторами 1MB, Kamiokande и Mt. Blanc LSD, дают основания поставить предел на массу электронного антинейтрино fwk- 23 эВ [25].
Эксперименты по исследованию бета-спектра вблизи граничной энергии, основанные на кинематике распада, в отличие от экспериментов по осцилляциям и двойному безнейтринному бета-распаду не требуют нарушения лептонного числа. Так, нулевой результат в последних не обязательно подразумевает равенство нулю массы нейтрино, а может лишь означать, что не наблюдалось нарушение сохранения лептонного числа. Особую популярность приобрели эксперименты, в которых исследуется бета-спектр трития. Изучается энергетический спектр электронов, образующихся в распаде
Контроль состава газовой смеси в источнике
Канал транспортировки электронов электронной пушки до сверхпроводящего соленоида показан на Рис. 14. Он состоит из фокусирующих линз (LI), (L3), поворотного магнита (М), и системы цилиндрических катушек, соосных с катушкой соленоида (L2, К1-К4).
Расстояние от электронной пушки до центра первой линзы равно расстоянию от центра второй линзы до фокуса и равно половине расстояния между линзами. Если линзы одинаковые и последовательно запитань! от одного источника тока, то при определённом значении тока в них дублет линз осуществляет в линейном приближении минус единичное преобразование координат электронов от электронной пушки до фокуса второй линзы.
Расчёты показывают, что для компенсации искажений, вносимых в матрицу преобразований координат канала транспортировки поворотным магнитом, достаточно уменьшить расстояние от центра второй линзы до фокуса на -15% и на несколько процентов уменьшить ток в линзах. Конструктивно линзы выполнены как бронированные короткие соленоиды, а поворотный магнит отклоняет электроны на 30 и представляет собой пару коаксиальных катушек, помещённых внутри цилиндрического магнитопровода из пермаллоя толщиной 2 мм. Расстояние от второй линзы до катушки К1 выбрано так, что бы фокус канала транспортировки L1-M-L2 совпал с эффективной границей магнитного поля в катушке К1. Форма и взаимное расположение катушек К1-К4 подобраны так, чтобы в сумме с краевым полем сверхпроводящего соленоида тритиевого источника было постоянным ( 300 эрст.), а в переходной области между катушкой К4 и сверхпроводящим соленоидом плавно возрастало от до значения поля соленоида - 5 Тл. Критерием однородности и плавности изменения магнитного поля служит условие адиабатичности движения электронов где ось z совпадает с осью катушек К1-К4 и сверхпроводящего соленоида, Bz - продольная компонента магнитного поля на оси, /?/ - ларморовский радиус электрона в поле Bz. Таким образом, пучок электронов из электронной пушки фокусируется экранированным каналом транспортировки на вход катушки К1, а затем адиабатически транспортируется магнитным полем.
Второе плечо канала, L2-M-L3 предназначено для транспортировки электронов из тритиевого источника до детектора (D). Этот детектор может быть использован для контроля интенсивности тритиевого источника в ходе регулярных измерений / -спектра трития.
Такая конструкция канала транспортировки позволяет избежать попадания электронов, движущихся со стороны тритиевого источника на пушку - они отклоняются поворотным магнитом в противоположную пушке сторону. При отсутствии такой поворотной системы может происходить следующий эффект: часть электронов от пушки отражается от магнитной пробки тритиевого источника и возвращается к пушке (электроны могут не пройти электростатический потенциал спектрометра, либо отразиться от детектора). Отражаясь от потенциала на пушке, они вновь начинают двигаться к тритиевому источнику, и, в конце концов, теряя адиабатичность за счёт рассеяния эти электроны могут попасть на детектор и быть зарегистрированы. Результатом таких блужданий будет регистрация электронов, прошедших источник неоднократно, что искажает функцию прохождения электронов через источник. Кроме этого, вынос пушки из непосредственной близости от источника, высокое вакуумное сопротивление канала транспортировки и дополнительная откачка перед самой пушкой уменьшает на 2 порядка бомбардировку пушки ионами трития из тритиевого источника. Результатом такой бомбардировки является вторичная эмиссия электронов, которая может вызвать сильное уширение линии пушки. На Рис. 16 показан такой пример выбивания электронов ионами трития в первоначальной конструкции пушки без поворотного магнита.
При такой конструкции пушки приходилось ослаблять поле в источнике, чтобы уменьшить вероятность регистрации электронов, отражённых от пушки. Позднее в конструкцию пушки был введён поворотный магнит, что дало возможность значительно улучшить её работу и существенно поднять интенсивность (Рис. 17). При работе с электронной пушкой используется следующая последовательность набора данных: Файл с тритием в источнике и открытой лампой пушки. Фоновый файл с тритием, но без света (УФ-лампа закрывается шторкой). Файл без трития (закрывается вентиль натекателя трития в источник), но со светом. Фоновый файл и без трития и без света. После каждого цикла фиксируется изотопический состав газа в источнике и счёт в мониторной точке. Время измерения каждой точки составляет 10 секунд. Каждый цикл измерений повторяется несколько раз, затем файлы суммируются, вычитается фон и вычисляется темп счёта с соответствующей ошибкой. При суммировании вводится поправка на мёртвое время системы сбора. Энергия электронов при измерениях с пушкой устанавливается немного выше граничной энергии бета-спектра трития, чтобы уменьшить влияние интенсивности источника.
Предварительная обработка полученных экспериментальных данных
Сигнал с детектора снимается с помощью зарядочувствительного предварительного усилителя «ПУМА-73», головной каскад которого (см. Рис. 22) располагается в непосредственной близости от детектора и охлаждается вместе с ним. Вся остальная часть предусилителя вынесена на расстояние 1 метр от головного каскада. Такое решение позволило вдвигать детектор через шибер внутрь спектрометра, а также иметь возможность быстрой замены детектора без нарушения вакуума спектрометра.
В первом каскаде предварительного усилителя был применён полевой транзистор типа КП341А, отобранный по шумовым характеристикам. В ходе работы выяснилось, что при вводе детектора в спектрометр этот транзистор может переохладиться, поскольку находится вблизи сверхпроводящего соленоида, и характеристики всего предусилителя в целом резко ухудшаются. Поэтому дополнительно в схему был введен дополнительный резистор, который нагревает транзистор предусилителя до рабочей температуры. Применённая схема с заземлённым истоком наименее всего подвержена наводкам со стороны резистора нагрева. Подбором напряжения, подаваемого на этот резистор, была установлена оптимальная рабочая точка всего каскада в целом, то есть был достигнут компромисс между падением усиления каскада при охлаждении и ростом шумов при нагревании. По нашим оценкам оптимальные характеристики каскада были достигнуты при температуре транзистора порядка 125 К, при этом подводимая к нагревательному резистору мощность составила 0.23 Вт. Монтаж был осуществлён таким образом, чтобы нагрев самого детектора был минимальным. предварительного усилителя с детектором (охлаждаемая часть).
Также опытным путём по наилучшему разрешению была подобрана величина постоянной составляющей сигнала обратной связи. Она составила от -0.1 до -0.3 В, в зависимости от экземпляра транзистора.
Разместить весь предварительный усилитель, выполненный по традиционной технологии рядом с детектором не представляется возможным, поскольку некоторые компоненты, например биполярные транзисторы или электролитические конденсаторы, не работают в условиях низких температур, либо не приспособлены к работе в условиях вакуума. Вынос же всего предварительного усилителя за пределы вакуумного объёма спектрометра потребовал бы подключения к детектору кабеля метровой длины, что увеличило бы в разы суммарную ёмкость детектора и кабеля и значительно ухудшило бы разрешение по энергии.
Были сделаны попытки создать миниатюрный предварительный усилитель по гибридной технологии с подогревом активных элементов. Это позволило бы приблизить весь усилитель к детектору и отказаться от длинной линии обратной связи, что безусловно улучшило бы его характеристики. Однако, к сожалению, эти работы были остановлены из-за недостаточного финансирования и дальше макета дело не пошло. Закупить близкие по параметрам гибридные усилители, применяемые на спутниках NASA, также не получилось из-за их космической стоимости.
Помимо предварительного усилителя «ПУМА-73», применённого у нас, была проверена возможность выноса первого каскада усилителей ORTEC 142 (как в обычной, так и в малошумящей версии). Эти усилители показали неплохие результаты, однако разрешение по энергии оказалось примерно на 15% хуже.
Современный предварительный усилитель производства ПИЯФ, сделанный на базе микросхемы Analog Devices 8032, и работающий на коротких проводах практически идеально, при выносе первого каскада на 1 метр показал наименее стабильную работу.
Основное усиление и формирование сигнала методом однократного дифференцирования и интегрирования с одинаковыми постоянными осуществляется усилителем ORTEC 572 (время формирования — 0.5 мкс). Затем сигнал оцифровывается 12-разрядным спектрометрическим аналого-цифровым преобразователем типа ADC-4K производства ПИЯФ. Этот АЦП работает по принципу поразрядного взвешивания с динамическим выравниванием. Время преобразования АЦП постоянно и составляет 3.91 мкс.
Динамическое выравнивание позволяет резко уменьшить дифференциальную нелинейность применённого в модуле интегрального АЦП. Для его реализации ко входному сигналу добавляется небольшой случайный постоянный уровень, задаваемый 6-ти разрядным ЦАПом. Из полученного после преобразования кода вычитается код, записанный ранее в ЦАП. При следующем импульсе код ЦАПа меняется.
Для управления процессом набора данных, отработкой временного интервала и для накопления данных, получаемых от АЦП, применяется специальный блок MADC (модуль буферной памяти с фиксацией времени прихода каждого события). Шаг оцифровки времени прихода события зависит от длительности набора данных и составляет от 50 до 200 не. Этот модуль был разработан и изготовлен по нашему заказу в ЛВЭ ОИЯИ (г. Дубна), и выполнен в стандарте КАМАК, Полной ёмкости модуля памяти MADC в 1.5 Мегабайта хватает для записи 256 К событий. На каждое событие выделено 48 байт, из которых 12 отводится на запись амплитуды, 28 байт на запись времени, остальное - на служебные метки.
Зависимость результатов фитирования данных от параметров предварительной обработки
Упрощённо алгоритм программы сбора данных можно представить следующим образом: 1. После запуска программы происходит проверка включения крейтов КАМАК, а так же инициализируются все модули, требующие первоначальных установок для своей работы. Для проверки включения осуществляется чтение сигналов Q и X, подтверждающих приём и выполнение команд по известным станциям и адресам блоков КАМАК и проверяется отсутствие этих сигналов на заведомо пустых станциях. 2. После ввода комментариев и названия файла запускается набор данных. Существует возможность автоматического перезапуска программы сбора после набора очередного файла, при этом номер в названии файла увеличивается на единицу. 3. В ЦАП В1-13, управляющий высоковольтным преобразователем напряжения, с помощью параллельного регистра POLON 350 записывается значение напряжения очередной рабочей точки, после чего выдерживается пауза на время переходного процесса (от 3 до 5 секунд). 4. С помощью быстрой схемы сравнения проверяется, что разница между установленным и измеренным напряжением не превышает значения в 0.2 В по крайней мере одну секунду. Точное значение установленного напряжения будет измерено позднее с помощью прецизионного вольтметра, которому требуется для измерения не менее 10 секунд, а пока мы это время экономим. 5. Измеряется рабочее давление трития в источнике, а также значение давления в четырех контрольных точках источника и спектрометра. Для этого выходы вакуумметров последовательно подключаются с помощью мультиплексора ко входу АЦП. 6. Все модули подготавливаются к работе. Модулем OV1 по команде от контроллера вырабатывается стартовый сигнал для начала набора данных. Начинается накопление данных в буферной памяти модуля MADC об амплитуде сигналов с детектора и их времени появления относительно стартового импульса. Связка модулей АЦП-память работает автономно, без участия компьютера. 7. Во время набора осуществляется мониторинг установленного напряжения. Для этого каждую секунду проверяется логический уровень сигнала на выходе быстрой схемы сравнения высокого напряжения и счетчик, на который заведен этот сигнал. Если высокое напряжение отклонилось от заданного, в файле данных делается соответствующая отметка для последующей обработки. Параллельно управляющий компьютер следит за переполнением буферной памяти. 8. По окончании набора (время отсчитывается всё в том же модуле буферной памяти MADC) измеряется давление трития и считывается с прецизионного вольтметра значение высокого напряжения. 9. Компьютер считывает из буферной памяти набранные данные, которые записываются в файл. На монитор выводятся основные счета, давления, значения мониторных точек. При необходимости можно посмотреть спектр сигнала с детектора. 10. Запускается новая точка измерений (см. п. 3). После того, как будут пройдены все точки, автоматически запускается набор нового файла данных с точками, расположенными в обратном направлении. Программа сбора предусматривает также редактирование списка рабочих точек, запись комментариев к каждому файлу, изменение различных настроек и сохранение их под различными именами. Программа написана на языке программирования Паскаль с ассемблерными вставками и состоит примерно из 3000 строк, не считая библиотек для работы с контроллером КАМАК и графических библиотек, скомпилирована в среде Borland Pascal версии 7.01 и работает либо под управлением операционной системы MS-DOS, либо в DOS-окне Windows. Последний вариант позволяет легко переписывать набранные файлы по локальной сети, не прерывая основной набор. Во время работы на экран выводятся параметры текущей и предыдущей точки измерения, выводится список с данными по всем пройденным мониторным точкам и значения рабочих давлений в спектрометре и источнике. Имеется возможность вывести на экран амплитудный спектр сигнала с детектора для последней измеренной точки.
В один файл записываются данные обо всех рабочих точках, пройденных в одну сторону. Набор одного такого файла длится около 2 -2,5 часов. Объём файла порядка 5-6 Мбайт. Во время измерений файлы по сети переписываются на другой компьютер, который используется для предварительной обработки полученной информации, а так же для резервного копирования.
К хранению данных на установке «Троицк ню-масс» предъявляется специфическое требование — устойчивость носителя данных к воздействию сильных магнитных полей. Объём данных, получаемых на установке, по нынешним меркам невелик, примерно 1 Гб в месяц. Сейчас подобная задача решается просто с появлением на рынке достаточно дешевых устройств записи CD-R. Однако, в 1994 году это было реальной проблемой (ёмкость жёсткого диска нашего компьютера для сбора данных составляла в то время 80 Мб) и выход был найден в использовании магнитооптических дисков ёмкостью сначала 128, а затем и 230 Мб. Сейчас весь архив данных переведен на CD-R.
