Артёмовская научная станция

    100-тонный сцинтилляционный подземный детектор был создан в отделе лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики ИЛИ АН СССР для изучения:
1) антинейтринных потоков от коллапсирующих звезд в Галактике;
2) спектра и взаимодействий мюонов космических лучей с энергиями до 10¹³ эВ.
    Кроме названных двух основных задач программа исследований включает в себя:
3) изучение потоков адронов, содержащихся в ЯД каскадах, генерируемых мюонами под землей;
4) исследование характеристик распадов трансурановых элементов;
5) поиск галактических вариаций космических лучей;
6) Изучение угловых характеристик мюонов космических лучей;
7) поиск атмосферных нейтрино, приходящих из нижней полусферы.
    Условия экспериментов требуют непрерывной работы установки. События, регистрируемые в задачах 1), 7), редки: предполагаемая частота события, порядка 0.02-0.2 в год, атмосферных нейтрино ожидается около 8-10 в год.
Темп счета в других задачах выше: число мюонов, проходящих через установку, - 5 сек^-1 , ливней с энерговыделением > 80 ГэВ - 3 час^-1, из них около 15% составляют каскады, генерированные в неупругом взаимодействии мюонов с ядрами грунта.
    Детектор находится в соляной шахте на глубине 570 м.в.э. (г. Артемовск, Донбасс). Он цилиндрической формы, диаметр (556±3) см, высота 547 см. Детектор содержит 105 тонн жидкого сцинтиллятора ЖС) на основе уайт-спирита. Высота столба сцинтиллятора 540 см, плотность - 0,78 г/см³. Размеры и расположение установки определяются целями экспериментов. Регистрация антинейтрино от коллапсирущей звезды основывается на реакции Райнеса-Коуэна взаимодействия антинейтрино с протоном (ядро водорода), входящим в состав сцинтиллятора:
    n _e + p -> e + n
    Вклад взаимодействий с протонами ядра ¹²С мал, т.к. порог взаимодействия ~ 19 МэВ, а энергетический спектр антинейтрино имеет максимум в области ~ 10 МэВ и охватывает интервал от 3 до 30 МэВ. Установкой фиксируется появление обеих частиц - позитрона и нейтрона, при этом определяется энергия позитрона. Импульс от ионизационных потерь позитрона является стартовым для регистрации нейтронов по гамма -квантам захвата на водороде с характерным временем захватав t = 170 мксек.
    n + p -> d* -> d+g, E=2.23МэВ
    Для уверенного обнаружения коллапса необходима достаточно большая масса регистрирующего вещества, так же как и для увеличения эффективности регистрации g-квантов из реакции.
    Увеличение размеров детектора было желательно и с точки зрения исследования взаимодействий мюонов. Это уменьшает недомер энерговыделения каскада за счет выхода его из установки и, как уже отмечалось, приводит к увеличению эффективности регистрации нейтронов, содержащихся в каскадах и используемых для их разделения в зависимости от природы происхождения.
    Масса детектора была выбрана ~ 100 тонн. Предполагалось, что он явится прототипом огромного 1000-тонного монодетектора. На 100-тонной модели планировалось проверить детали конструкторского решения и отработать методику экспериментов. К этому можно добавить, что проблемы создания 100-тонного монодетектора, как и детектора, по массе на порядок большего, качественно отличаются от проблем, с которыми пришлось столкнуться при конструировании жидкостных сцинтилляционных счетчиков массой 0,3 тонны. Нужно отметить, что 100-тонный детектор имеет размеры порядка длины электромагнитного ливня с начальной энергией 100 ГэВ.
    Цилиндрическая форма детектора с почти равновеликими высотой и диаметром была выбрана, с одной стороны, из соображений упрощения оценочных расчетов и технологичности конструкции, с другой.
    Размещение установки в соляной шахте уменьшило фон естественной радиоактивности примерно в 300 раз по сравнению с помещением в обычном грунте. Темп счета составил 1,1*10³ имп/сек в диапазоне (1-3) МэВ регистрации энерговыделений от гамма-квантов nр захвата. Глубина расположения и большие размеры детектора снизили фон, связанный с мюонами космических лучей, до 0,4 имп/сек в интервале 5-50 МэВ, где регистрируется позитрон из реакции (I.I). Этот фон создается, в основном, мюонами, пересекающими детектор по коротким путям, и g-квантами каскадов, генерированных мюонами в соли.
    Цилиндрический контейнер детектора сварен из нержавеющей стали толщиной 4 мм. Контейнер герметично закрывается стальной крышкой при помощи поджимающих струбцин и полиэтиленовой уплотняющей прокладки. Для проведения измерений и проверок в крышке сделаны 6 также герметично закрывающихся отверстий диаметром 3 см, расположенных по радиусу, и люк диаметром D = 80 см. В центре контейнера находится опора, D = 10 см, поддерживающая крышку. Детектор имеет систему экстренного слива сцинтиллятора в емкости, находящиеся поблизости. Он установлен на передвигающейся по рельсам платформе и по всей высоте окружен конструкцией для эксплуатации установки. На платформе детектор вдвигается в полость, выбранную в соли по его размеру (среднее расстояние от стенок детектора до грунта - 120 см). В боковой поверхности контейнера сделаны 144 отверстия, D = 25 см, которые с помощью фланцев и фторопластовых прокладов закрыты иллюминаторами из оргстекла толщиной 10 см. Коэффициенты преломления оргстекла и сцинтиллятора одинаковы и равны ~1.5 (для волны l = 4200 А°) .
    К иллюминаторам притираются фотоумножители, просматривающие весь объем детектора. Оптический контакт между фотокатодом и иллюминатором осуществляется посредством смазки на основе вазелина. Внутренняя поверхность контейнера оклеена светоотражающей пленкой - лавсаном с диффузно отражающим покрытием из двуокиси титана TiO₂, kотр пленки в области максимальной чувстельности фотокатода используемых ФЭУ (l = 4200 А) равен 0,86.
    Поверхность детектора сделана отражающей с тем, чтобы увеличить число фотоэлектронов для одного ФЭУ от малых энерго-выделений . С этой точки зрения желательна большая прозрачность сцитиллятора для указанной длины света l. ЖС был приготовлен на основе уайт-спирита C_nH_2n+2 (n=10). Уайт-спирит - низкотоксичное вещество с температурой вспышки +38°С, очищался перегонкой под давлением через хромотографическую окись алюминия Al₂O₃ с одновременным растворением шифтера POPOP’a C₂₄H₁₆N₂₀₂ до концентрации 0.03 г/литр. Сцинтиллятор заливался в контейнер порциями по 1,2 м³ , прозрачность каждой порции до растворения POPOP’a контролировалась на модифицированном спектрофотометре СФ-14 с увеличенной базой измерения 80 см и ФЭУ-110 в качестве регистрирующего элемента. Величина прозрачности lсц, постепенно изменялась в зависимости от чистоты Аl₂0₃ от ~ 35 до 20 метров. Поддерживать высокую прозрачность можно частой заменой загрязняющейся окиси алюминия. Оптимальное значение прозрачности, с учетом желаемых физических свойств детектора и экономичности, было выбрано lсц,~25 м.
    После заполнения детектора сцинтиллятор был пробарботирован аргоном, затем растворялась сцинтилляционная добавка РРО (С₁₅Н₁₁NО) до концентрации 0,7 г/литр. При барботаже растворенный в сцинтилляторе кислород замещался аргоном, и световыход увеличивался примерно в два раза. Барботирование проводилось при непрерывном контроле до момента, когда световыход прекращал расти. Над сцинтиллятором была создана аргоновая атмосфера.
    Детектор оснащен фотоумножителями трех типов. Для регистрации малых энерговыделений в реакциях (I.I), (1.2) в энергетическом диапазоне I-IOO МэВ используются 128 ФЭУ-49Б (мультищелочной SbKNaCs фотокатод, диаметр фотокатода D=15см), энерговыделения каскадов (10 - 10⁴) ГэВ регистрируются шестнадцатью ФЭУ-ПО (D ф.к.=8 см). 16 быстрых, с фронтом нарастания 3 нсек, ФЗУ-30 ( D ф.к.=5 см) установлены для определения координат ствола ливня и треков мюонов по временам задержек сигналов с выходов умножителей.
    Фотоумножители расположены на боковой поверхности детектора, в среднем, равномерно. ФЭУ-110 и ФЭУ-30 размещены на одном иллюминаторе. Все 144 иллюминатора с фотоумножителями герметично закрыты металлическими кожухами, которые частично играют роль экрана от магнитного поля Земли.
    Детектор разделен на четыре сектора А, Б, В и Г условными вертикальными диаметральными плоскостями. В секторе тридцать два ФЭУ – 49Б и четыре ФЭУ-30. Фотоумножители ФЭУ – 49Б каждого сектора имеют свой источник высокого напряжения ВС-28. ФЭУ-110 и ФЭУ-30 питаются от общего сильноточного источника Б1-4. В секторах установлены распределительные щиты для питания и регулирования коэффициента усиления каждого ФЭУ.