Погорелов Н.А. (НИЦ «Курчатовский институт» – ИТЭФ Москва, Россия) от коллаборации DANSS
Установка DANSS – детектор реакторных антинейтрино, использующий твердый сцинтиллятор. Он находится на Калининской АЭС в помещении под реактором ВВЭР1000, использующим в качестве топлива диоксид урана, слабообогащенный по 235-му изотопу, обладающим тепловой мощность ~3 ГВт и производящим ~1021 антинейтрино в секунду. Спектрометр расположен на подвижной платформе, которая позволяет менять расстояние до центра реактора в диапазоне 10–12 м. Так как поток реакторных антинейтрино быстро уменьшается при удалении от реактора, спектрометр, установленный близко к ядру, может обеспечить быстрый набор статистики при небольших размерах. Большое количество вещества в реакторе и его защите над DANSS создает защиту от космических мюонов и уменьшает их поток в 5–6 раз. Таким образом, спектрометр DANSS предоставляет уникальные возможности для мониторинга выгорания топлива в работающем ядерном реакторе и нейтринных осцилляций в стерильное состояние.
1. Общее описание детектора
Помимо фундаментальной задачи исследования аномалии реакторных нейтрино, спектрометр может быть использован с целью мониторинга процессов, происходящих в работающем ядерном реакторе. Нейтрино обладает высокой проникающей способностью, поэтому материалы, окружающие реактор, для него практически прозрачны. Несколько спектрометров, размещенных в разных местах, могут позволить провести нейтринную томографию активной зоны и составить картину неоднородности выгорания реакторного топлива, наблюдать которую обычными методами не представляется возможным. Подробная информация о процессах расхода топлива позволит сэкономить значительные средства.
С другой стороны подобная установка может помочь в решении проблемы дистанционного контроля наработки и несанкционированного отбора плутония в процессе работы реактора. Спектр наблюдаемых нейтрино зависит от состава реакторного топлива. В процессе горения топлива его состав меняется: в активной зоне становится меньше урана и больше плутония. Если из реактора производится выемка плутония и замена его ураном, это сказывается на спектре нейтрино и может быть обнаружено в реальном времени.
Детектор состоит из 2500 полистироловых сцинтилляторных стрипов, занимающих объем 1 м3. Размер отдельного стрипа — 1000х40х10 мм3. Слой полистирола ~0,2 мм от поверхности стрипа, содержит 18% оксида титана TiO2 и 6% оксида гадолиния. Поверхностная плотность гадолиния в покрытии — 1,6 мг/см2, он составляет ~0,35% от общей массы стрипа. Чувствительная область детектора окружена несколькими слоями пассивной защиты из меди, свинца и борированного полиэтилена. Кроме этого, для отсечения фона космических частиц используется система мюонного вето. Реакторные нейтрино регистрируются посредством наблюдения продуктов реакции обратного бета-распада на свободном протоне. Регистрируется энерговыделение от аннигиляции позитрона и захвата нейтрона на гадолинии.[1]
Каждый стрип просматривается тремя спкетросмещающими волокнами (файберами) Kuraray Y-11, диаметром 1,2 мм каждый. Файбер вклеен в канавку, глубина которой составляет 2,5 мм, а ширина — 1,5 мм. Хотя канавка заполнена клеем, она исключается из чувствительной области детектора, а ее индивидуальные особенности оказывают влияние на поперечный профиль световыхода. Центральный файбер просматривается кремниевым фотоумножителем (SiPM, МРРС) Hamamatsu 12825050C(X), отдельным для каждого стрипа. Боковые файберы выводятся на вакуумные фотоумножители (РМТ) Hamamatsu R7600U-300, общие для блока стрипов. На противоположном конце каждого файбера расположено зеркало. Поперечный разрез сцинтилляционной пластины представлен на рис.1.
Рис. 1. Поперечный разрез сцинтилляционной пластины в масштабе
Вопрос о поперечном профиле световыхода не является тривиальным, поскольку разные файберы конкурируют за свет. Свет, попавший в разные файберы, считывается с помощью конструктивно разных устройств с разной калибровкой и обработкой данных. Это оказывает влияние на восстанавливаемый спектр. Поэтому учет относительного изменения отклика SiPM и РМТ от того, в каком месте стрипа выделилась энергия, очень важен для Монте-Карло моделирования детектора и точности восстановления энергетического спектра антинейтрино.
С точки зрения возможных улучшений детектора, одной из ключевых задач является снижение неоднородности. Ее вклад в энергетическое разрешение — один из основных и сравним со статистической погрешностью. Для достижения необходимой точности восстановления спектра и определения состава топлива реактора необходимо снизить неоднородность по меньшей мере в 3–4 раза в сравнении с наблюдаемой.
2. Эксперименты по исследованию профиля световыхода
2.1. Эксперимент с космическими частицами
Для исследования поперечного профиля световыхода стрипов, в ИТЭФ был собран стенд, позволяющий определить координаты частиц с помощью пропорциональных камер. Каждая из камер включает в себя две плоскости проволочек, ориентированных вдоль перпендикулярных осей координат. Шаг проволочек составляет 1 мм, расстояние между плоскостями – 14 мм. В стенде используется три камеры, между которыми размещена исследуемая сборка сцинтилляционных стрипов. Схема эксперимента показана на рис. 2
Эксперимент, проведенный в ИТЭФ, в ходе которого наблюдались космические частицы, пролетающие через сборку, помог получить результаты[2, 3] по поперечной неоднородности световыхода стрипов. Исследуя зависимость световыхода от расстояния до торца с SiPM-ами, мы обнаружили, что она описывается экспонентой с длиной затухания 3 метра, что соответствует данным, которые можно получить из самого детектора. Однако присутствуют заметные продольные неоднородности — отклонения от экспоненты, которые могут достигать масштабов десятков сантиметров по длине и 20% по энергии. Данные, полученные из детектора, подтверждали существование небольшого (несколько десятков из 2500) количества стрипов с такими особенностями. Теперь мы могли подробно изучить несколько из них. Пример продольного профиля световыхода для трех каналов одного стрипа показан на рис. 3.
Рис. 3. Типичный пример продольного профиля световыхода для трех каналов одного стрипа: центрального и боковых. Данные из эксперимента на ускорителе
Однако вопрос о природе этих особенностей оставался открытым, так как в этом эксперименте за 800 часов камерами в общей сложности была покрыто только 60 % длины сборки, и статистика позволяла разбить данные для каждого положения камеры не более чем на 10 кусков. Полученные данные было трудно сложить в общую картину. Притом были обнаружены заметные продольные неоднородности в световыходе некоторых стрипов, но видя их только кусками, мы не могли уверено судить о происхождении этих неоднородностей. Требовалось набрать больше статистики, причем по всей длине сборки. Для этого были проведены еще два эксперимента.
2.2. Эксперимент со светодиодом
В первом эксперименте стрипы (по одному) помещались в черный ящик. Вдоль стрипа двигался установленный на каретке светодиод, подключенный к генератору. Диод светил на стрип через цилиндрическое отверстие в каретке диаметром 2,8 мм. Наблюдалась зависимость световыхода в SiPM от расстояния до точки, в которую падает свет. Корректность моделирования таким способом выделения энергии внутри стрипа не очевидна. Из-за разной толщины краски в разных местах стрипа, в этом эксперименте могли быть дополнительные искажения реальной картины неоднородности, связанной с пластиком, файбером или оптическим контактом между ними, за счет неоднородности, связанной с краской. Поэтому данные эксперимента сравниваются с полученными в двух других, чтобы понять, насколько можно им доверять. Кроме того, двигая каретку вручную с шагом 1 мм, мы могли столкнуться с человеческим фактором в нескольких из 100 итераций для стрипа. Чтобы оценить его вклад, мы повторяли эксперимент дважды для каждого исследуемого стрипа.
Основными результатами этого эксперимента были: во-первых, подтверждение существования продольных неоднородностей (рис. 4); во-вторых, обнаружение хорошей корреляции с данными первого эксперимента относительно расположения и масштаба этих неоднородностей; в-третьих, отсутствие корреляции изменений световыхода в разных каналах одного стрипа, что говорило в пользу того, что причиной являются свойства файбера, либо оптического контакта между файбером и сцинтиллятором.
Рис. 4. Продольные неоднородности световыхода, наблюдаемые в экспериментах с диодом, ускорителем и космическими частицами; пример канала с наиболее масштабными особенностями
2.3. Эксперимент на ускорителе
Чтобы окончательно поставить точку в этом вопросе, мы провели эксперимент на пучке пионов с энергией 760 МэВ. Стрипы были зафиксированы в коробке, которая двигалась поперек пучка с шагом 50 мм. В каждой точке (всего их было 11) был набран миллион триггеров. При этом, в отличие от эксперимента с космическими частицами, треки были с хорошей точностью перпендикулярны сборке (тангенс угла наклона трека не более 0,02) и оставляли в каждой из камер одну или две сработавшие проволочки, что значительно упрощало процедуру обработки и локализацию энерговыделения. Всего в эксперименте было исследовано 8 каналов, имеющих заметные локальные особенности продольного профиля световыхода, и 9 не имеющих.
Схема эксперимента представлена на рис. 5.
Рис. 5. Схема эксперимента на пучке ускорителя: ПК1-3 — пропорциональные камеры
Общая картина полученных профилей световыхода (как продольных, так и поперечных) хорошо согласуется с первым экспериментом. Набранная статистика позволила построить поперечный профиль с шагом в 1 мм и посмотреть, как меняется поперечный профиль в местах локальной неоднородности продольного профиля (рис. 6). Для каждого из 11 положений камер были выделены треки, отстоящие не более чем на 20 см от центральной оси, и для них был построен поперечный профиль.
В результате, было обнаружено, что в каналах, не имеющих заметных локальных неоднородностей, форма поперечного профиля не зависит от того, в каком месте его измерять: меняется только абсолютная величина световыхода. В каналах, где есть локальные особенности продольного профиля, им соответствуют изменения формы поперечного профиля в этих местах. При этом стрип, где был частично выдернутый файбер, являет собой наиболее яркий пример этих изменений. Таким образом, мы пришли к выводу, что причиной продольной неоднородности является плохой оптический контакт между файбером и сцинтиллятором, и в дальнейшем надо внимательно следить за этим этапом технического процесса.
Рис. 6. Зависимость поперечного профиля световыхода от продольного; пример для канала с особенностью
3.Экспериментальные стрипы
Кроме стрипов, аналогичных используемым в DANSS, в экспериментах с космическими частицами и на ускорителе участвовали стрипы, отличающиеся от используемых в DANSS по типу файберов. В каждом из этих стрипов размеры сцинтиллятора была такими же, но файберы были вложены только в две боковые канавки, а сами канавки были глубже.
Особенности этих стрипов:
- Стрип, в котором канавка углублена, но используются такие же файберы, как и в DANSS.
- Стрип, в котором в каждой канавке размещены по 2 файбера.
- Стрип, в котором в каждой канавке размещены по 4 файбера.
Необходимость углубить канавки и сделать их более широкими привела к ухудшению однородности световыхода. В экспериментальных стрипах на дне канавки он составляет 54 % от значения, достигаемого на границе канавки; в используемых в DANSS – 94 %. При этом, ширина канавки в экспериментальных стрипах составляла ~ 3 мм, что довольно много в сравнении с шириной канавки стрипов, используемых в DANSS.
Пример поперечного профиля световыхода одного из экспериментальных стрипов показан на рис. 7. Световыход в различных экспериментальных стрипах представлен в таблице.
Рис. 7. Пример поперечного профиля световыхода одного из экспериментальных стрипов
Световыход в различных экспериментальных стрипах
Сравнение световыхода в экспериментальных стрипах показало, что увеличение количества файберов дает некоторый выигрыш в световыходе, но также ухудшение однородности из-за необходимости углубить канавки. Кроме того, это усложняет изготовление стрипа.
Заключение
Проведя три разных эксперимента по построению продольного профиля световыхода стрипов и получив согласующиеся результаты, мы выявили причину продольных неоднородностей световыхода, ухудшающих энергетическое разрешение детектора DANSS, что позволит избежать таких проблем при изготовлении других подобных конструкций. Согласующиеся между собой результаты экспериментов показывают, что эксперимент с пучком, который может быть не всегда доступен, можно заменить экспериментами с космическими частицами или диодом, хотя они оба требуют гораздо больших затрат времени, а второй еще и большей аккуратности исполнения. Изучив разные способы сбора света в сцинтилляторе, мы пришли к выводу, что, хотя конфигурации с несколькими файберами в канавке дают полуторакратный выигрыш в световыходе по сравнению с используемой в DANSS, это не компенсирует создаваемых ими неудобств.
Список литературы
- I. Alekseev, V. Belov, V. Brudanin, M. Danilov, V. Egorov, D. Filosofov, M. Fomina, Z. Hons, S. Kazartsev, A. Kobyakin, A. Kuznetsov, I. Machikhiliyan, D. Medvedev, V. Nesterov, A. Olshevsky, D. Ponomarev, I. Rozova, N. Rumyantseva, V. Rusinov, A. Salamatin, Ye. Shevchik, M. Shirchenko, Yu. Shitov, N. Skrobova, A. Starostin, D. Svirida, E. Tarkovsky, I. Tikhomirov, J. Vlasek, I. Zhitnikov, D. Zinatulina: DANSS: Detector of the reactor AntiNeutrino based on Solid Scintillator. JINST 11 (2016) no.11, P11011;
- N Pogorelov, I Aleksev, D Kalinkin, I Makhichkulyan, V Nesterov, V Rusinov, D Svirida, A Starostin, E Tarkovsky: «Light output distribution in scintillator strips with wave length shifting fibers of DANSS spectrometer» J.Phys.Conf.Ser. 934 (2017) no.1, 012055
- И.Г. Алексеев, Д.В. Калинкин, И.В. Мачихильян, В.М. Нестеров, Н А. Погорелов, В.Ю. Русинов, Д.Н. Свирида, А.С. Старостин, Е.И. Тарковский. Неоднородность светосбора в сцинтилляционных пластинах со спектросмещающими волокнами детектора DANSS, Приборы и техника эксперимента, 2018, № 3, с 10–14
