1. Галлий-германиевый нейтринный телескоп Аргоновый источник нейтрино Спектрометр быстрых нейтронов

Исполнители Лаборатория Радиохимических методов детектирования солнечных нейтрино ОЛВЭНА Лаборатория Галлий-германиевого нейтринного телескопа ОБНО: Научный консультант: Г.Т.Зацепин Научный руководитель: В.Н.Гаврин Г.Ф.Абдуллина, Д.Н.Абдурашитов, В.В.Банарь, А.В.Бондарь, А.С.Вартанян, И.А.Василенко, Е.П.Веретенкин, В.М.Вермул, С.В.Гирин, В.В.Горбачёв, Н.В.Горшков, П.П.Гуркина, Ю.Н.Евдокимов, Л.А.Ерошкина, С.М.Ештокин, О.А.Жорова, Т.В.Ибрагимова, А.В.Калихов, Т.В.Кнодель, Ю.П.Козлова, И.Н.Мирмов, Г.П.Пискунова, Н.И.Тимофеевская, Н.Г.Хайрнасов, А.А.Шихин, Е.А.Янович, В.Э.Янц

Измерение потока солнечных нейтрино Галлий- германиевым нейтринным телескопом В 2005 году продолжались измерения потока солнечных нейтрино на Галлий-германиевом нейтринном телескопе (ГГНТ) и анализ полученных данных. С января по ноябрь 2005 года на ГГНТ выполнено 11 измерений. Объединенный анализ данных законченных счетом измерений за 15-летний период измерений с января 1990 по январь 2005 года дает величину скорости захвата солнечных нейтрино с энергией МЭВ на галлии, равную SNU.

DateName Counter Counter of Run efficiencyresolution R ,5% 20,2% R201591,0%20,8% R301592,1%20,9% R104593,0%18,8% R105595,5%20,7% R %19,5% R107595,2% 19,9% R % 22,6% R ,0% 20,4% R110590,4%20,2% R1115 ??????

SAGE Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal. 71 Ga(v, e - ) 71 Ge, E th = keV SAGE continues to perform regular solar neutrino extractions every four weeks with ~50 t of Ga It has the longest almost uninterrupted time of measurements among operating solar neutrino experiments 15 year period (Jan 1990 – Jan 2005): 135 runs, 244 separate counting sets / -4.8 Results: / / -3.2 SNU or / -4.8 SNU Presently SAGE is the only experiment sensitive to the low-energy neutrinos All extractions as function of time Combined results for each year Moscow, November

Увеличение массы мишени телескопа Одной из задач лаборатории является повышение точности в ежемесячных измерениях солнечных нейтрино. Это может быть достигнуто за счет снижения фоновых эффектов, повышения эффективности извлечений и счета извлекаемого 71 Ge, и увеличения массы галлиевой мишени телескопа. Поэтому увеличения массы галлиевой мишени телескопа является одним из пунктов плана этого года. Для выполнения этой задачи создается технология периодического введения в галлиевую мишень телескопа металлического галлия, восстановленного из галлийсодержащих экстракционных растворов.

1.В 2005 году завершен монтаж и введен в эксплуатацию участок по регенерации галлия из экстракционных растворов для введения в активную часть мишени ГГНТ. Обеспечены проектные технологические параметры процесса. 2.По состоянию на октябрь 2005 года получено 264 кг чернового галлия, до конца года планируется получить еще 200 кг. 3.По договору с ООО «Юнимет» в 2005 году 1272 кг металлического галлия низкой чистоты и получено 1191 кг галлия марки Ga-99,9999. До конца года будет получено еще 380 кг галлия марки Ga-99,9999. Всего подготовлено для загрузки в ГГНТ 5.9 тонн Ga.

Аргоновый нейтринный источник Наиболее активная часть работы по этой теме была завершена в 2004 году. В текущем году продолжались работы, которые включали: 1.Проверку эффективности счетчиков и счетных каналов телескопа 2.Повышение точности измерения активности источника. Для этого после доставки источника в ИРМ (г.Заречный) было проведено вскрытие источника и измерение его активности методом изотопного разбавления и путем счета активности в пропорциональном счетчике после отбора малой известной части газа.

Summary of source strength measurements Summary of di ff erent activity measurements. The stated uncertainty includes all known systematics. Measurement Activity (kCi 37 Ar at method 04:00 on 30 April 2004) ________________________________________________________________ Volume of gas 409 ± 6 Mass of gas 412 ± 4 Calorimetry at Zarechny 405 ± 4 Calorimetry at Baksan 427 ± 9 Proportional counter 405 ± 4 Isotopic dilution410 ± ± 2 The six completed activity measurements are given in the Table. These measurements are adopted in the weighted average, 409 ± 2 kCi. Measurement of source activity

Development of the technology of 37 Ar neutrino source fabrication Prototype 37 Ar neutrino source with strength of 409 ± 2 kCi was produced by irradiating 330 kg of CaO in the fast neutron breeder reactor BN-600 (Zarechny, Russia) 40 Ca(n, α) 37 Ar; E th = 2 MeV It is shown that 37 Ar source with strength of 2.0 – 2.5 MCi can be produced in BN-600 reactor. Several techniques for source intensity measurement were developed Ten irradiations of 13 tonnes of gallium metal were made No accompanying γ-rays except IB No radioactive impurities Little shielding thus yielding a very compact source SAGEconcludes: the source experiments with Ga should be considered to be a determination of the neutrino capture cross section V.N.Gavrin Moscow, November

Спектрометр быстрых нейтронов Выполненные этапы: - Заполнение всех 16 секций детектора сцинтиллятором; - Окончательный монтаж детектора и системы регистрации; - Проведение предварительных измерений разрешения и эффективности по нейтронам. Основные результаты, полученные в ходе выполнения проекта: Проект направлен на демонстрацию принципа высокого (порядка 10% для энергии нейтронов 14 МэВ ) аппаратного разрешения. Этой цели подчинены выбор сцинтиллятора, ФЭУ, конструкции отдельной секции и всего детектора, алгоритма работы системы регистрации. В ходе выполнения проекта заполнены сцинтиллятором все 16 секций, закончен монтаж детектора и системы регистрации, проведены первые измерения функции отклика. Были получены следующие результаты. 1. При проведении комплексной калибровки детектора в первую очередь настраивались коэффициенты усиления в каждом из 16 отдельных трактов. Пик комптоновской ступеньки 40 K, соответствующий 1.24 МэВ электронной шкалы, выставлялся в 700 канал QDC для каждой секции. Размытие комптоновской ступеньки в суммарном спектре от всех 16 секций не превысило 20%. 2. При облучении детектора источником нейтронов Pu- -Be известной активности получен амплитудный спектр энерговыделений в детекторе. Сравнение амплитудного спектра со спектром испускания нейтронов источником Pu- -Be, известным из литературы, выявило их адекватность. Порог регистрации составил 3 МэВ по энергии нейтронов. Предварительная оценка показала, что эффективность регистрации находится в диапазоне [ ]% для энергий нейтронов от 3 до 10 МэВ. 3. Детектор был облучен источником D-T, испускающим нейтроны с энергией 14.1 МэВ. Амплитудный спектр энерговыделений в детекторе выявил наличие четко выраженного пика в области 14 МэВ. Амплитудный пик имеет FWHM ~20%, что на данный момент является лучшим значением для детекторов на основе органических сцинтилляторов.

Исследование возможности создания полупроводникового детектора солнечных нейтрино и темной материи на основе объемных кристаллов GaAs Полупроводниковый GaAs детектор потенциально является идеальным детектором солнечных нейтрино. GaAs обладает рядом физических свойств, выгодно отличающих его от других полупроводников: большая плотность г/см 3. Широкая запрещенная зона – 1.43эВ (по сравнению с 0.74 эВ для Si и 1.12 эВ для Ge) обеспечивает возможность использования GaAs детекторов при комнатной температуре. Теоретическое значение времени жизни носителей заряда, определяющее эффективность их собирания и разрешающую способность детектора, составляет ~ 0.1 мс, что должно гарантировать возможность создания детекторов большого объема. Однако, несмотря на хорошо развитую технологию получения кристаллов, реальные времена жизни в лучших образцах объемных монокристаллов GaAs составляют 10 нс, Это связано с высокой концентрацией собственных и примесных дефектов, являющихся активными центрами захвата носителей, в первую очередь так называемого центра EL2 с концентрацией ( ) см -3. Центр EL2 – это структурный дефект, связанный с замещением атома галлия атомом мышьяка.

Для снижения концентрации EL2 было предложено два метода: 1.Уменьшить содержание мышьяка в расплаве от 50 до 44 %. при выращивании кристаллов GaAs стандартным методом Чохральского (LEC) при температуре ~ 1237 ºС. 2.Использовать для монокристаллов арсенида галлия метод диффузии летучего компонента As через расплав Ga (SSD), Предполагаетя, что понижение температуры выращивания на ºС ниже температуры плавления должно обеспечить снижение концентрации основных остаточных примесей ниже уровня – см -3 и центра EL2 – до см -3. Методом SSD были получены образцы арсенида галлия предварительные исследования температурной зависимости фотопроводимости которых показали существенно более высокую фоточувствительность SSD образцов и соответственное увеличение жизни носителей заряда по сравнению со стандартным LEC GaAs.

ДЕТЕКТОР LiF В 2005 году были продолжены исследования возможности использования кристаллов LiF для детектирования солнечных нейтрино и темной материи. Были выполнены следующие работы: 1. Исследование сцинтилляционных свойств кристаллов LiF. В 2005 году проводились исследования по возможности регистрации сцинтилляционного излучения, возникающего в кристаллах LiF при прохождении ионизирующих частиц. Облучение кристалла -квантами от источников 60 Co и 22 Na приводили к появлению на ФЭУ, сопряженных с кристаллом, импульсов длительностью до 500 мкс с амплитудой до 1 мВ. Световыход кристаллов LiF составляет 2400 фотонов/МэВ, это в ~20 раз меньше, чем кристаллов NaI. 2. Исследование черенковских свойств кристаллов LiF. При прохождении через кристалл LiF ионизирующих частиц высокой энергии в кристалле возникает черенковское излучение. Коэффициент преломления кристалла LiF для фотонов видимого света составляет 1.4; пороговая энергия электронов для черенковского излучения – 220 кэВ. Использование кристаллов LiF для регистрации внешних излучений (например, нейтрино от Солнца или от реактора) может быть произведено по совпадениям черенковского и сцинтилляционного сигналов. По черенковскому сигналу будет определяться направление прихода излучения, что может служить фактором подавления фонов.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения проектов 1.Получен результат 15-летних измерений ( ) скорости захвата солнечных нейтрино на металлическом галлии SNU (SNU = 1 взаимодействие в секунду в мишени, содержащей атомов взаимодействующего с нейтрино изотопа). 2.Введен в эксплуатацию участок по регенерации галлия для Галлий- германиевого нейтринного телескопа и подготовлено 5,9 тонн регенерированного галлия для загрузки в реакторы ГГНТ с целью увеличения массы мишени телескопа. 3.Разработана технология создания источника нейтрино 37 Ar высокой активности. 4.Измерена скорость захвата нейтрино от источника 37 Ar на металлическом галлии. 5.Закончен монтаж спектрометра быстрых нейтронов и проведены первые измерения функций отклика.

Публикации 2005 года 1. J.N.Abdurashitov et al The SAGE&LNGS experiment: Measurements of solar neutrinos at LNGS using gallium from SAGE, arXiv:nucl-ex/ v1, submitted to J. Astroparticle Physics (2005). 2. Д.Н.Абдурашитов, В.Н.Гаврин, В.В.Горбачев, Т.В.Ибрагимова, А.В.Калихов, А.А.Шихин, Метод измерения больших скоростей счета детекторов ионизирующего излучения с высокой точностью, направлено в печать в журнал «Приборы и техника эксперимента» (2005). 3. V.N.Gavrin for SAGE Collaboration Present Status of the SAGE 37 Ar Neutrino Source Experiment, Proc.of the XI the Int. Workshop on Neutrino Telescopes, Feb.22-25, 2005, Venice. Italy, ed. by Milla Baldo Ceolin, 187 (2005). 4. V.V.Gorbachev for SAGE Collaboration Present Status of the SAGE 37 Ar Neutrino Source Experiment, report presemted at the XIIIth Int. School on Particles and Cosmology, April , 2005, Kabardino-Balkaria, Baksn Valley, Russia, to be published in Proc. of the conference (2005). 5. J.P.Kozlova, V.N.Gavrin, A.V. Kalikhov, I.A.Vasilenko, E.P.Veretenkin, V.I. Biberin, A.V.Govorkov, A.V. Markov, A.Y.Polyakov, N.B. Smirnov, T.J.Bowles. Electrical properties of detector SSD GaAs, report presemted at the XIIIth Int. School on Particles and Cosmology, April 18-23, 2005, Kabardino-Balkaria, Baksn Valley, Russia, to be published in Proc. of the conference (2005). 6. J.N. Abdurashitov, V.N. Gavrin, V.L.Matushko, A.A. Shikhin, I.E.Veretenkin, and V.E.Yants. Segmented fast neutron spectrometer. Present status, report presemted at the XIIIth Int. School on Particles and Cosmology, April 18-23, 2005, Kabardino-Balkaria, Baksаn Valley, Russia, to be published in Proc. of the conference (2005).

7. V.N.Gavrin for SAGE Collaboration Measurement of the response of a Ga solar neutrino experiment to neutrinos from an 37 Ar source, report presented at the 5th Int. Conference on Non-Accelerator New Physics (NANP'05), June 20-25, 2005 in Dubna, Moscow region, Russia (2005), to be published in Proc. of the conference (2005). 8. J.N. Abdurashitov, V.N. Gavrin, A.V. Kalikhov, A.A. Shikhin, V.E.Yantz et al. Segmented fast neutron spectrometer. Present status, report presented at the 5th Int. Conference on Non-Accelerator New Physics (NANP'05), June 20-25, 2005 in Dubna, Moscow region, Russia (2005), to be published in Proc. of the conference (2005). 9. V.N.Gavrin for SAGE Collaboration Measurement of the response of a Ga solar neutrino experiment to neutrinos from an 37Ae source, report presented at the IXth Int. Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP'05), September 10-14, 2005 in Zaragoza, Spain (2005). 10. Г.Ф.Абдуллина, Е.П.Веретенкин, В.Н.Гаврин, В.В.Горбачев, И.Н.Мирмов, В.И. Барсанов, Ю.И. Барсанов, А.А. Джанелидзе, С.Б. Злоказов, Н.А. Котельников, С.Ю. Марков, З.Н. Шакиров, Ю.С.Хомяков «Разработка конструкции и технологии изготовления источника нейтрино», ПТЭ, в печати. 11. В.И. Барсанов, А.А. Джанелидзе, А.А. Замятина, С.Б. Злоказов, А.В. Коренкова, Н.А. Котельников, С.Ю. Марков, В.В. Селин, З.Н. Шакиров ФГУП «Институт реакторных материалов», г. Заречный Свердловской обл ; Д.Н. Абдурашитов, Е.П. Веретенкин, В.Н. Гаврин, И.Н. Мирмов, В.Э. Янц Институт ядерных исследований РАН, Москва , «Технология и установка экстракции, очистки и сбора 37Ar из оксида кальция», ПТЭ, в печати. 12. Д.Н.Абдурашитов, Е.П.Веретенкин, В.Н.Гаврин, В.В.Горбачёв, Т.В.Ибрагимова, А.В.Калихов, И.Н.Мирмов, А.А.Шихин, В.Э.Янц, Институт ядерных исследований РАН; Москва; В.И.Барсанов, А.А.Джанелидзе, С.Б.Злоказов, С.Ю.Марков, Институт реакторных материалов, г.Заречный Свердловской обл. «Определение активности искусственного источника нейтрино на основе изотопа 37 Ar», ПТЭ, в печати. 13. J.N.Abdurashitov, et al Measurement of the response o a Ga solar neutirno experiment to neutrinos from an 37 Ar source, to be published in ZhETP. 14. J.N.Abdurashitov, et al Measurement of the response o a Ga solar neutirno experiment to neutrinos from an 37 Ar source, to be published in Phys.Rev.C.

Основные задачи на 2006 год. 1.Продолжить непрерывные измерения потока солнечных нейтрино на галлий-германиевом нейтринном телескопе (ГГНТ). Для этого обеспечить проведение ежемесячных извлечений 71 Ge. 2.Увеличить массу галлиевой мишени ГГНТ не менее чем на 6 тонн. 3.Провести регенерацию 2 тонн металлического галлия из галлийсодержащих растворов, образующихся в результате работы ГГНТ. 4.Провести исследования детекторных свойств арсенида галлия, выращенного методом диффузии через расплав. 5.Выполнить монтаж детектора быстрых нейтронов с новыми измерительными секциями и низкошумящими ФЭУ и провести измерения разрешения и эффективности регистрации нейтронов. 6.Продолжить исследования детектирующих свойств кристаллов LiF и возможности двухкомпонентной регистрации черенковского и сцинтилляционного излучений в режиме совпадений.