Ядерная физика

Эксперимент GERDA (GERmanium Detector Array), реализуемый в Национальной Лаборатории Гран Сассо в Италии, создан для поиска двойного безнейтринного бета-распада германия-76. В GERDA применяются детекторы из германия, обогащенного изотопом ⁷⁶Ge. Детекторы погружены в жидкий аргон, который охлаждает их до рабочей температуры (87 К) и одновременно служит дополнительной защитой от фонового излучения. Эксперимент проводится в несколько этапов или фаз. На данный момент закончилась вторая фаза эксперимента и планируется третья.

Однако с повышением точности эксперимента в следующих фазах одним из источников фоновых событий могут стать взаимодействие ⁷⁶Ge с нейтрино от солнца. Члены группы занимаются этой проблемой в сотрудничестве со специалистами Курчатовского института. Это исследование отталкивается от предварительных расчетов руководителя группы Инжечика Льва Владиславовича (он является членом коллаборации GERDA).

Расположение: Испания, Канфранк-Эстасьон (Canfranc-Estación), подземная лаборатория в Канфранке (LSC Laboratorio Subterráneo de Canfranc)

Задача: регистрация групп космических мюонов высоких энергий в условиях подземной лаборатории LSC.

Схема установки: базовыми детектирующими элементами монитора являются сцинтилляционные детекторы мюонов SC16, каждый из которых в свою очередь состоит из 16 единичных сцинтилляционных детекторов SC1 («пикселей») и внутренней электроники.

В состав системы сбора данных (DAQ) входят блоки обработки сигналов о времени (TimeBoard) и координате (HodoscopeBoard) сработавших пикселей; блоки низковольтного питания для детекторов; VME units и компьютер для финального вывода исходных файлов; Trigger Unit для отбора мюонных событий в реальном времени.

DAQ system:

Electronics

• Power supply for the sc16 detectors
• Hodoscope board (pattern info)
• Time master board (timing info)
• 7 power supplies for these boards
• VME modules
• VME Pattern unit V1495
• Computer with data acquisition program
• Trigger Unit (real time selection)

Сцинтилляционные детекторы SC16 сцинтилляциой системы монитора сгруппированы в три слоя. Верхний и нижние слои состоят из 9 детекторов SC16 с общим количеством сцинтилляторов SC1 в каждом слое, равным 9*16 = 144. Средний слой состоит из 4 детекторов SC16 т. е. 64 сцинтилляторов SC1.

Детекторы среднего и верхнего слоев покоятся на деревянной раме. Рама опирается на нижний слой. Сверху сборка из трех слоев накрыта свинцовым экраном.

Схема сборки детекторов

Установка «Троицк ню-масс» является одним из немногих действующих в России экспериментов мирового уровня в области физики элементарных частиц. Цель эксперимента — поиск масс как активных, так и стерильных нейтрино. Результаты, полученные на установке, в настоящее время являются лучшими в мире.

На сегодня в физике атмосферного грозового разряда существует множество неразгаданных тайн. Ключевая из них — проблема инициализации молнии: несмотря на то, что динамика формирования молнии детально изучена, не известно, как начинается процесс развития молниевого разряда. Для начала формирования молнии необходим электрический пробой внутри грозового облака, однако наблюдаемые в атмосфере электрические поля на целый порядок меньше пробойных полей.

Ещё один необъяснённый феномен атмосферного электричества — гамма-всплески, наблюдаемые с 1994 года космическими гамма-обсерваториями (например, BATSE, Fermi), созданными для наблюдения гамма-излучения астрофизических источников. Загадочное природное гамма-излучение земной атмосферы получило название гамма-вспышек земного происхождения (Terrestrial Gamma-ray Flashes, TGFs). Оно примечательно своей короткой длительностью (порядка сотни микросекунд) и высокой интенсивностью гамма-излучения. Построение непротиворечивой модели TGF является одной из ключевых задач для современных учёных.

Многолетнее наблюдение TGF позволило установить, что, по-видимому, в основе этого природного явления лежит ускорение релятивистских электронов в электрических полях грозовых облаков. Оказывается, в грозовых облаках возможно формирование такого крупномасштабного электрического поля, которое способно ускорять электроны сильнее, чем они тормозятся при взаимодействии с атмосферным воздухом. Это явление было предсказано российским учёным А.В. Гуревичем в 1992 году. Релятивистские электроны, ускоряемые электрическим полем, называются убегающими, а минимальное электрическое поле, при котором убегание электронов возможно, называется критическим. Убегающие электроны, взаимодействуя с молекулами воздуха, выбивают новые электроны, которые также могут стать убегающими. Этот процесс приводит к формированию лавины убегающих электронов (рис. 3). Затравочные частицы для таких лавин рождаются вторичными космическими лучами. Лавины убегающих электронов при взаимодействии с воздухом создают тормозное гамма-излучение. Спектральный анализ TGF показал, что именно явление убегания релятивистских электронов в грозовых облаках является наиболее вероятным источником земных гамма-вспышек. Тем не менее построение модели TGF требует более глубокого изучения физики лавин убегающих электронов.

Гамма-излучение грозовых облаков наблюдается не только из космоса. Существует множество наземных обсерваторий, изучающих это природное явление. Одна из них — станция Арагатц на одноимённой горе в Армении. Исследования на станции проводятся Отделом космических лучей (Cosmic Ray Division) Ереванского Физического института, под руководством А. Чилингаряна. Высокогорное расположение экспериментального комплекса удобно для исследования грозовых облаков, так как они проходят на высоте в сто и менее метров над экспериментальными установками. Важной для грозовой физики особенностью этого экспериментального комплекса является его расположение всего в ста метрах от высоты грозовых облаков. Это позволяет получать важные экспериментальные данные по атмосферному гамма-излучению. Явление, наблюдаемое на горе Арагатц, получило название Thunderstorm Gamma Enhancement (TGE). Его длительность по сравнению с TGF большая — порядка 30 минут. Анализ данных по наблюдению TGE показал, что он, в основном, состоит из гамма-излучения распада дочерних ядер радона, поднимающихся вместе с аэрозолями за счёт электрического поля между поверхностью земли и грозой. Это мягкая компонента TGE, энергия гамма квантов мягкой компоненты не превышает 3 МэВ. Однако периодически в TGE возникают мощные потоки жёсткой компоненты гамма-излучения, энергия которого достигает 100 МэВ. Длительность таких вспышек составляет порядка 100 миллисекунд, как правило, они прерываются разрядом молнии. Надёжно установлено, что источником жёсткой компоненты TGE являются лавины убегающих электронов, ускоряемых грозовыми электрическими полями.

Изучение динамики лавин убегающих электронов не ограничивается исследованием их гамма-излучения. Потоки релятивистских электронов также вызывают повышенный уровень ионизации внутри грозового облака. Повышенная ионизация может оказать значительный вклад в процессы формирования стримеров и лидеров, лежащие в основе инициации молнии. Кроме того, грозовые облака являются источником УКВ излучения. Для регистрации ультракоротких волн станция Арагатц оснащена интерферометром. Предполагается, что релятивистские частицы также способны вызвать процессы, приводящие к УКВ излучению. Изучение плазменных процессов, связанных с ионизацией убегающих электронов, в совокупности с анализом данных УКВ интерферометров позволит пролить свет на неизведанные явления атмосферной физики.

Сотрудники лаборатории методов ядерно-физических разработали прототип детектора для спектроскопии солнечных космических лучей. Заказчиком работы выступил Институт Космических Исследований РАН. Прототип детектора был собран и протестирован в Институте Ядерных Исследований РАН. Результаты исследования опубликованы в JINST.

Конструктивно детектор представляет собой сцинтилляционный цилиндр, сегментированный на несколько шайб. С каждой шайбы энерговыделение проходящей через детектор частицы снимается отдельно. Такая конструкция позволяет восстанавливать кривую потерь регистрируемых частиц, что увеличивает энергетическое разрешение детектора по сравнению с классическими калориметрами. Более того, за счёт сегментации детектор способен работать в так называемом интегральном режиме. В таком режиме работы детектор за время экспозиции регистрирует суммарную кривую потерь от нескольких попадающих частиц. Сотрудниками лаборатории было показано, что используя метод регуляризации Турчина получается восстановить с хорошей точностью спектр зарегистрированных прибором частиц по их суммарной кривой потерь. Интегральный режим позволяет детектору работать в том случае, если частота попадания частиц на детектор превышает скорость считывания электроники. Это даёт прибору преимущество перед существующими спектрометрами солнечных космических лучей.

В лаборатории ведется разработка сцинтилляционного детектора для регистрации гамма-квантов с энергиями, лежащими в диапазоне применяемых в ядерной медицине линий (таких, как 59.5 кэВ - Am-241, 140 кэВ - Te-99m). Детектор представляет собой матрицу из четырех кремниевых фотоумножителей (SiPM) 12 мм x 12 мм в паре со сцинтиллятором GAGG:Ce толщиной 2 мм (эффективность регистрации гамма-квантов с энергией 140 кэВ - 58%). При попадании гамма-кванта в сцинтиллятор, оптическая вспышка регистрируется матрицей, и токовый сигнал оцифровывается на АЦП. В дальнейшем, программное обеспечение путем сравнения сигналов на каждом из SiPM-ов рассчитывает точку попадания гамма-кванта. Суммарный сигнал используется для оценки энергии, выделенной во вспышке в результате попадания частицы.

Детекторы со сплошным сцинтиллятором или пиксельные камеры?

Наиболее распространенными типами детекторов гамма-квантов являются три типа камер, имеющих свои преимущества и недостатки.

Детекторы со сплошным сцинтиллятором (камера Ангера)

Данный тип представляет собой широкий сцинтиллятор (толщина во много раз меньше поперечных размеров) со множеством фотоумножителей, прикрепленных к сцинтиллятору. Поверхность, противоположная фотоумножителям, как правило, покрывается диффузным отражателем - для увеличения светосбора. Боковые поверхности так же могут быть покрыты отражателями, но это увеличивает систематические ошибки восстановления координаты удара гамма-кванта по краям детектора([1]). Такая конструкция существует с 1958 года([2])и используется по сей день. Как правило, используются вакуумные фотоумножители, так как большая площадь детектора приводит к большим шумам при замене вакуумных фотоумножителей на кремниевые и резко ухудшает соотношение сигнал-шум. Поскольку используются вакуумные ФЭУ, то, например, невозможно комбинированное использование таких детекторов в МРТ из-за чувствительности к магнитным полям. Кроме того, ФЭУ требуют наличия высоковольтного источника питания (от нескольких сотен Вольт и до нескольких тысяч). Для определения координаты попадания применяются различные алгоритмы, а итоговая точность определяется статистическим распределением ошибок при восстановлении.

Пиксельные камеры

Массивы из пар "сцинтиллятор - SiPM", изолированных друг от друга. Размер каждого такого "пискеля" не превышает 3-4 мм. Точность определения координаты строго равна размеру пикселей, если на каждый сцинтиллятор приходится по одному каналу считывания. Может применяться суммирование вольтажа по двум координатам, как в камере Ангера. В первом случае отсутствуют трудности с шумами SiPM-ов из-за малого размера пикселя. Однако, такие детекторы сильно дороже (в сравнении с традиционными детекторами) из-за большого количества каналов съема на единицу площади([3]).

Блоковые камеры

Распространенный тип в ПЭТ сканерах, представляет собой все те же наборы изолированных пикселей в сцинтилляторе, однако съем идет с помощью фотоумножителей, размер которых превышает размер пикселя сцинтиллятора [4]. По сравнению с детекторами со сплошным сцинтиллятором, обладает несколько худшим энергетическим разрешением из-за увеличенных потерь света, лучшим пространственным разрешением из-за отсутствия засветки соседних фотоумножителей и несколько высшей стоимостью изготовления сцинтилляторов.

Ячейка - преимущества

Поскольку используется сплошной сцинтиллятор, а точность определения координаты существенно меньше размеров SiPM, то количество каналов в сравнении с пиксельными детекторами меньше минимум в 2 раза. Количество каналов является определяющим фактором стоимости гамма-камер, например, из-за числа каналов на АЦП. При этом поперечный размер сцинтиллятора существенно меньше, чем в традиционных детекторах - он перекрывает всего лишь матрицу 2 на 2 кремниевых фотоумножителя, а значит соотношение сигнал-шум остается приемлемым. Таким образом, детектор сочетает в себе преимущества обоих типов детекторов - низкий уровень шумов, как в пиксельных камерах, и низкую стоимость, как у камеры Ангера. При этом разрешение на уровне около 3 мм является достаточным для целей гамма-томографии. [5]

GAGG:Ce

В качестве сцинтиллятора используется галий-аллюминий-гадолиниевый гранат Gd3Al2Ga3O12:Ce - неорганический сцинтиллятор с относительно высоким световыходом (от 46 до 50 фотонов на кэВ), высокой плотностью (6.63 г/см3), обладающий важными для себестоимости детектора механическими свойствами - например, негигроскопичностью, т.е. отсутствует необходимость в герметизации сцинтиллятора. Метод наращивания кристалла позволяет изготовление в произвольных размерах. [6]

Литература

1. Peterson TE, Furenlid LR. SPECT detectors: the Anger Camera and beyond. Phys Med Biol. 2011 Sep 7;56(17):R145-82. doi: 10.1088/0031-9155/56/17/R01. Epub 2011 Aug 9. PMID: 21828904; PMCID: PMC3178269.
2. ANGER, H. Use of a Gamma-Ray Pinhole Camera for in vivo Studies. Nature 170, 200–201 (1952). https://doi.org/10.1038/170200b0
3. Manhee Jeong, Benjamin Van, Byron T. Wells, Lawrence J. D’Aries, Mark D. Hammig, Comparison between Pixelated Scintillators: CsI(Tl), LaCl 3(Ce) and LYSO(Ce) when coupled to a Silicon Photomultipliers Array, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 893, 2018, Pages 75-83, ISSN 0168-9002, https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.03.024.
4. Bousselham, Abdelkader. (2023). FPGA based data acquistion system and digital pulse processing for PET and SPECT.
5. Celler, A. (2010). Single Photon Imaging and Instrumentation. Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry, 2531–2538. doi:10.1016/b978-0-12-374413-5.00068-3
6. Wang, Z., Qian, S., Ning, Z., Guo, H., Chen, P., Zhu, Y., Ma, L., Hu, P., Wu, Q., Peng, S., Zhang, L., & Zhang, Z. (Jun 2020). Performance study of GAGG:Ce scintillator for gamma and neutron detection. Journal of Instrumentation, 15(06), C06031. doi:101088/1748-0221/15/06/C06031