Ускорители заряженных частиц ЛФВЭ можно использовать в качестве источника нейтронов

На создаваемом в Объединенном институте ядерных исследований ускорительном комплексе NICA будут ускоряться протоны и ионы химических элементов широкого спектра: дейтроны, ядра углерода и другие, вплоть до золота. При этом с помощью мегасайенс-комплекса уже сейчас можно получать на выходе различные типы частиц, в том числе нейтроны намного более высоких энергий, чем на реакторе ИБР-2 и установке ИРЕН в Лаборатории нейтронной физики. Нейтроны высоких энергий, в свою очередь, можно использовать для всестороннего испытания нейтронных детекторов, которые будут применяться на ускорителях ОИЯИ и в других научных центрах мира.

Разработка детекторов регистрации нейтронов дает дополнительную важную информацию для целей фундаментальной науки. Нейтроны, как и другие частицы, активно исследуются учеными; они несут информацию о взаимодействиях, которые будут изучаться, в частности, на ускорительном комплексе NICA. Всестороннее тестирование нейтронных детекторов заключается в проверке их работоспособности и определении характеристик, таких, как КПД, коэффициенты перевода сигналов с детектора в энергию, координаты и т.д. Кроме того, исследование детекторов включает в себя нахождение их оптимальных режимов работы для использования в конкретных задачах.

Тестирование нейтронных детекторов на выводе пучка из Нуклотрона в зоне установки МАРУСЯ (Магнитный радиационный универсальный спектрометр) ведется в ОИЯИ с 2011 года. Начальник Сектора теоретической и методической поддержки проектов Научно-экспериментального отдела физики тяжелых ионов на LHC Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ д. ф.-м. н. Антон Балдин пояснил, что МАРУСЯ была запущена в 90-е годы и служила для задач фундаментальной науки.

«Канал МАРУСЯ состоит из двух частей. Одна часть состоит из магнита и двух линз и представляет собой самостоятельный магнитооптический спектрометр, который может вращаться вокруг мишени. Магнит доворачивает пучок частиц из Нуклотрона дальше по каналу вывода пучка», - рассказал он. К настоящему времени на основе установки МАРУСЯ была создана тестовая зона детектора SPD, которая может быть использована также для испытания как нейтронных детекторов, так и детекторов заряженных частиц. Фактически же проверку работоспособности детекторов возможно проводить на всем протяжении канала вывода пучка из Нуклотрона (126 метров).

Тестированию нейтронных детекторов посвящен препринт ОИЯИ 2019 года, в котором группа авторов показала, как проводятся эти испытания при ускорении дейтронов в диапазоне энергий от сотен МэВ до нескольких ГэВ. Подробнее о такого рода исследованиях рассказал соавтор статьи, научный сотрудник сектора корреляционных исследований ЛФВЭ Дмитрий Дряблов.

Он пояснил, что последовательно ускоренный в двух синхротронных ускорителях – Бустер и Нуклотрон – пучок заряженных частиц в будущем будет выводиться в коллайдер NICA, но в настоящее время реализована еще одна возможность – вывод пучка в соседнее здание (корпус 205 ЛФВЭ) с экспериментальными установками, использующими фиксированные мишени.

Нейтроны высоких энергий получаются наравне с другими частицами в канале вывода пучка из Нуклотрона. Для проведения испытаний нейтронных детекторов требуются именно нейтроны высоких энергий, которые не могут быть получены на реакторе ИБР-2 или установке ИРЕН в ЛНФ, но могут – на ускорительном комплексе ЛФВЭ. «Мы можем тестировать нейтронные детекторы на нейтронах с большой энергией, ведь именно такие энергии будут использоваться в тех экспериментах, в которых задействованы эти детекторы», – сообщил Дмитрий Дряблов.

Одним из способов получения нейтронов является развал дейтрона на ядрах мишени на протон и нейтрон, при этом парный протон также регистрируется после прохождения в магнитном поле.

«Дейтрон представляет собой очень слабо связанную систему нейтрон-протон с энергией связи 2,2 МэВ. Когда дейтрон взаимодействует с мишенью, самой вероятной реакцией является его развал надвое: один протон и один нейтрон по отдельности. Нейтрон имеет точно такую же скорость и энергию, как парный ему протон, равную половине энергии дейтрона. Магнитное поле действует только на заряженные частицы, и поэтому протон отклоняется в сторону. То есть дейтроны, которые не провзаимодействовали с мишенью, проходят дальше по каналу, протоны отклоняются вправо, а нейтроны летят по прямой», – рассказал Антон Балдин.

После прохождения мишени протон и нейтрон, полученные из одного дейтрона, летят отдельно, но с одинаковыми импульсами. Так как сечение (вероятность) взаимодействия нейтрона с веществом намного ниже, чем взаимодействие заряженных частиц, исследователи должны вначале убедиться, что произошел именно развал дейтрона, в результате которого нейтрон попадает прямо в тестируемый детектор. Для этого используется сопутствующий ему с тем же импульсом протон, импульс которого вычисляется по энергии первоначально ускоренного дейтрона.

«Мы дополнительно создаем магнитное поле, в котором будет искривляться только протон, а на нейтрон как на нейтральную частицу магнитное поле не действует, и его траектория остается прежней. Электрически заряженный протон искривляется в магнитном поле, и по траектории искривления в конкретном магнитном поле можно узнать импульс протона, после чего – зарегистрировать его с помощью, например, сцинтилляционного детектора. Затем мы смотрим, с какой эффективностью и каким образом полученные нейтроны взаимодействуют с нейтронным детектором», – прокомментировал Дмитрий Дряблов.

В 2011-2012 годах на ускорителе Нуклотрон уже были протестированы нейтронные детекторы экспериментальной установки SCAN-3, расположенной в районе внутренней мишени ускорителя Нуклотрон. «Магнитный спектрометр SCAN-3, в первую очередь, направлен на поиск одного из видов экзотических ядер – эта-мезонных ядер, в котором эта-мезон связан с нуклонами ядра силами притяжения. Исследование взаимодействия ядерной среды с эта-мезоном обогатит наши знания о свойствах ядерной среды. Одна из задач экспериментальной установки - детектирование и определение характеристик, коррелированных по углу и энергии пары частиц от разных каналов распада эта-мезонного ядра. Использование нейтронного детектора в установке позволит исследовать дополнительный канал распада данного экзотического ядра и получить новые экспериментальные данные. Сотрудники нашего сектора сами разрабатывают, собирают и тестируют нейтронные детекторы для установки SCAN-3», – сказал Дмитрий Дряблов.

С введением в эксплуатацию ускорительного комплекса NICA в здании с фиксированными мишенями расположится комплекс физических установок для прикладных исследований. Планируется, что испытание нейтронных детекторов войдет в число этих прикладных задач.

Информация и фото предоставлены пресс-службой Объединенного института ядерных исследований

Источник фото: Антон Балдин, Дмитрий Дряблов, Игорь Лапенко; автор схемы: Антон Балдин