На создаваемом в ОИЯИ 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).

Отклоняющий магнит установки МАРУСЯ

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.

Схема эксперимента исследования нейтронного детектора на выведенном пучке Нуклотрона. Вид сверху. S1 — мишень; 4-SP-12 — электромагнит; A1, A3 — счетчики антисовпадений; 8ND — прототип нейтронного детектора; VP-1 — канал прохождения дейтронов, не провзаимодействовавших с мишенью

«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.

Сотрудники Сектора корреляционных исследований Научно-экспериментального отдела физики тяжелых ионов ЛФВЭ ОИЯИ Евгений Сухов, Ольга Кутинова и Валентин Устинов проверяют правильность сборки модуля нейтронного детектора, который будет использоваться в эксперименте SCAN-3

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.