В Лабораторию ядерных проблем ОИЯИ поступил первый прототип экрана магнитной защиты для фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) установки OSIRIS эксперимента JUNO.

Характеристики ФЭУ большого размера ухудшаются в присутствие даже слабого магнитного поля, поэтому для его полноценной работы требуется экранировка магнитного поля Земли. С этой целью в ЛЯП был разработан экран магнитной защиты (ЭМЗ).

Особенностью конструкции является использование современного материала со сверхвысокой магнитной проницаемостью, так называемого металлического стекла (метгласса), представляющего собой железо в аморфной форме. При изготовлении метгласса обеспечивается очень быстрый отвод тепла, поэтому элементы кристаллической структуры не успевают сформироваться, что обеспечивает магнитную проницаемость материала на уровне в сто раз большем, чем в «стандартном» пермаллоевом сплаве (пермалло́й — прецизионный сплав с магнитно-мягкими свойствами, состоящий из железа и никеля). Соответственно, требуется в сто раз меньше материала, чтобы обеспечить защиту, эквивалентную по характеристикам защите из пермаллоя.

Ведущие специалисты ЛЯП рассказывают об экране магнитной защиты для ФЭУ и эксперименте JUNO

Количество используемого материала является важным показателем, так как установка OSIRIS предназначена для измерения сверхнизких уровней радиоактивности в жидком сцинтилляторе перед его заливкой в основной детектор JUNO. Присутствие естественных радиоактивных примесей в конструкционных материалах вблизи активного объема OSIRIS ухудшает чувствительность установки, поэтому требуется тщательный контроль их концентрации.

Все материалы, используемые для производства экранов, тщательно отбирались, чтобы гарантировать фон гамма-излучения, не превышающий фон от самих ФЭУ. Метгласс не теряет магнитных свойств при механических деформациях и может использоваться без отжига, технически сложного для изделий большого размера, что является существенным преимуществом в сравнении с использованием пермаллоя.

Дополнительной сложностью при разработке ЭМЗ являлась необходимость защиты метгласса от агрессивной среды, так как ФЭУ с ЭМЗ будут находиться в сверхчистой воде. Поэтому был выбран вариант заделки метгласса в композитный материал. При этом 12 ЭМЗ для мюонного вето будут изготовлены из более дешевого стеклопластика, а 64 ЭМЗ для основного детектора — из углепластика. Требования к радиационной чистоте материалов ЭМЗ основного детектора более сильные, чем для ЭМЗ мюонного вето, поэтому стеклопластик, имеющий более высокое содержание калия, для изготовления ЭМЗ основного детектора не подходит.

Каждый экран состоит из двух элементов: основного, выполненного в виде усеченного конуса, и дополнительного, имеющего вид цилиндра. Дополнительный элемент будет служить также концентратором света, с этой целью он покрыт изнутри белым светоотражающим материалом. Остальные поверхности покрыты черным гелькоутом и матированы для подавления нежелательных отражений. Еще одной особенностью конструкции является наличие радиочастотного экрана в виде слоя фольги, проложенного внутри композита.

К концу года, согласно соглашению между ЛЯП и Рейнско-Вестфальским Техническим Университетом Аахена, будут изготовлены и отправлены в Китай все 76 ЭМЗ.

к.ф.-м.н. О. Смирнов, ЛЯП ОИЯИ

Объединенный институт ядерных исследований участвует в коллаборации JUNO уже более пяти лет. В КНР идет строительство крупной лаборатории под названием Подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь в 150 километрах к западу от Гонконга. Экспериментальный зал установки JUNO располагается в 700 метрах под землей. Детектор, наполненный 20 тысячами тонн жидкого сцинтиллятора, будет использовать 20 тысяч фотоумножителей для обнаружения сцинтилляционного света, который образуется при столкновении нейтрино с атомами водорода. Основная задача эксперимента — изучение нейтринных осцилляций между тремя типами — электронным, мюонным и тау-нейтрино. На установке планируется определить относительные массы всех трех типов нейтрино, а значит, попытаться разрешить проблему иерархии фермионных масс.