Специалисты Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ спроектировали и испытали экраны магнитной защиты для больших фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) от магнитного поля Земли. Разработка будет использоваться в установке OSIRIS, предназначенной для контроля радиационной чистоты жидкого сцинтиллятора детектора JUNO в Китае.

Большая группа ученых из ЛЯП ОИЯИ участвует в JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) – эксперименте нового поколения с реакторными антинейтрино. Он расположен в Китае и имеет целью определение иерархии масс нейтрино. Уровни очистки жидкого сцинтиллятора от естественных радиоактивных примесей, требуемые для осуществления физической программы JUNO, невозможно контролировать с помощью обычных лабораторных методов. Поэтому и появилось предложение создать для JUNO специальный детектор OSIRIS (Online Scintillator Internal Radioactivity Investigation System), главной задачей которого было бы измерение качества жидкого сцинтиллятора перед его заливкой в главный детектор JUNO.

Общий вид установки OSIRIS

Установка OSIRIS, хотя и не велика по сравнению с 20-килотонным детектором JUNO, с обычной точки зрения огромна: она вмещает 20 тонн сцинтиллятора. Исходная конструкция детектора не предусматривала магнитную защиту ФЭУ: установка занимает все доступное в подземной лаборатории пространство, в связи с чем просто нет места для установки катушек компенсации магнитного поля, как это сделано в детекторе JUNO.

Поскольку ФЭУ большого размера, использующиеся в OSIRIS, очень чувствительны к магнитному полю Земли – при неблагоприятной их ориентации падение чувствительности к свету может составлять до 50%, – то отсутствие компенсации магнитного поля Земли отрицательно скажется на характеристиках детектора. Группа из ЛЯП, основываясь на собственном опыте разработки магнитных экранов для больших ФЭУ, предложила снабдить каждый ФЭУ детектора экраном из магнитомягких материалов.

Компьютерная 3D-модель экрана магнитного поля. На первом рисунке показаны основные элементы конструкции, на втором – конструкция в сборке с ФЭУ

Решение достаточно очевидное, но сложное в реализации в применении к детектору низких уровней радиоактивности. Экран должен быть достаточно большим, чтобы вместить ФЭУ с диаметром фотокатода 50 см, и при этом содержать минимальное количество радиоактивных примесей, иначе он сам становится источником фоновых событий, затрудняющих измерения. В то же время экран должен быть защищен от коррозии в сверхчистой воде, так как ФЭУ в установке OSIRIS будут находиться в водной среде. Слой чистой воды служит защитой от внешней радиоактивности, исходящей от горных пород и конструкционных материалов.

“В качестве магнитомягкого материала мы предложили использовать инновационный материал – ленту из метгласа (металлического стекла, называемого также аморфным железом), выпускаемую в промышленных масштабах отечественным предприятием ПАО “МСТАТОР” в Боровичах”, – говорит старший научный сотрудник ЛЯП ОИЯИ к.ф.-м.н. Олег Смирнов.

Особые магнитные свойства металлических стекол обусловлены способом изготовления: расплав охлаждается настолько быстро, что не происходит образование кристаллических структур и металл остается в аморфном состоянии. При стоимости приблизительно в десять раз большей стоимости стандартного пермаллоя этот материал обладает в сто раз более высокой магнитной проницаемостью. Таким образом, экран с теми же магнитными характеристиками выиграет в сто раз по массе материала и в десять раз по стоимости.

Проблема фиксации очень тонкой ленты и ее защиты от воды решалась совместно с инженерами из Минска (ООО “Гидромания”). Они предложили использовать современные композитные материалы на основе стекловолокна и углеволокна. Восемь слоев ленты общей толщиной 0,2 мм при этом укладываются вручную между слоями композита. В сотрудничестве с ООО “Гидромания” был подготовлен опытный образец экрана, магнитные свойства которого были протестированы в ЛЯП ОИЯИ перед размещением окончательного заказа. После испытаний экран был усовершенствован: поверх ленты из аморфного металла наложен радиочастотный экран из алюминия, а внутренняя поверхность экрана покрыта белым светоотражающим слоем, что позволило увеличить эффективность светосбора на 20%. Тестирование показало, что экран обеспечивает практически идеальную защиту для ФЭУ: при размещении внутри магнитного экрана характеристики ФЭУ остаются неизменными при любой ориентации внешнего магнитного поля с интенсивностью магнитного поля Земли.

Фото основного и дополнительного элемента конструкции

Последняя, но не менее сложная часть стоявшей при создании экранов задачи – оценки радиоактивности материалов экрана – решалась нашими коллегами из РХТУ им. Д. И. Менделеева. Особую сложность представлял собой анализ органических материалов: эпоксидных смол, наполнителей и углеволокна. Отбор материалов осуществлялся по результатам проведенных анализов. Более дешевое стекловолокно оказалось непригодным по радиоактивности для изготовления экранов основного детектора, использующего 64 ФЭУ для просмотра объема сцинтиллятора. Поэтому экраны из стекловолокна изготовлены только для 12 ФЭУ водного черенковского детектора, находящихся на значительном расстоянии от основного детектора. Остальные экраны изготавливались из композитных материалов на основе углеволокна. Экраны изготавливались ООО “Гидромания” в специально подготовленном чистом помещении, готовые изделия сразу упаковывались в пластик, чтобы исключить неконтролируемое загрязнение поверхностей.

Конструкция экранов магнитной защиты разрабатывалась в сотрудничестве с группой из Технического университета Ахена (Германия) с учетом необходимости интеграции с элементами крепежа ФЭУ. Летом 2021 года 77 готовых экранов были переданы коллегам из немецкого института.

По результатам работы подготовлена научно-методическая статья, которая вышла в высокорейтинговом журнале Journal Instrumentation. Помимо описания конструкции, процесса изготовления и результатов тестирования собственно магнитных экранов, статья содержит краткий обзор методов экранирования и компенсации магнитного поля Земли.