Narodowe Centrum Badań Jądrowych
Pracownia Fizyki Promieniowania Kosmicznego
Zakładu Astrofizyki

90-558 Łódź
ul. 28 Pułku Strzelców Kaniowskich 69
tel./fax (+48 +42) 6786431
tel./fax (+48 +42) 6783223

Badania neutronów





Udział w projekcie ISOTTA


Celem projektu ISOTTA (ISOTope Trace Analysis) jest stworzenie warunków umożliwiających pozyskiwanie na dużą skalę (masa ok. 1 tony) izotopowo wzbogacanych materiałów dla nowej generacji eksperymentów poszukujących podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta.

Nasz udział w tym projekcie polega na badaniu procesów transportu neutronów
i ich oddziaływań przez porównanie wyników symulacji przy pomocy pakietu GEANT-4 z pomiarami przy użyciu słabego źródła neutronów i detektora germanowego. Wyniki tych prac posłużą do zbudowania osłon dla detektorów germanowych w celu zredukowania tła neutronowego.

Projekt ISOTTA realizowany jest przez międzynarodowe konsorcjum w ramach Europejskiego Programu ERA-NET ASPERA II.

Polski udział w projekcie ISOTTA finansowany jest poprzez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.





Pomiary neutronów w podziemnych laboratoriach

Slanic (Rumunia)
Gran Sasso (Włochy)




Pomiar tła neutronowego w kopalni soli w Slanic
w Rumunii

Neutrony są trudnym do wyeliminowania tłem w eksperymentach niskotłowych, takich jak np. poszukiwania ciemnej materii, badania neutrin czy podwójnego rozpadu beta.


Narodowy Instytut Fizyki i Techniki Jądrowej im. Horii Hulubei (IFIN HH) w Bukareszcie ma niskotłowe laboratorium w udostępnionej publiczności części kopalni soli Unirea w Slanic w Rumunii. Miejsce to jest jedną z możliwych lokalizacji jednego z dużych eksperymentów projektu LAGUNA. Ściany kopalni zawierają prawie wyłącznie czystą sól - NaCl, praktycznie bez potasu, więc spodziewane tło neutronowe jest tam bardzo niskie.

Pomiary strumienia neutronów w kopalni w Slanic przeprowadziliśmy w okresie od 19 listopada 2011 r. do 10 stycznia 2012 r. przy użyciu układu 16 liczników helowych wyprodukowanych w ZDAJ IBJ ok. 30 lat temu. Do pomiaru neutronów termicznych użyliśmy "gołych" liczników helowych, a do pomiaru neutronów nietermicznych - liczników umieszczonych w blokach polietylenu. Każdy licznik rejestruje neutrony termiczne poprzez reakcję z 3He, w której powstają protony i jądra trytu o całkowitej energii kinetycznej równej 764 keV. Liczniki helowe pracują w modzie proporcjonalnym i w większości przypadków ta energia jest mierzona. Przy bardzo niskich strumieniach neutronów pojawia się trudny problem związany z tłem cząstek α pochodzących ze szczątkowej radioaktywności elementów konstrukcji licznika.

W pomiarach w Slanic użyliśmy tego samego układu liczników helowych i układu zbierania danych, jaki zastosowaliśmy w pomiarach w podziemnym laboratorium w Gran Sasso w 2008. Możemy więc niemal bezpośrednio porównać strumienie neutronów zmierzone w obydwu podziemnych laboratoriach.

W pomiarach neutronów termicznych tylko 13 liczników pracowało stabilnie. Zarejestrowaliśmy 471 przypadków z wydzieloną energią bliską 764 keV, z czego 273.6 przypadków to spodziewane tło od cząstek α, a więc w ciągu ok. 229 godzin efektywnego czasu pomiaru zarejestrowaliśmy 197.4 przypadki neutronów. Wynika stąd tempo rejestracji równe 1.6 neutronu na dzień na licznik i strumień neutronów termicznych równy

(1.35±0.32) × 10-7 n/cm2/s


(ok. 4 razy niższy niż w Gran Sasso).

W pomiarach neutronów nietermicznych (12 pracujących stabilnie liczników helowych w moderatorze z polietylenu) w ciągu 35.5 dnia zarejestrowaliśmy prawie 2295 neutronów (3727 przypadków w obszarze piku 764 keV, z czego 1432.1 przypadków to spodziewane tło od cząstek α). Tempo rejestracji wynosiło 5.4 neutronu na dzień na licznik i było 1.4 raza wyższe niż odpowiednie tempo rejestracji w Gran Sasso.




Pomiar strumienia termicznych neutronów
w podziemnym laboratorium w Gran Sasso we Włoszech (kwiecień 2008 r.)

W kwietniu 2008 r. wykonaliśmy pomiary strumienia termicznych neutronów w podziemnym laboratorium w Gran Sasso we Włoszech.
Pomiary te przeprowadziliśmy w ramach realizacji pierwszej części grantu ILIAS-TA-P2007-12-LNGS, a ich celem było wykazanie czułości naszej metody dla niskich strumieni neutronów.
Do rejestracji neutronów używaliśmy układu 16 proporcjonalnych liczników helowych wykonanych w ZDAJ w Świerku ponad 20 lat temu.
Rejestracje przeprowadziliśmy w dwóch konfiguracjach liczników:


Układ liniowy liczników.


Układ kołowy.

Wyniki rejestracji porównaliśmy z przewidywaniami uzyskanymi z symulacji Monte Carlo (GEANT 4) dla obu układów liczników.
Zmierzony strumień termicznych neutronów wynosi:

(5.4±1.3) × 10-7 neutronów/cm2/s


Jest to wynik wstępny, a podany błąd jest tylko błędem statystycznym.

Więcej szczegółów można znaleźć w prezentacji [pdf 1.8 MB] Karola Jędrzejczaka.
Dokładny opis metody rejestracji i analizy pomiarów zawiera Raport [pdf 0.6 MB].

Planujemy przeprowadzić dalsze pomiary dla wyższych energii neutronów.





Jeszcze tylko drobne poprawki...
Miejsc siedzących mało, ale to nas nie zniechęca.
Moment finalnego uruchomienia systemu.
Zmiana układu liczników. Czynność prosta, lecz bezpieczeństwo zawsze na pierwszym planie.
My na tle ICARUSa.
Kolory kasków dobrane losowo. ;-)
Liczniki helowe z wtórnikami w układzie kołowym - czytaj... plątanina kabli. ;-)
Były też chwile na przemyślenie sprawy...
Liczniki w układzie liniowym.
Czasem obrady trwały dość długo.
Zadowolenie i duma z udanych pomiarów.
I jeszcze pamiątkowe zdjęcie z pięknymi górami w tle.