Учеными из НИЯУ МИФИ создана уникальная установка для исследований потоков тепловых нейтронов. Материал об этом опубликован в высокорейтинговом научном журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (Volume 1076, July 2025) в статье “The PRISMA-36 array for studying variations of the thermal neutron flux”.

Что такое ПРИЗМА

Установка носит название ПРИЗМА и состоит из 36 детекторов, расположенных в здании Экспериментального комплекса НЕВОД.

Корпуса детекторов представляют собой светонепроницаемые пластиковые бочки. На их дне размещен особый материал – сцинтиллятор, способный светиться при прохождении через него заряженных элементарных частиц. В верхней части корпусов крепятся фоточувствительные элементы для регистрации возникающих в сцинтилляторе вспышек света.

Вот что рассказал нам руководитель установки кандидат физико-математических наук Дмитрий Михайлович Громушкин: 

«Проект PRISMA (PRImary Spectrum Measuring Array) изначально был предложен старшим научным сотрудником Института ядерных исследований, выпускником МИФИ Юрием Васильевичем Стенькиным. Идея состояла в том, чтобы в качестве основного чувствительного материала детекторов использовать гранулы сульфида цинка, активированного ионами серебра. Это вещество является сцинтиллятором, то есть способно светиться при прохождении заряженных частиц. Однако Юрий Васильевич предложил усилить свойства этого материала и добавить внутрь гранул изотоп лития-6. В отличие от основного изотопа лития-7, который содержится в аккумуляторах различных гаджетов, изотоп лития-6 очень охотно вступает в ядерные реакции с нейтронами. В результате таких реакций рождается ядро трития (тритон) и ядро гелия-4 (альфа-частица). Обе родившихся частицы имеют электрический заряд и генерируют вспышки света в гранулах сульфида цинка. По своим характеристикам эти вспышки отличаются от вспышек при регистрации других частиц, что позволяет регистрировать нейтроны одновременно с другими частицами.

В своем первоначальном варианте установка ПРИЗМА была предназначена для исследований широких атмосферных ливней. Эти события возникают в результате взаимодействий прилетевших из космоса протонов и атомных ядер с верхними слоями атмосферы нашей планеты. Если прилетевшая из далекого космоса частица обладает достаточно высокой энергией, то при ее ударе о ядро азота или кислорода рождаются новые ядерно-активные частицы, которые называются мезонами. Родившиеся мезоны также могут иметь энергию, достаточную для расщепления других ядер. Так возникают мезоны второго поколения, потом третьего и так далее. До уровня моря доходят частицы одиннадцатого или двенадцатого поколения, их уже очень много, поскольку некоторые мезоны распадаются и запускают цепочки различных реакций. Так всего лишь от одного прилетевшего из космоса протона могут родиться десятки миллионов вторичных частиц. Поперечный радиус этого каскада составляет порядка сотни метров, поэтому он называется широким атмосферным ливнем.

Сцинтилляторы детекторов установки ПРИЗМА чувствительны как к заряженным частицам, так и к тепловым нейтронам, возникающим при взаимодействии мезонов ливня с окружающим установку веществом. В свое время это позволило измерить пространственную и временную структуру нейтронов в широких атмосферных ливнях. Результаты работы легли в основу моей кандидатской диссертации, но после ее защиты мне не давали покоя неиспользованные возможности этих детекторов.

Дело в том, что измерение потока тепловых нейтронов представляет значительный интерес для очень большого класса научных исследований. Это и исследование гроз, сейсмической активности региона, влажности почвы и физики Солнечно-Земных связей. Однако для всех этих исследований необходимо проводить измерение фонового потока тепловых нейтронов, а существующая на тот момент установка ПРИЗМА могла измерять только нейтроны, связанные с широкими атмосферными ливнями. Вот и возникла идея проведения модернизации установки. Для ее реализации я подал заявку в РНФ, и фонд выделил мне грантовое финансирование на 2023-2024 годы. Работы предстояло много и мне очень помогли студенты и сотрудники нашего Научно-образовательного центра НЕВОД».

Электроника для нейтронов

Самым младшим членом команды разработчиков стал Егор Сергеевич Моргунов, который сейчас учится в магистратуре. Егор отвечал за электронику, расположенную в начале спектрометрического тракта. Такую электронику экспериментаторы называют фронтальной.

Егор рассказывает о своей работе:

«Для регистрации происходящих в сцинтилляторе вспышек в конструкции детектора имеется специальный фотоприемник, называемый фотоэлектронным умножителем или ФЭУ. В предыдущей версии установки в качестве такого фотоприемника использовался фотоумножитель ФЭУ-200 с плоским входным окном диаметром 15 см. При модернизации мы решили заменить фотоприемник на более крупный и выбрали для этого ФЭУ EMI 9350. Фотокатод у этого прибора полусферический с диаметром входного окна 20 см. Таким образом чувствительная к фотонам площадь увеличилась почти в 3 раза. Передо мной была поставлена задача разработки платы, способной одновременно питать фотоэлектронный умножитель и преобразовывать идущие от него сигналы.

Разработанная мной плата крепится на колбе ФЭУ и распределяет поступающее на нее высоковольтное напряжение по динодам фотоумножителя. Сигналы ФЭУ проходят через интегрирующие цепи, и в итоге отклик детектора на заряженные частицы начинает заметно отличаться от отклика на тепловые нейтроны. Благодаря этому появляется возможность использовать установку ПРИЗМА как для задач регистрации широких атмосферных ливней, так и для регистрации фонового потока тепловых нейтронов.

Разработанная плата легла в основу моей выпускной квалификационной работы бакалавра. После ее защиты я участвовал в запуске платы в производство, а потом и в сборке самой установки. Хочу сказать, что когда ты видишь, как твоя разработка из начерченных на компьютере схем превращается во что-то материальное, способное работать в реальном физическом эксперименте, то испытываешь особое чувство удовлетворения».

Оцифровка данных

Детекторы установки ПРИЗМА объединены в три кластера по 12 детекторов в каждом. Сформированные сигналы с детекторов каждого кластера поступают в блоки электроники, где происходит их оцифровка и первичная обработка. Такую электронику обычно называют высокоуровневой. 

Доцент НОЦ НЕВОД, кандидат физико-математических наук Иван Андреевич Шульженко:

«Электроника установки ПРИЗМА должна была обеспечивать два режима. С одной стороны, установка должна регистрировать широкие атмосферные ливни – события, в которых одновременно сработало сразу несколько детекторов, причем после такого срабатывания необходимо разделить отклик на заряженные частицы от отклика на нейтронную компоненту ливня. С другой стороны, каждый из 36 детекторов должен в режиме реального времени регистрировать одиночные нейтронные события, а для этого необходимо проводить их фильтрацию от событий с заряженными частицами. Сочетание этих, казалось бы, несочетаемых режимов показалось мне особенно непростой, а потому интересной задачей, которая была успешно решена».

Обработка данных

Обработка и анализ данных современного физического эксперимента невозможны без тщательного компьютерного моделирования. 

Доцент НОЦ НЕВОД, кандидат физико-математических наук Анна Николаевна Дмитриева:

«В реальных событиях в установку может попасть сразу несколько тысяч частиц различных типов и энергий, и для полного понимания процессов нам необходимо знать, как отдельный детектор откликается на каждую из таких частиц. Создана математическая модель, в которой были учтены все химические и ядерно-физические свойства материалов, задано взаимодействие частиц с веществом, заложены оптические характеристики внутренних поверхностей детектора так, чтобы можно было отслеживать пути рождаемых в сцинтилляторе фотонов до их полного поглощения или взаимодействия с фотокатодом ФЭУ.

Потом через эту модель мы начали пропускать различные частицы. При этом заряженные частицы вели себя довольно предсказуемо: электроны частично поглощались крышей здания, а частично проходили детектор насквозь; мюоны (масса которых в ~ 200 раз больше чем у электронов) пролетали установку с минимальными потерями энергии. Совсем другая картина наблюдалась при моделировании нейтронов. Эти частицы рождаются при расщеплении ядер, и их энергии при этом могут быть довольно большими. В окрестности установки нейтроны взаимодействуют со всеми окружающими материалами. Соударяясь с ядрами атомов, нейтроны, как теннисные мячики, теряют часть своей энергии и резко меняют направление движения. Процесс этот может повторяться много раз и продолжается до тех пор, пока энергия нейтрона не сравнивается с энергией теплового колебания атомов среды. Весь этот процесс называется термализацией, а потерявшие энергию нейтроны называются тепловыми. Получается, что в отличие от заряженных частиц для моделирования потока тепловых нейтронов пришлось учитывать не только крышу здания и ближайшие стены, но и перекрытия на несколько этажей вниз под установкой и даже окружающий здание грунт».

Модернизация

Осенью 2024 года установка ПРИЗМА начала работу сразу в двух режимах и в первые же недели на ней были зарегистрированы события, связанные с активностью Солнца. Анализом этих событий занимается аспирант Евгений Петрович Волков.

Инженер НОЦ НЕВОД, аспирант 2-го года обучения Евгений Волков:

«Модернизация установки ПРИЗМА была моей магистерской работой. В результате мы смогли завершить ее и запустить наш эксперимент в середине 25-го Солнечного цикла. Примерно каждые 11 лет Солнце то увеличивает свою активность, то снижает ее. Более-менее упорядоченное наблюдение этих циклов ведется с 17-го века, с того момента и начинается их нумерация.

Основное проявление солнечной активности – это разного рода вспышки и выбросы плазмы. Такие процессы значительно меняют параметры солнечного ветра и состояние магнитосферы Земли. В результате происходят поломки спутников, наблюдаются проблемы со связью, в некоторых случаях происходят сбои в электросетях. Но самое главное – солнечная активность негативно воздействует на биосферу и может отражаться на самочувствии людей из группы риска. Поэтому для наблюдения за солнечной активностью и за всей космической погодой создаются целые сети приборов.

Так, для отслеживания потока нейтронов на уровне Земли в конце 50-х была создана сеть нейтронных мониторов. Это довольно массивные установки со свинцовой мишенью. Один из них, Московский нейтронный монитор, расположен в г. Троицке в Институте земного магнетизма и Аэрономии (ИЗМИРАН).

Но, как выяснилось в первые же недели работы, установка ПРИЗМА позволяет регистрировать солнечные события с чувствительностью, не уступающей нейтронным мониторам, и при этом она параллельно используется для исследований широких атмосферных ливней. Думаю, что в скором будущем такие установки, как ПРИЗМА, дополнят своими данными уже существующую базу от нейтронных мониторов».

Уникальная вспышка

В первой половине ноября 2025 года активность Солнца заметно выросла, и вспышки стали следовать одна за другой. 11 ноября произошло по-настоящему уникальное событие: фон нейтронов вырос на целых 20%! Взглянув на показания установки, Д.М. Громушкин не сразу поверил своим глазам.

Вот что Дмитрий Михайлович рассказал об этом редком явлении:

«Обычно через день-два после больших вспышек на Солнце, у нас на Земле поток тепловых нейтронов заметно уменьшается. Происходит это из-за того, что к нашей планете подходит корональный выброс масс, который экранирует протоны космических лучей. По сути, от Солнца к нам летит плазма, и ее скорость составляет 500-1000 километров в секунду. С такой скоростью плазма добирается до Земли несколько суток, и чем больше этой плазмы, тем сильнее снижается фон тепловых нейтронов.

Однако в редких случаях можно наблюдать не уменьшение, а рост фонового потока. Так происходит, когда солнечная вспышка работает как ускоритель и разгоняет летящие от Солнца протоны, которые достигают Земли за несколько минут. Это довольно экзотическое явление получило название Ground Level Enhancement, и за всю историю наблюдений с 1942 года такие события регистрировались всего 76 раз. 11 ноября произошла самая большая в этом году вспышка, и менее чем через час после нее мы уже регистрировали превышение потока. Мы сразу же связались с ИЗМИРАН, и сотрудники этого института подтвердили, что тоже наблюдают солнечную аномалию.

Солнце постоянно подкидывает нам сюрпризы, и различные события детектируются чуть ли не каждый день. Кроме того, ПРИЗМА регистрирует адронную и электрон-фотонную компоненту широких атмосферных ливней, которые также таят в себе немало загадок. Наша установка дает огромный объем экспериментальных данных, и поэтому мы приглашаем к сотрудничеству всех, кому интересен современный физический эксперимент. В наших данных уже есть материал для ваших бакалаврских работ, магистерских и кандидатских диссертаций».

Остается только добавить, что регистрация редкого солнечного события на расположенной в НИЯУ МИФИ установке ПРИЗМА за несколько дней до дня рождения родного университета выглядит особо символично!