11 июля в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) на юго-западе Германии прошел торжественный запуск измерения бета-спектра трития в рамках проекта KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino).
В инаугурации приняли участие более 400 человек, в том числе и директор ОИЯИ В.А. Матвеев. (Надо, однако, отметить, что впервые тритий был впущен в систему спектрометра 18 мая, а первое кратковременное измерение его бета-спектра проведено 19 мая). Таким образом началась фаза долгосрочного сбора данных в проекте KATRIN, в котором принимают участие более 160 физиков, инженеров и техников. О значимости проекта KATRIN для науки самой Германии говорит тот факт, что доля Федерального министерства образования Германии в финансировании этого проекта составляет около 75 процентов. Только инвестиции в здание установки KATRIN составляют около 50 миллионов евро.
Представление о габаритах основных узлов установки можно получить по фотографии, на которой запечатлена транспортировка вакуумной камеры главного электронного спектрометра от завода-производителя в KIT.
Цель проекта KATRIN, основанного на опыте более ранних проектов, — повышение на порядок чувствительности к эффективной массе покоя электронного антинейтрино по сравнению с самыми лучшими предыдущими прямыми измерениями, а именно до 0,2 эВ/c2 (с 90-процентным доверительным интервалом) в течение трех лет набора статистики. Принятое на сегодняшний день значение 2 эВ/c2 для верхнего предела эффективной массы покоя электронного антинейтрино основано на экспериментальных данных 2,3 эВ/c2 и 2,1 эВ/c2, полученных из анализа формы b-спектра трития в области его граничной энергии с использованием электронных спектрометров такого же типа, как в проекте KATRIN. Это интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией.
В случае проекта KATRIN спектрометр должен обеспечить приборное разрешение около 1 эВ при энергии электронов 18,6 кэВ (граничная энергия бета-спектра трития) и трансмиссию около 18 процентов от 4. Oдно из важнейших требований для достижения намеченной цели — стабильность тормозящего/анализирующего напряжения (около -18,6 кВ). По проведенным расчетам его нестабильность в пределах ±60 мВ может внести систематическую погрешность около 0,007 эВ2/c4 в значение квадрата массы покоя антинейтрино, полученное из измеренного бета-спектра. Такая погрешность представляет значительный вклад в максимальную допустимую систематическую погрешность 0,017 эВ2/c4 для достижения целевой чувствительности к массе нейтрино.
Долгосрочный мониторинг стабильности напряжения в случае -18,6 кВ в пределах отклонения ±60 мВ (т.е. с относительной погрешностью ±3·10-6) в течение двух месяцев (планируемая продолжительность одного сеанса измерений) — это достаточно сложная задача для современной техники. Поэтому стабильность тормозящего напряжения будет проверяться одновременно двумя независимыми способами: с помощью высокоточного вольтметра в сочетании со специальным делителем высокого напряжения и мониторингом положения стабильной во времени реперной линии моноэнергетических электронов, эмитируемых естественным источником, в специальном мониторирующем спектрометре (такого же типа, как и главный спектрометр проекта KATRIN), который будет подключен к общему источнику напряжения -18,6 кВ. В таком случае любое изменение положения реперной линии будет свидетельствовать о нестабильности в общей системе тормозящего напряжения. В разработке естественного источника реперных электронов, удовлетворяющего вышеупомянутым требованиям, вместе с коллегами из ИЯФ АН ЧР в Ржеже принимали участие и сотрудники ЛЯП ОИЯИ, которые занимаются прецизионной ядерной электронной спектроскопией уже несколько десятков лет.
В связи с этим необходимо напомнить, что (в отличие от фотоэлектронной спектроскопии) в ядерной электронной спектроскопии до сих пор отсутствуют коммерчески доступные твердотельные энергетические реперы конверсионных электронов или электронов Оже с погрешностью менее 0,1 эВ. Главная причина состоит в том, что кинетические энергии этих электронов напрямую зависят от энергий их связи в атоме. А, как известно, энергии связи электронов чувствительны к физико-химическому окружению атомов, что впоследствии приводит к энергетическим сдвигам как в спектрах конверсионных электронов, так и электронов Оже, особенно в случае твердотельных источников. Из фотоэлектронной спектроскопии известно, что этот энергетический сдвиг (который принято называть химическим сдвигом) достигает ±7 эВ и сильно коррелирован с валентным состоянием излучаемого атома. Известно также, что энергии связи электронов в твердых телах, как правило, на 2-10 эВ меньше, чем для свободных атомов (т.н. твердотельный сдвиг), а для атомов, адсорбированных на поверхности твердых тел, на 1-3 эВ.
Необходимо, однако, подчеркнуть, что, с точки зрения выполнения требований к естественному источнику реперных электронов для мониторинга высокого напряжения, в измерениях KATRIN решающую роль играет не точность определения абсолютного значения энергии реперных электронов, а ее временная стабильность.
Как и в предыдущих прямых экспериментах по определению массы покоя электронного антинейтрино, в качестве реперных электронов была выбрана К-конверсионная линия (естественная ширина 2,70±0,06 эВ) ядерного γ-перехода 32 кэВ в 83mKr (K-32), энергия которой 17824,3±0,5 эВ относительно близка граничной энергии бета-спектра трития. Поскольку период полураспада 83mKr достигает всего 1,83 ч, то он не подходит для долговременного мониторинга. Сотрудниками ЛЯП был предложен твердотельный источник материнского изотопа 83Rb с периодом полураспада T1/2=86,2 сут. Это больше, чем планируемая продолжительность одного сеанса измерения (два месяца). Для тестирования свойств приготовленных источников 83Rb использовались три электронных спектрометра. Во-первых, дифференциальный комбинированный электростатический спектрометр ESA50, состоящий из тормозящей сферы и двойного цилиндрического зеркала с регулируемым приборным разрешением, который работает в диапазоне энергий электронов от нуля до 50 кэВ (ЛЯП ОИЯИ). Во-вторых, дифференциальный электростатический спектрометр ESA12 типа цилиндрическое зеркало с фокусировкой второго порядка, оснащенный тормозящей (ускоряющей) линзой (ИЯФ АН ЧР, Ржеж под Прагой). В-третьих, интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией MAC-E-Filter (Институт физики, Университет Майнца, Германия).
Сначала проводились исследования источников 83Rb, приготовленных методом термического испарения в вакууме, на разных подложках по методике, разработанной в ЛЯП. Всего было приготовлено 29 источников 83Rb, из них 16 на алюминиевой подложке (окисленная естественным путем фольга), 12 — на углеродной (поликристаллическая фольга) и один на подложке из HOPG (высокоориентированный пиролитический графит). Однако долгосрочные измерения (от 2 до 6 месяцев) проводили только с пятью разными источниками. В четырех случаях источники в ходе измерений несколько раз извлекали из спектрометра, хранили на воздухе и потом помещали обратно. Для всех изучаемых источников измеряемые значения энергий выбранных конверсионнных линий со временем увеличивались, и это изменение можно было описать с помощью линейной функции. Дрейф находился в пределах (2,3-12)·10-6 в месяц, что заметно больше, чем вышеупомянутое требование ±3·10-6 в два месяца, и явно был вызван изменением работы выхода спектрометра (под влиянием изменения состава остаточных газов в камере спектрометра), а также динамикой физико-химических процессов в поверхностном слое 83Rb.
Чтобы минимизировать влияние некоторых неблагоприятных факторов, было решено поместить атомы 83Rb/83mKr в более стабильную среду имплантацией ионов 83Rb при энергии 15 и 30 кэВ в поликристаллическую золотую и платиновую фольги высокой чистоты. Всего было приготовлено четыре источника 83Rb. Из них три в платиновую подложку и один в золотую. Энергетические дрейфы наиболее часто измеряемой конверсионной линии K-32 в случае платиновой подложки находились в пределах от -1,0(2)·10-6/месяц до 1,0(2)·10-6/месяц, а 2,6(2)·10-6/месяц для золотой подложки. Таким образом источники 83Rb/83mKr в платиновой матрице вполне удовлетворяли вышеупомянутому требованию к стабильности энергии реперных электронов для мониторинга. Разница в энергетических дрейфах между платиновой и золотой подложками может быть вызвана разными физико-химическими свойствами этих двух благородных металлов, в особенности более быстрым восстановлением кристаллической решетки платины после ионной имплантации. В дальнейшем желательно еще исследовать возможность замены платиновой подложки на подложку из материала с низким атомным номером для существенного уменьшения вероятности неупругого рассеяния реперных электронов в материале подложки (при сохранении энергетического дрейфа), а также выяснить причину наблюдаемой «тонкой структуры» линий реперных электронов. Этими вопросами будет заниматься в первую очередь группа сотрудников Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.