Registration Number
0823U102045, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
20-02-2024
popup.evolution
o
Title
Monte Carlo simulations for the double beta decay experiments
Author
Mykola M. Zarytskyi,
popup.head Fedor A. Danevich
popup.opponent Onischuk Yurii M.
popup.opponent Oleg O. Parlag
popup.review Viktor O. Zheltonozhsky
popup.review Volodymyr P. Khomenkov
popup.rada
Institute of Nuclear Research of the National Academy of Sciences of Ukraine
Description
Дисертаційна робота присвячена моделюванням методом Монте-Карло та їх застосуванню в експериментах проєктів CUPІD-Mo, CROSS та BINGO, що використовують низькотемпературні сцинтиляційні болометри для дослідження перспективних з пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду ядер 100Mo та 130Te. Для проєкту CUPID-Mo було проведено моделювання методом Монте-Карло з метою визначення оптимальної кількості калібрувальних джерел 56Co, їх активності та місця розташування навколо екрану "300 K" всередині кріостату з 20 детекторами на основі кристалів молібдату літію Li2100MoO4. Конфігурація обиралась з урахуванням вимоги щодо найвищої частоти реєстрації для високоенергетичних гамма-квантів 56Co в околі піку 3253 кеВ (для області шуканого ефекту з енергією розпаду Q_2β=3034 кеВ), забезпечення якнайбільше рівномірної швидкості лічби в усіх детекторів, не перевищуючи значення в окремому детекторі ~ 0.17 Гц. За результатами моделювань було показано, що найбільш оптимальною є конфігурація розташування двох джерел 56Co, де джерела розміщені за мідними деталями установки. У середньому швидкість лічби в детекторах у цій конфігурації складає 2.6 × 10-3 подій на розпад зі стандартним відхиленням 0.4 × 10-3 подій на розпад. За умов обмеження на загальну швидкість лічби, при активності кожного джерела в 51 Бк очікувалась би реєстрація 19 подій на тиждень в області піку з енергією 3253 кеВ для детектора з найнижчою швидкістю лічби. Після проведення енергетичного калібрування впродовж 19 днів з двома джерелами 56Co, було змодельовано конфігурацію з уточненим розташуванням джерел з відповідністю до експериментальних вимірювань. Було показано, що моделювання методом Монте-Карло джерел 56Co показують хорошу узгодженість в апроксимації експериментальних даних в діапазоні енергій від 200 до 4000 кеВ. Було проведено детальне моделювання геометрії певних елементів установки CUPID-Mo, що розташовуються близько до детекторів та є джерелами радіоактивного фону в області шуканого ефекту. Активності радіоактивних забрудненостей стабілізаційних пружин та латунних гвинтів в мідних ґратках, отримані з результатів апроксимації експериментального спектра детекторів моделями фону, добре узгоджуються з виміряними значеннями, та відповідають значенням активності для радіонукліда 228Th: 20 ± 5 мБк / кг (виміряне значення 21 ± 5 мБк / кг) для стабілізаційних пружин та 3.5 ± 0.9 мБк / кг (виміряне значення < 18 мБк / кг) для латунних гвинтів. Проведено моделювання методом Монте-Карло кріостату установки CROSS з масивом зі 144 детекторів Lі2100MoO4 розміром 45 × 45 × 45 мм3. З метою оптимізації калібрування показано, що конфігурація з чотирма калібрувальними джерелами 208Tl, 228Ac, 212Bі та 212Pb довжиною по 70 см, дає найбільш рівномірну швидкість лічби в детекторах. Також для цієї конфігурації детекторів було проведено моделювання впливу радіоактивного забруднення елементів установки радіонуклідами 214Bі та 208Tl на фон в області шуканого ефекту. Вплив радіоактивного забруднення радіонуклідом 208Tl на фон в детекторах Lі2100MoO4 та оксиду телуру TeO2 відповідно має наступні значення: < 4.5 × 10-5 та < 1.7 × 10-4 відліків / (кеВ кг рік) для тримачів з міді марки NOSV з активністю < 4.3 мкБк / кг, 8(3) × 10-5 та 1.51(6) × 10-3 відліків / (кеВ кг рік) для частини мідного екрана з активністю 0.3(1) мБк / кг, < 1.2 × 10-8 та 1(2) × 10-6 відліків / (кеВ кг рік) для низькотемпературних кабелів з активністю 5(6) мБк / кг, а також < 3 × 10-6 та 2.2(1) × 10-4 відліків / (кеВ кг рік) для колон зі склопластику з активністю 1.41(5) Бк / кг. За результатами моделювань показано, що рівень фону в області шуканого ефекту є задовільним для поставлених цілей експерименту CROSS. Було реалізовано геометрію установки CROSS з додатковим зовнішнім свинцевим захистом. Порівняно ступінь зниження рівня фону від додаткового зовнішнього захисту в області піку природної радіоактивності при енергії 2615 кеВ для експериментальних та змодельованих даних: в 5.5 та 29(8) разів для детектора Lі2100MoO4, в 4.6(1) та 48(6) разів для детектора TeO2, а також у 7.8 та 13.9(7) разів для детектора на основі кристала вольфрамату кадмію CdWO4. Розбіжність ступеня зниження рівня фону для експериментальних та змодельованих даних вказує на наявність радіоактивних забрудненостей елементів установки всередині свинцевого захисту. Також було змодельовано геометрію установки CROSS з кристалами молібдату літію Li2100MoO4 зі збагаченим, збідненим на ізотоп молібдену-100 (Lі2100deplMoO4) та природним складом молібдену 100Mo і кристали CdWO4 з кадмію з природним складом ізотопів та збагаченого ізотопом 116Cd. Було змодельовано фон в детекторах від радіоактивного радону між екранами та свинцевим захистом, свинцевого захисту, мідних тримачів детекторів, мідного екрана та зовнішнього фону в установці CROSS. Було проведено моделювання з метою дослідження впливу радіоактивного фону від елементів, що виконують роль тримачів детекторів Lі2100MoO4 та TeO2 в установці з мінімізованою кількістю матеріалів.
Registration Date
2023-12-28
popup.nrat_date
2024-02-08 / 2026-07-01
