Физика реакции
- Основной канал регистрации реакторных ${\bar{\nu }}_e$ — обратное бета‑распадение (IBD): ${\bar{\nu }}_e+p\to e^{+}+n$. Порог энергии: $E_{\bar{\nu }}^{\mathrm{th}}=m_e+(M_n-M_p)\approx 1.806\mathrm{MeV}$.
- Энергетический баланс: если $T_{e^{+}}$ — кинетическая энергия позитрона, то примерно $E_{\bar{\nu }}\simeq T_{e^{+}}+m_e+(M_n-M_p)$. Для практических оценок часто используют приближение $E_{\bar{\nu }}\simeq E_{e^{+}}+1.293\mathrm{MeV}$ (если $E_{e^{+}}$ — полная энергия позитрона).
- Приближённое сечение (Vogel–Beacom): $\sigma (E_{\bar{\nu }})\approx 9.52\times 10^{-44}(E_{e^{+}}{p}_{e^{+}}){\mathrm{cm}}^2$, где энергии и импульс в МэВ.
Сигнальная подпись (характерные признаки события)
- Двухкомпонентная (delayed coincidence):
1. Prompt-сигнал: энергия от кинетической энергии позитрона + два аннигиляционных $\gamma$ по $0.511\mathrm{MeV}$ — даёт всплеск света с суммарной видимой энергией $\sim T_{e^{+}}+1.022\mathrm{MeV}$.
2. Delayed-сигнал: тепловой нейтрон захватывается на ядре (H, Gd, ${}^6$Li и т.д.) с характерным временем захвата ${\tau }_{\mathrm{cap}}$ и характерной энергией кэскада гамм:
- На водороде: $\gamma (2.2\mathrm{MeV})$, ${\tau }_{\mathrm{cap}}\sim 100\text{–}300\mu \mathrm{s}$.
- На гадолинии: суммарные гаммы $\sim 8\mathrm{MeV}$, ${\tau }_{\mathrm{cap}}\sim 20\text{–}50\mu \mathrm{s}$.
- На ${}^6$Li: даёт заряженные частицы (локальный сигнал), нет высокой гамма‑каскады.
- Временное окно и пространственная связь: типичное окно совпадения $\sim 10\text{–}500\mu \mathrm{s}$, радиус пространственной корреляции $\lesssim$ десятков сантиметров (зависит от детектора). Требуют «prompt и delayed» близко по времени и позиции.
Основные фоны
- Случайные (accidentals): независимые гамма‑всплески + отложенные захваты нейтронов; частота пропорциональна интенсивности гамма‑фонта и потоку термальных нейтронов.
- Быстрые нейтроны: внешний быстрый нейтрон даёт упругий рассеяние на протоне (prompt — энергия отдачи протона) и затем захват (delayed) — имитирует IBD. Особенно опасны при малой глубине и плохой пассивной защите.
- Космогенные бета‑n нуклиды (например ${}^9$Li, ${}^8$He): дают коррелированную beta+n распад с временами жизни десятки–сотни мс; трудно отличимы от IBD по временной картине.
- Остановленные мюоны и их захваты; мюоны индуцируют вторичные нейтроны.
- (α,n) реакции и радиоактивность материалов: альфы на лёгких элементах дают нейтроны.
- Реакторные гаммы и локальная гамма‑радиация повышают уровень accidentals.
Методы улучшения селективности для задач нерушения нераспространения
- Выбор заглушающего агента захвата:
- Загрузка сцинтиллятора гадолинием (Gd) — повышает энергию delayed‑сигнала (~8 MeV) и сокращает ${\tau }_{\mathrm{cap}}$, резко уменьшая background от случайных совпадений.
- Альтернатива: ${}^6$Li/ZnS сцинтилляторы дают локальный не‑гамма сигнал от захвата — удобны в сегментированных системах.
- Pulse‑shape discrimination (PSD): отделяет электроноподобные (IBD prompt) и протонные/ядровые всплески (быстрые нейтроны); существенно уменьшает fast‑neutron background.
- Сегментация детектора: позволяет требовать топологической совместимости (короткое расстояние между prompt и delayed, одномодульность), улучшает локализацию и отбраковку множественных взаимодействий.
- Муонный вето и наружный трекер: эффективное подавление космогенных нуклидов и быстрых нейтронов; применяют пространственно‑временные отсечки после прохода мюона.
- Пассивная защита: слой водородсодержащего модератора/поглотителя (полиэтилен) для замедления/поглощения нейтронов и свинец/низкорадиоактивный щит для гамм.
- Оптимизация селекторов событий:
- Жёсткие кутовые/энергетические и временные окна: например delayed energy окно для Gd (~6–10 MeV) и короткое $\Delta t$ уменьшает случайные совпадения.
- Фидьюшиализация: отбрасывать события у стенок, где фон выше.
- Глубина размещения и мониторинг фона: большей толщиной над головой (overburden) снижают космический фон; постоянный мониторинг локального фона для коррекции.
- Многодетекторные и мобильные системы: кросс‑корреляция нескольких детекторов/позиции позволяет отделить локальные помехи и повысить чувствительность к изменению мощности реактора.
- Аналитика и статистика: спектральный фит (не только суммарная скорость) позволяет оценивать изменение состава топлива; машинное обучение и многопараметрические селекторы повышают отношение сигнал/фон без сильного снижения эффективности.
- Выбор технологии под задачу: для компактного полевого мониторинга — сегментированные пластики с ${}^6$Li+ZnS+PSD; для стационарных станций — жидкий сцинтиллятор с Gd и глубоким вето.
Краткая итоговая стратегия
- Комбинировать Gd или ${}^6$Li для яркого delayed‑сигнала, PSD и сегментацию, физическое вето от мюонов и пассивную защиту; оптимизировать временные/энергетические окна и фидьюшиал. Это даст наилучшее соотношение эффективности IBD ↔ подавление быстрых нейтронов, космогенных β‑n и случайных совпадений — ключевое для задач мониторинга мощности и состава топлива в целях нерушения нераспространения.