Учеными МИФИ создана уникальная установка для исследований потоков тепловых нейтронов
Ученые Национального исследовательского ядерного университета МИФИ (НИЯУ МИФИ) создали и успешно запустили уникальную научную установку ПРИЗМА, которая действует как наземный барометр космической погоды.
ПРИЗМА (PRImary Spectrum Measuring Array) 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.
«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», — отметил руководитель установки, кандидат физико-математических наук Дмитрий Громушкин.
Для усиления свойств этого материала ученые предложили 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», — объяснил Дмитрий Громушкин.
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», — рассказал руководитель установки.
Помимо исследования широких атмосферных ливней, измерение потока тепловых нейтронов представляет значительный интерес для очень большого класса научных исследований: изучения гроз, сейсмической активности, влажности почвы и физики солнечно-земных связей. Однако, чтобы получать все эти данные, потребовалась модернизация установки ПРИЗМА, которая была проведена в 2023–2024 годах.
Осенью 2025 года установка ПРИЗМА начала работу сразу в двух режимах и в первые же недели на ней были зарегистрированы события, связанные с активностью Солнца. Но главным испытанием для обновленной установки ПРИЗМА стала мощнейшая солнечная вспышка, произошедшая 11 ноября. Обычно после вспышек поток нейтронов на Земле падает, но в этот раз произошло обратное: он резко вырос на 20 %.
«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», — отметил ученый.
В создании и модернизации установки участвовали ученые и студенты МИФИ. Работа была поддержана Российским научным фондом.