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应用领域

神冈核衰变实验

质子衰变观测实验是用光电倍增管捕捉由质子衰变时发出的高能量的带电粒子发出的切伦柯夫光。

神冈核衰变实验

1983年,设立在岐阜県吉城郡神岡町(现在的岐阜県飞市)神岡矿山的东京大学理学部的东京大学宇宙射线研究所高能物理研究所的质子衰变观测实验装置(神冈核衰变实验[KAMIOKANDE;KAMIOKA Nucleon Decay Experiment])中,为了捕捉质子衰变的瞬间,用1050支世界最大的直径20英寸的光电倍增管,安装在地下1000米设置的大水槽的内侧(内壁、床面、天花板)上。至于光电倍增管的规格,为了捕捉从各个角度飞来的极微弱的切伦柯夫光,无论是制作方法上还是耐水压上都采用方便、具有半球状的受光面,大口径、高灵敏度,而且重视时间特性和光电子收集效率。

19871月开始对神冈核衰变实验进行装置改良,增加了质子衰变观测,也可以进行太阳内部发生的核聚变反应引发的太阳中微子的观测。从太阳飞来的中微子通过盛满3000吨超纯水的水槽时,为捕捉产生的极稀少的切伦柯夫光的构造,此时的传感器即为光电倍增管。这里的神冈核衰变实验,在等待质子衰变的瞬间的同时,以约91次的比例检测出太阳中微子。

之后,神冈核衰变实验的重大成果以新闻的形式播报。1987223日下午435分,世界首次发现来自距离17万光年的大麦哲伦星云的一角出现的超新星1987A的中微子。地球附近的超新星爆发只有数百年才发生一次,而肉眼实际上可以看到的是1604年以后的事情。另外,之后太阳中微子只有预计的46%,于是发表了欠缺大气中微子的观测结果。

超级神冈核衰变实验

1986年,来自东京大学的超级神冈核衰变实验计划作成了。这是近年来大统一理论的主流,预测质子的寿命为1034年,建设将神冈核衰变实验的性能提高10100倍的质子衰变和中微子观测装置计划,超级神冈核衰变实验是距神冈核衰变实验约200m,在神冈地下约1000m建设。直径39.2m,高度为41.4m的巨大水槽盛满神冈核衰变约16倍的50000吨超纯水,使用11200支直径为20英寸的光电倍增管也在神冈核衰变实验的基础上进行了改良。19964月开始观测,1998年发现了大气中微子振动(中微子是有质量的),依据人工中微子进行中微子振动的精密验证,依据人工中微子进行振动验证,现在仍在进行观测。

KamLAND

东北大学中微子科学研究中心的中微子实验装置KamLAND20021月开始实验的。KamLAND实验装置是利用神冈核衰变实验的空场,建设的更高精度的中微子检测器。用1000吨的液体闪烁体代替纯水来捕捉中微子。液体闪烁体中,因中微子引起反应时发光强度,与神冈核衰变实验时的切伦柯夫光相比相差的地方多的缘故,可能检测出能量更低的中微子。这里的液体闪烁体用透明的特殊薄膜可放入直径约13米的圆形气球(也叫做氢气球)中。更进一步,这个气球可以装入直径为18米,体积为3000m3的不锈钢制的球形罐中。

罐的内壁使用的是超级神冈核衰变实验改良的1900支直径20英寸(有效面积17英寸)的光电倍增管,而且此球形罐外侧由纯水罐包围,此部分也设置20英寸光电倍增管。KamLAND中,测定由中微子反应引起的两次发光时间差和光发生后到达光电倍增管的时间延迟,从而可以知道气球内的哪个位置发生中微子反应。

2002年,发表了原子能发电厂的中微子振动,太阳中微子的谜依据中微子的振动来决定。日本对于中微子的研究处于世界领先地位,可以说有如此精良的实验设备是其原因之一。

 
 Fig. 1  内置20英寸PMT的超级神冈核衰变实验内部结构
 
 不锈钢球形罐  球形罐内壁装有PMT
 Fig. 2  KamLAND
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