Автореферат (Экспериментальное исследование процесса мюонного катализа dd-синтеза в газах D2, H2+D2 и HD)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиСЕМЕНЧУКГеннадий ГеоргиевичЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕПРОЦЕССА МЮОННОГО КАТАЛИЗАdd- СИНТЕЗА В ГАЗАХ D2 , H2 +D2 и HDСпециальность: 01.04.16 - физика атомного ядраи элементарных частицАвтореферат диссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукСанкт-Петербург2015Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении”Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова”Национального исследовательского центра "Курчатовский институт”, г.Гатчина.Официальные оппоненты:член-корреспондент РАН, докторфиз.-мат.

наук, профессорПономарев Леонид Иванович,ВНИИ неорганических материалов,им. А.А. Бочвара, г. Москва,главный научный сотрудникдоктор технических наукЮхимчук Аркадий Аркадьевич,ВНИИ экспериментальной физики,г. Саров, зам. начальника отделения,старший научный сотрудникдоктор физико-математических наукМележик Владимир Степанович,Объединенный институт ядерных исследований,г. Дубна, ведущий научный сотрудник,старший научный сотрудникВедущая организация:ФГБУ "ГНЦ РФ - Институт теоретическойи экспериментальной физики”, г. Москва.Защита состоится “ 31 ” марта201 6 г.

в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.232.16 на базе Санкт-Петербургскогогосударственного университета по адресу:Санкт-Петербург, В.О. Средний пр., д. 41/43, ауд. 304.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М.ГорькогоСанкт-Петербургского государственного университетаи на сайте http://spbu.ru/science/disser/Автореферат разослан “”2016 г.Учёный секретарь диссертационного совета,кандидат физ.-мат. наук, доцентА.К. ВласниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. В настоящей диссертации представлены результаты выполнения в Отделении ФизикиВысоких Энергий ПИЯФ программы прецизионных измерений параметров мюонного катализа ядерного dd-синтеза в газах D2 , H2 + D2 иHD.

В рамках этой программы были измерены:- скорости резонансного образования ddµ молекул из двух спиновых со3/21/2стояний dµ-атомов (λddµ и λddµ ) в диапазоне температур 28 – 350 K,- скорость переворота спина dµ-атомов (λ3/2→1/2 ) в D2 и HD газах,- скорость нерезонансного образования ddµ молекул (λnrddµ ),- отношение выходов зарядово-симметричных каналов dd-синтеза в зависимости от температуры R(T)=Y(3 He+n)/Y(3 H+p),- коэффициент прилипания мюонов к ядрам 3 He - ωdd .Целью исследований было получение достоверных данных об основных характеристиках мюонного катализа dd-синтеза (МК) и их связис другими физическими процессами, сопровождающими это явление.Для проведения указанных измерений был разработан новый метод исследования. Метод основан на использовании ионизационной камерывысокого давления в качестве активной мишени для остановки мюонови одновременно в качестве детектора заряженных продуктов dd и dtсинтеза, катализированного этими мюонами. Разработанная в ПИЯФметодика является уникальной и не имеет аналогов в мире.АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ, которой посвящена диссертация, связана с детальным исследованием резонансного механизма образования ddµ и dtµ молекул, который осуществляется благодаря наличию у них слабосвязанных уровней с энергией ε11 =-1,96 эВ и -0,63 эВ,соответственно.

Следствием существования этих уровней является высокая скорость образования указанных молекул, которая у dtµ молекул,например, в ∼400 раз выше скорости распада мюона, а малая величина коэффициента прилипания мюонов ωdt ∼0,6% делает обоснованными теоретические оценки возможного применения мюонного катализадля производства ядерного топлива и создания интенсивных источников нейтронов [1, 2].Многочисленные процессы, из которых складывается явление МК(образование и термализация мюонных атомов, реакции перехвата мюонов и переворота спина мезоатомов, образование мюонных молекули последующий ядерный синтез в них), требуют детальных расчетов,результаты которых должны быть подтверждены надежными экспериментальными данными.

В этой связи, описание кинетики dtµ катализав двойных D/T или тройных H/D/T смесях существенно осложненоналичием процессов, не имеющих пока надежного экспериментального1подтверждения. Сюда можно отнести процесс dt-перезарядки в основном и возбужденных состояниях dµ атомов, зависимость скорости катализа от сечений тройных столкновений в среде, сложность определенияскорости переворота спина tµ атомов. В противоположность этому ddµкатализ позволяет полное теоретическое описание. Связано это с тем,что в последние десятилетия произошел существенный прогресс в расчетах всех составляющих его процессов, что позволяет провести их безиспользования каких либо подгоночных параметров, т.е.

ab initio. Поэтому сравнение экспериментальных данных по ddµ катализу с теоретическими расчетами крайне важно для понимания всего явления МК.ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в комплексном исследовании основных характеристик процесса МК в различных газах - D2 , H2 + D2 и HD. Длядостижения поставленной цели в ОФВЭ была реализована следующаяпрограмма:1. Разработан новый метод исследования явления мюонного катализа, использующий время-проекционную ионизационную камеру (ИК)высокого давления (Р∼100 атм.) в качестве активной мишени и одновременно в качестве детектора заряженных продуктов ядерного синтеза.

Новый метод обладает 4π геометрией и 100% эффективностьюрегистрации продуктов синтеза.2. Проведена серия экспериментов в области температур 28 – 350 Кпо прецизионному измерению скорости образования ddµ-молекул и определению энергии слабосвязанного уровня ε11 в ddµ- молекуле.3. Измерено отношение выходов двух каналов dd – синтеза в процессе мюонного катализа на молекулах D2 и HD.4. Измерена скорость переворота спина dµ- атомов.5. Измерено значение коэффициента прилипания мюонов ωdd в процессе ddµ катализа.6. Исследованы основные характеристики процесса нерезонансногообразования ddµ молекул на молекулах HD.НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы представлена следующими результатами:1.

Впервые измерено с высокой точностью абсолютное значение скорости образования ddµ-молекул в D2 газе при температуре Т=300 К:λddµ−D2 = (2,76±0,08)·106 с−1 , подтверждающее резонансный механизмих образования.2. Впервые измерена скорость образования ddµ-молекул в HD смесипри температуре Т=300 К: λddµ−HD = (0,3±0,1)·106 с−1 , указывающаяна нерезонансный характер процесса для HD молекул.23. Проведены прецизионные измерения температурной зависимостискорости образования ddµ молекул в диапазоне 28 K< T < 350 K, позволившие извлечь значение энергии слабосвязанного уровня ε11 =-1,9651± 0,0007 эВ в ddµ-молекуле и подтвердить правильность теоретическихрасчетов всех процессов, составляющих ddµ - катализ.4.

Впервые измерено отношение выходов двух каналов dd-синтезаR=Y(3 He+n)/Y(3 H+p) = 1,39 ± 0,04, указывающее на нарушение изотопической симметрии.5. Впервые продемонстрировано изменение величины R при изменении температуры от R∼1,4 при Т=300 К до R∼1,0 при Т<70 К, т.е. припереходе от преобладающего резонансного механизма к нерезонансному.6. Повышена в 5 раз точность измерения коэффициента прилипаниямюонов ωdd при работе на пучке PSI .7. Впервые измерены основные характеристики нерезонансного механизма образования ddµ- молекул на молекулах HD – скорость процесса, его температурная зависимость, отношение каналов dd-синтеза,скорость переворота спина.8.

Обнаружен эпитермальный механизм образования ddµ- молекул вHD газе (λddµ−HD ), вызванный медленной термализацией ”горячих” dµатомов в смесях, содержащих водород (эффект Рамзауэра), и наличиемвысоколежащих резонансов в сечении образования указанных молекул.Подобный механизм был ранее обнаружен для "горячих"tµ атомов втройной H/D/T смеси при образовании dtµ- молекул.9. Измерена скорость переворота спина dµ-атомов и впервые определена скорость обратного распада молекулярных комплексов.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ определяетсявозможностью использования полученных данных для проверки теоретического описания процессов, составляющих МК, а также для оценкивозможности практического использования этого физического явления.Измерены основные параметры ddµ-катализа - скорость образования ddµ - молекул и коэффициент прилипания мюонов к ядрам 3 Не.Достигнутая точность измерений ωdd позволяет проверить расчеты начального прилипания мюонов в процессе dd-синтеза и оценить значениепараметра стряхивания при движении мезоатомов в среде.Благодаря 100% эффективности нового метода получены абсолютные значения скорости образования ddµ- молекул в диапазоне температур 28<T<350 K, что позволило с высокой точностью (∼10−4 ) определить энергию ε11 слабосвязанного уровня и проверить тем самым ре3зультаты расчетов системы трех тел с кулоновским взаимодействием,какой является ddµ – молекула.Новый метод исследования мюонного катализа на основе ионизационной камеры успешно применялся в экспериментах по изучению перехвата мюонов с дейтерия на ядра гелия, а также для изучения реакций захвата мюонов ядрами гелия и водорода [3, 4].

Накопленныйопыт свидетельствует о перспективности применения новой методики вфизических исследованиях.НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:1. Новый метод исследования явления мюонного катализа (методионизационной камеры высокого давления), обладающий 4π геометриейи 100% эффективностью регистрации продуктов синтеза.2. Результаты измерения температурной зависимости скорости образования ddµ- молекул, позволившие определить энергию слабосвязанного уровня ε11 = (-1,9651±0,0007) эВ с уникальной точностью. Совпадение полученных данных с теоретическими расчетами подтверждаетобоснованность современных подходов к описанию резонансного механизма ddµ-катализа.3. Достижение нового уровня точности (∼0,5%) в измерении величины коэффициента прилипания мюонов ωdd .4.

Результаты измерения скорости переворота спина dµ-атомов иопределение вклада в эту скорость процесса обратного распада мезомолекулярных комплексов.5. Результаты измерения отношения выходов двух каналов dd-синтезаи температурной зависимости этого отношения для молекул D2 и HD.6.