Автореферат (Экспериментальное исследование процесса мюонного катализа dd-синтеза в газах D2, H2+D2 и HD), страница 2

Результаты измерения параметров нерезонансного механизма образования ddµ- молекул на молекулах HD.7. Обнаружение эпитермального механизма образования ddµ- молекул в HD смеси.ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ. Автор принимал непосредственное участие в разработке новой методики, проведении экспериментов и анализе данных, являясь ответственным исполнителем темы "Мю-катализ"вПИЯФ.

Автором были сформулированы технические условия на электронику с регистрацией последовательных событий синтеза, был реализован алгоритм выделения событий с прилипанием мюонов. Авторвпервые использовал 100% HD газ для анализа ddµ - катализа на ранеенеизученных молекулах HD.АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы были представлены на Международной конференции попроблемам малонуклонных систем (PANIC) в Гейдельберге в 1984 г.,4на сессиях ОЯФ АН СССР в1983 и 1986 гг., на Международных конференциях по мюонному катализу в Токио (MCF-86), в Гатчине (MCF-87),в Оксфорде (MCF’89), в Вене (MCF-90), в Санта-Фе (LEMS-93), в Дубне(MCF-95), в Асконе (EXAT-98), в Токио (MCF-2001), в Дубне (MCF-07),а также на сессиях Ученого Совета ПИЯФ.ПУБЛИКАЦИИ.

По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из которых 10 учитываются как опубликованные в рецензируемыхжурналах, и 2 работы зарегистрированы как изобретение.СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации 205 страниц машинописного текста, включая 54 рисунка, 21 таблицу и перечень использованных литературных источников из 196 наименований.ВО ВВЕДЕНИИ обосновывается необходимость изучения реакциймюонного катализа как для решения вопросов практического использования этого явления, так и для детального изучения многочисленныхпроцессов атомной и ядерной физики, лежащих в его основе.

Приводятся характеристики нового метода, развитого в ПИЯФ для изученияпроцесса мюонного катализа dd и dt-синтеза.В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассматривается история мюонного катализаи основные физические характеристики процессов, составляющих его.Выделяются те из них, которые необходимо учитывать в кинетике катализа при анализе данных. Рассматриваются существующие экспериментальные методики и результаты исследований, выполненных передначалом работ по данной теме в ПИЯФ.ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ описывается разработка нового метода исследования мюонного катализа на основе время-проекционной ионизационной камеры высокого давления. Выбор этого метода опирался на большой опыт применения в ОФВЭ ПИЯФ ионизационных детекторов сводородным наполнением, первым из которых была камера ”ИКАР”,работавшая при давлении водорода 10 атм.

[5]. При создании камерыдля исследования МК необходимо было удовлетворить нескольким взаимопротиворечивым требованиям. Прежде всего надо было увеличитьдавление газа, чтобы обеспечить достаточное число остановок мюонови приемлемый выход событий dd-синтеза. Рост давления приводит куменьшению пробегов продуктов синтеза и тем самым повышает быстродействие камеры.

Однако, с ростом давления уменьшается скоростьдрейфа электронов ионизации и растет рекомбинация зарядов, созданных частицами. Поэтому необходимо было обеспечить достаточную напряженность поля, чтобы не потерять сигналы от исследуемых продуктов синтеза. Были проведены следующие методические исследования:5(1) Измерена скорость дрейфа электронов в водороде и дейтерии принормальной температуре в области давлений 15÷100 атм.Эти данные использовались длявыделения области остановок мюонов между катодом и сеткой ИКи для анализа временных характеристик продуктов синтеза.(2) Впервые были получены данные о рекомбинации ионизационных зарядов, оставленных частицами при их торможении в дейтерии при давлении 30÷100 атм(Рис.

1). Для этого были проведены измерения амплитуд импульсов от α-частиц источника 234 U , находящегося на катоде ИК с сеткой, в зависимости от давления дейтерия и напряженности электрического поля в камере. Результаты оказались очень обнадеживающими.Обнаружилось, что при давлении 90 атм. и напряженности поля 25 кВ/см степень рекомбинаРис.

1: Зависимость относительнойции заряда от α-частиц состави- амплитуды импульсов от α-частицла около 35%. Для образующих- 234 U в ИК с сеткой от напряженностися в ddµ синтезе частиц 3 He++ с поля.начальной энергией 0,82 МэВ ре- о – измерения с α-частицами,комбинация достигала ∼55%, что Eα =4,78 МэВ;обеспечивало их надежную реги- ∆ – измерение выполнено с ядрами3++(E=0,82 МэВ) в эксперименстрацию при пороге электроники Heтепо ddµ-катализу при давлении120 кэВ.

Отметим также, что приисследовании dtµ катализа, ча- 91,6 атм;стицы 4 He++ , имеющие началь- • – измерение выполнено в эксперименте по dtµ-катализу. Регистрированую энергию 3,53 МэВ, регистрились частицы 4 He++ (Eα =3,53 МэВ)ровались в камере, работающей при давлении 160 атм.при давлении 160 атм., с остаточной энергией 1,2 МэВ, что соответствовало рекомбинации ∼66%.6Рис. 2: Схема экспериментальной установки 1982-1984 гг. для исследованияМК в дейтерии. K – коллиматор мюонного пучка, S1 ÷ S3 – сцинтилляционные счетчики для мюонов, E1 ÷ E6 – сцинтилляционные детекторы дляэлектронов распада, ИК – ионизационная камера, A, B и C – аноды камеры.Анод В - 35×35 мм2 , ширина анодов А и С - 3 мм, расстояние катод-сетка10 мм, сетка-аноды - 1 мм.По результатам тестовых измерений была спроектирована перваявремя-проекционная ионизационная камера для исследования ddµ катализа при рабочем давлении ∼100 атм.

Корпус ИК был выполнен ввиде цилиндра из нержавеющей стали диаметром 110 мм с толщинойстенок 3,5 мм, объемом около 0,7 литра, на дне которого закрепляласьподставка из фторопласта с блоком анодов и сеткой. Расстояние между катодом и сеткой составляло 10±0,1 мм, между сеткой и анодами1±0,1 мм. Схема первой экспериментальной установки и камеры приведена на Рис. 2.

Отметим, что при выбранном давлении газа 91,6 атм.устойчиво поддерживалось напряжение на катоде -30 кВ и на сетке 4,5 кВ без микропробоев. Опыт работы с водородом при высоком давлении показал, что он очень устойчив к пробоям.Работа с камерой показала, что, кроме известных требований по чистоте водорода от примесей с Z>1 на уровне ∼10−6 , она обладает высокой чувствительностью к присутствию электроотрицательных примесей, таких как кислород и пары воды, захватывающих электроныионизации.

Оказалось, что при выбранных значениях параметра E/p∼0,25÷0,76 кВ/см·атм., средняя энергия электронов ионизации как разсоответствует максимуму в сечении трехчастичного прилипания электронов к молекуле O2 (0,1-0,3 эВ), что делает необходимым тщательнуюочистку водорода от примеси кислорода для нормальной работы ИК.Похожий эффект проявлялся и при наличии примеси паров воды. Однако прилипание к молекулам воды оказалось очень незначительным, и7эта примесь выступала в основном в роли ”катализатора” прилипания ккислороду, увеличивая его скорость в 5-7 раз.

Поэтому для нормальнойработы ИК необходима максимальная очистка водорода как от кислорода, так и от паров воды. Эффективным методом очистки явилосьпромывание объёма камер горячим водородом при давлении 2-3 атм. втечение суток и последующей откачкой, что подтверждалось даннымихроматографического анализа.Проведенный выше анализ условий регистрации частиц при высоком давлении позволил сформулировать прямой метод измерения коэффициента прилипания мюонов.

В методе используется различие ионизационных потерь у одно- и двухзарядных частиц, какими являютсяионы 3 Heµ+ и ядра 3 He++ , при их торможении в газе. ПосколькуРис. 3: (а) – энергетическое распределение вторых сигналов на центральном электроде В, т.е. первых событий ddµ-синтеза F1. Наибольший пик вспектре – частицы 3 He, справа от него – события с прилипанием мюонов3Heµ, далее сплошной спектр событий 3 H+p, не полностью уложившихся вчувствительном объёме ИК, и наконец пик полностью уложившихся 3 H+pсобытий. Заметим, что наблюдаемые энергии частиц меньше их начальныхзначений за счёт эффекта рекомбинации; (б) – спектр фоновых сигналов,полученный при случайных запусках установки.8dE/dx∼Z2 , то плотность ионизации у двухзарядных частиц будет существенно выше, чем у однозарядных.

Как следствие этого, величина электрон-ионной рекомбинации у них будет также выше, а регистрируемая энергия ниже. У однозарядных частиц, наоборот, меньшаяплотность ионизации приводит к меньшей рекомбинации, а значит кбо́льшей регистрируемой энергии. В результате, частицы 3 Heµ+и 3 He++ , имеющие одинаковую начальную энергию, в процессеих регистрации в камере ”раздвигаются” в энергетическомспектре, что позволяет с высокой точностью определитьчисло событий с прилипанием.

Развитый в ПИЯФ метод являетсяуникальным и не имеет аналогов. В качестве примера на Рис. 3 (а,б)приведён энергетический спектр первых dd-синтезов F1, зарегистрированных на аноде B после остановки мюонов. Наглядно демонстрируется разделение пиков 3 Heµ+ и 3 He++ благодаря эффекту рекомбинации. При этом события 3 He++ , имеющие наименьшую энергию, лежатвыше порога регистрации электроники, отмеченного стрелкой. Такимобразом, в ИК была впервые реализована 100% эффективность регистрации всех продуктов dd-синтеза, что позволило анализировать последовательные акты синтеза, вызванные одним мюоном. Специальнодля реализации новых возможностей ИК была разработана электроника, позволяющая регистрировать до 4-х сигналов (j=1,2,3,4) на каждомиз трёх анодов (i=A,B,C) камеры.