Автореферат (Экспериментальное исследование процесса мюонного катализа dd-синтеза в газах D2, H2+D2 и HD), страница 4

Измеренное в этом состоянии отношение каналов составляло R=1,46, в то время как в S-волне наблюдалосьR=0,90. В случае исследуемого нами резонансного образования молекулddµ при 300 K dd-синтез идёт как раз в чистом P-состоянии. Напротив,при нерезонансном образовании молекул dd-синтез должен идти из Sсостояния. Поэтому можно ожидать, что с уменьшением температуры,по мере перехода от резонансного к нерезонансному механизму образования ddµ молекул, отношение R будет меняться, стремясь к единице.Именно такая зависимость R(T) была обнаружена в наших последующих экспериментах.

Анализ физических причин отклонения от изотопической симметрии двух каналов dd-синтеза буден дан ниже, в главе 5.13ЧЕТВЁРТАЯ ГЛАВА посвящена описанию созданной в ПИЯФ установки для прецизионных измерений параметров мюонного катализа ddсинтеза. Эксперименты проводились на мюонном пучке Института Пауля Шеррера (PSI, Швейцария) в течении 1994-1996 гг.

Необходимостьрезкого (до 10 раз) повышения точности измерений была связана сдостижениями теории в развитии методов расчета энергий связи системы трех тел с кулоновским взаимодействием с высокой точностью(∼ 10−3 эВ) [10]. Это позволило начать программу расчета уровней молекул ddµ, а также характеристик всех процессов, участвующих в образовании мезомолекул, без каких- либо подгоночных параметров [11].Поскольку резонансный механизм очень чувствителен к величинеэнергии слабосвязанного уровня, то температурная зависимость скорости образования молекулλddµ (T) должна быть измерена с максимальной точностью. Согласно теоретическим оценкам ошибка в определенииэнергии уровня ∆ε11 =1 мэВ эквивалентна сдвигу зависимости λddµ (T)по температурной шкале на 6,5 K или изменению абсолютного значенияλddµ на 7%.

Поэтому при проектировании новой установки были выбраны следующие рабочие параметры: точность поддержания температуры ±0,2 K и точность абсолютных измерений скорости ddµ катализа науровне 1÷2%.Основу установки составляла криогенная ионизационная камера, рассчитанная на работу в диапазоне температур 30-350 K и диапазоне давлений 50-120 атм. При её разработке были успешно решены проблемы,связанные с соединением в одной установке высокого давления, высокого напряжения и высокого вакуума в охранном объеме, где размещалась сама камера. При выборе способа охлаждения газа в камеререшено было охлаждать крышку и дно, как наиболее массивные элементы. В качестве хладоагента использовался гелий, поток которогочерез систему постоянно контролировался с помощью микропроцессораи компьютера.

Максимальная скорость изменения температуры камеры, имеющей массу ∼30 кг, не должна была превышать 5 K в минуту.При этом разница температур между верхним и нижним фланцами недолжна была превышать 3 K. С учётом упомянутых ограничений, время, требуемое для достижения нужной температуры и ее стабилизациина уровне ±0,15 K, составляло около двух часов.Для наполнения камеры использовались высокоочищенные газы (D2 ,HD или смесь H2 + D2 ), полученные с помощью набора колонок с цеолитами (СаА), работающими при температуре жидкого азота.

Частьнаполнений была сделана с помощью блока очистки с палладиевымфильтром. Уровень очистки контролировался хроматографом, исполь14Рис. 6: Схема экспериментальной установки. 1 – катод, 2 – сетка, 3 – аноды ионизационной камеры; 4 – входное окно из бериллия; 5 – вакуумныйобъём; E, N – детекторы электронов и нейтронов, S1, S2 – входные сцинтилляционные счетчики мюонов, С – коллиматор, PA – предусилители, PMT –фотоумножители.зующим накопительное устройство, что обеспечивало чувствительностьна уровне 10−8 для примесей N2 и O2 . Отдельных усилий потребовалосоздание установки для производства чистого газа HD с концентрациейHD молекул близкой к 100%. Для этого использовалась реакция взаимодействия дейтерида лития с водойLiD + H2 O → LiOH + HD,обеспечивающая полный переход дейтерия в конечный продукт.

Былонакоплено около 300 л газа HD со следующими параметрами: HD∼98%,H2 ∼1,5%, D2 ∼0,5%. Именно благодаря столь низкой примеси дейтерияудалось вперые измерить основные характеристики ddµ катализа намолекулах HD. Общая схема экспериментальной установки на пучкеPSI приведена на Рис. 6. Камера, расположенная в вакуумированномохранном кожухе, имела объем ∼1,2 л при внутреннем диаметре 126 мм,толщине стенок 6 мм и глубине 100 мм.

Толщина верхнего и нижнегофланцев была выбрана равной 22 мм, что обеспечивало необходимуюжескость при работе с давлением до 120 атм. Пучок мюонов входил вкамеру через окно из бериллия толщиной 4 мм.15Сетка камеры изготавливалась из золочёной вольфрамовой проволоки диаметром 25 мкм, припаянной к рамке из ковара, что обеспечивалоеё необходимое натяжение во всем интервалетемператур.Расстояние между сеткой и анодами составляло 1,0 мм,а между катодом и сеткой – 13,0 мм. Одним изнаиболее важных элемен- Рис. 7: (a) – расположение анодов ионизатом камеры являлся сег- ционной камеры, (б) – пример оцифрованныхментированный анод, на flash-ADC сигналов с анодов ИК, отображаюкотором собирался заряд, щих dd-синтез.произведенный мюонами или продуктами синтеза (см.

Рис. 7). Его центральная часть, задаваемая анодами B1 – B5 , определяла область остановок мюонов. Эта зона была окружена тремя вето-анодами А1 – А3 ипятью входными анодами С1 – С5 , определяющими положение пучкаотносительно центра камеры. Такая конструкция обеспечивала полныйконтроль за треком мюона и точкой его остановки. Вокруг охранного объёма камеры размещались 20 пластиковых счетчиков для регистрации 2,45 МэВ нейтронов по каналу dd→3 He + n и 5 тонких вето- счетчиков для регистрации электронов распада. Нейтронные счетчики использовались для анализа начальной части (<400 нс) временныхраспределений продуктов синтеза, недоступной для регистрации ионизационной камерой из-за мертвого времени.Для считывания информации с каждого из 13 анодов ИК использовались 8-битовые Flash-ADC с частотой сканирования 100 МГц.

Токовыесигналы оцифровывались с шагом 10 нс и записывались в компьютере.Последующий анализ позволял определить время появления, длительность и заряд (энергию) сигналов. Пример зарегистрированного камерой события показан на Рис. 7. Для организации записи событий с камеры использовалась схема двух триггерных сигналов. Стандартныйтриггер первого уровня вырабатывался из сигналов телескопа счетчиков, расположенных на пучке.

Для триггера второго уровня использовались сигналы с В и С анодов ИК. В этих каналах имелись схемы синтегрированием заряда с двумя пороговыми уровнями: порог Elow был16установлен равным 120 кэВ, порог Ehigh =800 кэВ. В результате былиреализованы три варианта использования этого триггера:• триггер Elow . Это означает, что появился сигнал, превышающий порогхотя бы на одном В-аноде, что указывает на появление мюона в камере.• триггер Elow ·Elow .

Он указывает, что имелись два раздельных сигнала на одном В аноде, что означает остановку мюона и последующийсинтез.• триггер Ehigh . Он выделяет на любом В-аноде сигнал, превысившийверхний порог, что означает канал (t+p) или наложение сигнала 3 He насигнал от мюона.В эксперименте общий триггер выглядел какЧастота запусков дляTr1 составляла около2 кГц, а для триггераTr2 ∼20 Гц. Посколькучастота остановок мюонов в камере существенно превышала возможную скорость записи регистрируемых событий, то триггер Elowиспользовался с пересчетом Ps , равным 100,50 или 20 в зависимости от вероятности синтезов при разных температурах.Отбор мюонов, остановившихся в ИК, проводился по несколькимкритериям. По вертикали чувствительный объём камеры ограничивался временем дрейфа электронов ионизации между катодом исеткой, что позволялоопределить координатуCOUNTS / 16 keVT r2 = T r1 · (Elow /Ps + Elow · Elow + Ehigh ).10 4SELECTION10 3µ+3He PILE UP10 21010.511.52S = Ei + 2 Ei-1 (MeV)Рис.

8: Распределение мюонных сигналов попеременной S=Ei +2·Ei−1 . Величины Ei и Ei−1– энерговыделения на аноде остановки Bi и напредыдущем аноде Вi−1 , соответственно. Стрелками обозначена область остановок мюонов, отобранных для анализа. Сплошная и пунктирнаякривые – мюонные сигналы, зарегистрированныес триггерами Elow и Elow ·Elow , соответственно.17остановки мюона z=Tµ·W, где W – скорость дрейфа. Эффективным критерием отбора мюонов оказалось использование переменнойS=Ei +2Ei−1 , содержащей энерговыделение на аноде остановки Ei и напредыдущем В-аноде Ei−1 .

На Рис. 8 приведено распределение мюонных сигналов, задаваемое двумя триггерами: Elow и Elow ·Elow . Отчётливо виден пик при S=1,15 МэВ от ”чистых” остановок мюонов, а такжепик при S=1,75 МэВ от событий с наложением на сигнал от мюоновсигналов от 3 He. Стрелками указана облась отбора мюонов. Важно отметить, что удалось достичь совпадения отборов у двух триггерных режимов на уровне ∼0,1%. Таким образом, события с триггером Elow ·Elowпозволили контролировать эффективность режима Elow , используемогодля абсолютной калибровки числа мюонов.