Диссертация (1145365)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР"КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕУЧРЕЖДЕНИЕПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИим. Б.П. КОНСТАНТИНОВАНа правах рукописиСеменчук Геннадий ГеоргиевичЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕПРОЦЕССА МЮОННОГО КАТАЛИЗАdd- СИНТЕЗА В ГАЗАХ D2, H2+D2 И HD01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частицДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степенидоктора физико-математических наукГатчина20142СодержаниеВВЕДЕНИЕ1История мюонного катализа и основные физические процессы, его составляющие1.1 Обнаружение π → µν распада и идея мюонного катализа . .1.2 Картина мюонного катализа до и после обнаружения резонансного механизма .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3 Физические характеристики процессов,составляющих мюонный катализ . . . . . . . . . . . . . . . .1.4 Кинетика катализа и методы определенияосновных констант . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 Разработка ионизационного метода измерений параметровмюонного катализа2.1 Ионизационная камера как активная мишень и детектор продуктов синтеза . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1.1 Требования к чистоте водорода . . . . . . . . . . . . .2.1.2 Выбор параметров ионизационной камеры . . . . . .2.1.3 Временные характеристики ионизационной камеры .2.1.4 Влияние давления газа на работу ионизационной камеры . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .2.1.5 Метод измерения коэффициента прилипания мюонов2.2 Основные параметры первой экспериментальной установки2.3 Особенности кинетики мюонного катализа в ИК. . . . . . . .3 Анализ первой серии опытов в дейтерии на синхроциклотроне ПИЯФ (1980-1987 гг.)3.1 Определение скорости ddµ-катализа . . . .

. . . . . . . . . .3.2 Определение коэффициента прилипания мюонов ωdd . . . . .3.3 Определение отношения выходов двух каналов dd-синтеза .3.4 Сравнение полученных данных с данными других экспериментов и с теорией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . .42121222642505052555759646576818185868934 Прецизионные измерения параметров мюонного катализаdd-синтеза944.1 Достижения теории и эксперимента после открытия резонансного механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 944.2 Формирование программы исследований на пучке PSI(Швейцария) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.3 Установка для комплексного исследования параметров мюонного катализа dd-синтеза в газах D2 , HD и H2 +D2 .

. . . . 1044.3.1 Криогенная ионизационная камера . . . . . . . . . . . 1044.3.2 Система охлаждения и контроля температуры . . . . 1074.3.3 Система газового наполнения и контроля чистоты . . 1094.3.4 Выбор рабочих условий эксперимента . . . . . . . . . 1104.3.5 Отбор событий для анализа .

. . . . . . . . . . . . . . 1124.3.6 Энергетические распределения событий синтеза . . . 1174.3.7 Временные распределения событий синтеза . . . . . . 1194.3.8 Статистика накопленных данных и основные направления анализа . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . 1224.3.9 Кинетика ddµ катализа в ионизационной камере . . . 1255 Анализ полученных экспериментальных данных5.1 Новый уровень точности в определениикоэффициента прилипания мюонов ωdd . . . . . . . . . . . .5.2 Зарядовая асимметрия в процессе ddµ катализа и её связь соструктурой возбужденных уровней ядра 4 He . .

. . . . . . .5.3 Нерезонансный механизм образованиямолекул ddµ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.4 Скорость переворота спина dµ атомов . . . . . . . . . . . . .5.5 Резонансное образование молекул ddµ . . . . . . . . . . . . .1336 Основные результаты диссертации178133145149155165СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ183Список иллюстраций .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202Список таблиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2044Смешав дейтерий, водород и тритий,Стоим на вахте трудовой.Ждём от катализа открытий,Когда мюон, увидев тритийИ прихватив с собой дейтрон,Рождает гелий и нейтрон.Заставим мы мюон трудиться,Чтобы не думал он лениться.Хотим омегой пренебречь (ωdt ≈ 0),Чтобы энергию извлечь.(Написано в первую ночную сменуна пучке PSI в апреле 1989 года)..ВведениеЯвление мюонного катализа ядерных реакций синтеза изотопов водородауже более 50 лет является объектом интенсивных научных исследований.Заключается оно в том, что при остановке отрицательных мюонов (µ− ) всмесях изотопов водорода (H/D, D/T, H/T, TT, DD), происходят различные мезоатомные и мезомолекулярные процессы, приводящие в итоге кобразованию экзотических трехчастичных систем: pdµ, ddµ, ptµ, ttµ, dtµмезомолекул, в которых инициируются реакции ядерного pd, dd, pt, tt илиdt- синтеза.

Сама возможность ядерного синтеза в мезомолекулах вызвана тем, что мюоны, имея массу в ∼ 200 раз больше чем у электронов, востолько же раз ”сжимают” размеры мезомолекул, доводя в них расстояниемежду ядрами до ∼5·10−11 см, при котором синтез за счет подбаръерноготуннелирования реализуется практически стопроцентно.

Поскольку мюоны в самой ядерной реакции не участвуют, то после неё они оказываютсясвободными и могут многократно повторить (катализировать) весь циклзаново.В настоящей диссертации представлены основные физические результаты, полученные при выполнении в Отделении Физики Высоких Энергий ПИЯФ РАН научно-технической Программы ”Исследование явлениямюонного катализа ядерных реакций синтеза изотопов водорода и воз-5можностей его практического применения (Мю-катализ)”. Указанная Программа была начата в 1979 году в соответствии с Совместным решениемПрезидиума АН СССР и Государственного Комитета по Атомной Энергии.

Данное Совместное решение в значительной мере было инициированописьмом группы физиков в адрес Президента АН СССР академика А.П.Александрова (см. Рис. 0.1 ), где обращалось внимание на существенныйпрогресс в экспериментальном и теоретическом изучении µ-мезоатомных иµ-мезомолекулярных процессов в смеси изотопов водорода. Из этих работследовало, что при определенных условиях один мюон (µ−), остановившийся в молекулярной смеси дейтерия и трития, может осуществитькатализ ∼100 реакций синтеза ядер дейтерия и трития, освободив приэтом ∼100 нейтронов с энергией 14,1 Мэв, которые могут быть использованы для получения ядерной энергии деления и накопления 239 Pu в бланкете из 238 U.Основанием для таких выводов послужило важное открытие, сделанное в 1977 году в ОИЯИ (Дубна) при исследовании мезоатомных и мезомолекулярных процессов в дейтерии.

Суть открытия состояла в том, чтобыл экспериментально обнаружен и теоретически подтвержден [1, 2] новый механизм образования ddµ-молекул, идущий в газообразном дейтериине по ранее принятой схеме dµ + D2 → [(ddµ) de]+ + е− , когда энергиясвязи ddµ-молекулы (обычно десятки - сотни электронвольт) передавалась электрону конверсии [3], а за счет существования нового уровня (см.Рис. 0.2) с квантовыми числами J=ν=1 и с очень малой энергией связиε11 ∼1,96 эВ, этот механизм реализовывался путем передачи указаннойэнергии на вращательно-колебательное возбуждение всего молекулярногокомплексаdµ + D2 → [(ddµ)J=ν=1 dee]∗ .При этом скорость образования ddµ-молекул с ростом температуры увеличивалась более чем на порядок в сравнении со скоростью в жидком дейтерии.

Такая зависимость от температуры среды получила название резонансного механизма (механизм Э.А. Весмана) [4].Важно подчеркнуть, что проведенные Л.И.Пономаревым иС.С.Герштейном расчеты структуры dtµ-молекул [2] также указали6Рис. 0.1 : Письмо в адрес Президента АН СССР академика А.П. Александрова опроцессе мюонного катализа и его резолюция о начале работ по этому направлению7Рис. 0.2 : Уровни энергии вращательно-колебательных состояний (Jv) мюонноймолекулы ddµна наличие в них подобного уровня J= ν=1 с еще меньшей энергией связиε11 ∼0,85 эВ, при которой скорость образования комплекса [(dtµ)J=ν=1dee]∗ (ν,K) f должна быть очень высокой и превышать скорость распадамюона λo = 0,455·106 c−1 более чем в ∼ 200 раз.

Эти предсказания вскоребыли подтверждены в пионерском эксперименте Дубны, где были зарегистрированы нейтроны dt-синтеза и получена нижняя оценка на величинускорости образования dtµ- молекул на уровне λdtµ > 108 c−1 [5].Обнаружение резонансного механизма образования ddµ и dtµ-молекулпослужило толчком к развертыванию исследований по мюонному катализу (МК) во всех лабораториях мира, имеющих пучки мюонов: LAMPF(США), PSI (Швейцария), TRIUMF (Канада), KEK (Япония), RAL (Англия). В нашей стране эти исследования проводились в ОИЯИ (Дубна) ив ПИЯФ РАН (Гатчина).Главной целью проведенных за эти годы экспериментов было детальноеизучение характеристик нового механизма образования ddµ и dtµ - мезомолекул с требуемой для теории точностью, а также определение оптимального состава смесей изотопов водорода, их температуры и плотности,обеспечивающих максимальный выход нейтронов в реакциях ddµ и dtµ –синтеза:83− He + n + µ4He + n + µ−3tµ + d → dtµ → 4dµ + d → ddµ →.Heµ + nHeµ + nt + p + µ−Ключевыми характеристиками при описании приведенных выше реакций являются скорости образования мезомолекул λdtµ и λddµ , а также процесс прилипания мюонов к ядрам 4 He и 3 He, обрывающий цепочку синтезови определяющий тем самым физический предел эффективности мюонногокатализа.

Доля событий с прилипанием мюонов, реализующаяся непосредственно в процессе dt или dd- синтеза, определяется как начальное прилипание 0 ωdt и 0 ωdd . Число же таких событий, оставшихся после торможенияв среде ионов 4 Heµ или 3 Heµ, определяется как конечное прилипание ωdt =0ωdt (1-R) или ωdd = 0 ωdd (1-R), где R - коэффициент “стряхивания” мюонов,благодаря которому освободившиеся мюоны могут дополнительно катализировать ядерные реакции.Первые опыты, поставленные в LAMPF и PSI [6, 7, 8] по исследованиюdtµ – катализа, были направлены на определение общего выхода нейтроновdt – синтеза, как основного индикатора наличия резонансного механизма.Полученные значения варьировались от 90 до 120 нейтронов на мюон, чтоуже указывало как на малый коэффициент прилипания ωdt , так и на общую высокую скорость цикла катализа λc , в соответствии с теоретическими расчетами.

Хотя выделившаяся энергия и была значительной (∼2 ГэВ),она не покрывала затраты на рождение самих мюонов на ускорителе [9].Тем не менее, именно возможность высокого выхода нейтронов за счет резонансного механизма стимулировало появление различных проектов поиспользованию мюонного катализа [10]. Так, в работе [11] была разработана концептуальная схема бридера на основе мюонного катализа. Включение мезо-каталитической ветки бридинга в общую стандартную схемуэлектроядерного бридинга удваивает его эффективность и такая системастановится энергетически выгодной [12, 13]. Реакция мюонного катализаdt- синтеза рассматривается и как основа для создания интенсивного источника быстрых нейтронов с потоком ∼ 1014 н/с·см2 , столь необходимогодля материаловедческих исследований, для трансмутации долгоживущихизотопов [14, 15].{9Следует отметить, что интерес к мюонному катализу связан также свозможностью исследования различных мезоатомных и мезомолекулярныхпроцессов, сопровождающих его.Это процессы термализации мюонных атомов, скорость которых существенно зависит от изотопного состава водородных смесей, реакции перехвата мюонов от легких к более тяжелым изотопам водорода, служащиеисточником мезоатомов с высокой энергией, реакции образования мезомолекул, идущие как по нерезонансному, так и по резонансному механизмам,и ядерные реакции синтеза, идущие в мюонных молекулах из точно фиксированных квантово-механических состояний при практически нулевыхэнергиях взаимодействия.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации