Диссертация (1145365), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Благодаря надёжному выделению области взаимодействия пучка в промежуткемежду катодом и сеткой, а также измерению энергии протонов отдачи,было определено с высокой точностью дифференциальное сечение p − pрассеяния при малых переданных импульсах [103]. В дальнейшем модели камеры ИКАР, разработанные на основе конструкции 1972 г., успешноиспользовались более 25 лет в экспериментах по измерению сечений рассеяния различных частиц p, π, n, d, 4 He, 6 He в прямой и инверсной кинематике на ускорителях ЛИЯФ, Серпухова, FNAL (США), Saclay (Франция) и GSI (Германия).
Поэтому, когда в ПИЯФ начались исследования52по мюонному катализу, вполне естественным было предложение профессора А.А.Воробьёва использовать методику ионизационной камеры с сеткойдля регистрации сигналов как от мюонов пучка, так и от продуктов dd илиdt - синтеза.
Однако, первые оценки параметров такого прибора показали,что они существенно превосходят параметры, достигнутые ранее в камерахИКАР, и новая установка требует детальной разработки.2.1.1Требования к чистоте водородаПервым требованием при запуске новой водородной камеры, как и камерыИКАР, было достижение необходимой чистоты водорода от электроотрицательных примесей, главными из которых в наших условиях являютсякислород и пары воды.
Наличие таких примесей приводит к потере электронов ионизации по мере их движения от катода к аноду и искажениюрегистрируемой энергии частиц.Существует обширная литература, посвященная исследованию процесса захвата электронов различными молекулами [104]. Интерес к этой реакции вызван тем, что образование малоподвижных отрицательных зарядовведет к существенным изменениям проводимости газов и влияет на процессы в ионосфере Земли, в газовом разряде и в плазме. Расчеты структуры молекулы кислорода и отрицательного иона О−2 показали [105], чтозахват электронов можно рассматривать как переход из основного состоя′ния молекулы О2 (ν=0) на колебательные уровни иона О−∗2 (ν =4), начинаяс четвертого и выше, которые являются нестабильными (см. Рис. 2.1).В этом состоянии ион может или испустить электрон и оставить нейтральную молекулу в возбужденном состоянии: O−∗2 → O2 (ν) + e или отдать избыток энергии при столкновении с третьим телом (например, другой молекулой кислорода)−O−∗2 + O2 → O2 (stable) + O2 + ∆E.Это вызывает переход на нижние (неавтоионизационные) уровни, например, ν ′ =0, 1, 2, 3.
Важно подчеркнуть, что именно этот процесс приводитк образованию стабильного отрицательного иона кислорода и, тем самым,53Рис. 2.1 : Схема уровней иона кислородак потере электрона ионизации. Сечение процесса трехчастичного прилипания в зависимости от энергии электронов приведено на Рис. 2.2 [106].Как видно, сечение растет с уменьшением энергии электронов и большая его часть приходится на область энергий 0,1÷0,3 эВ. Что касаетсяэнергии электронов в водородной ионизационной камере, то при реальнодостижимых значениях параметра Е/р∼0,2÷0,6 в/см·торр, она составляет0,1-0,2 эВ [107]. Столь малая энергия электронов в водороде объясняетсяналичием у его молекул низколежащих вращательных уровней, на возбуждение которых и тратится энергия электронов.
Таким образом, в водородемы имеем условия для реализации максимальной вероятности прилипанияэлектронов ионизации к молекулам кислорода и только тщательная очистка от них является единственным способом обеспечения надежной работыкамеры.Наряду с кислородом, в качестве третьей частицы, влияющей на процесс прилипания электронов, исследовались молекулы различных газов,в том числе и молекулы H2 O [104]. Оказалось, что добавление паров воды увеличивало в пять - семь раз коэффициент прилипания электронов по54Рис.
2.2 : Зависимость сечения прилипания электрона от энергии.сравнению с чистым (100%) кислородом [108, 109], в то время как прилипание непосредственно к молекулам воды оказалось очень незначительным.Таким образом, можно считать, что пары воды играют роль ”катализатора” процесса прилипания электронов к кислороду, и для уменьшения ихвлияния надо очищать водород и от кислорода и от паров воды.
Практикапоказывает, что легче удалить из газа следы кислорода путем периодического криогенного вымораживания, чем пары воды, ”сидящие” на стенкахрабочих камер и требующие длительной откачки при одновременном нагреве до 100-1500 C. Ещё одним требованием к чистоте газа для ионизационной камеры являлось отсутствие примесей с Z>1 (азот, аргон) на уровнене хуже 10−6 , ввиду высокой скорости перехвата мюонов на них. (Следует отметить, что при исследовании процесса ddµ-катализа при низкихтемпературах, когда его скорость падает более чем в 50 раз, требованияк чистоте газа существенно возрастают). Для выполнения всех вышеупомянутых требований в ОФВЭ была создана установка очистки водорода,работающая при давлении до 150 атм.
и обеспечившая очистку от примесейдо уровня ∼10−7 . Её описание будет дано ниже.552.1.2Выбор параметров ионизационной камерыПри создании камеры для исследования процесса мюонного катализа надо было удовлетворить нескольким взаимопротиворечивым требованиям.Прежде всего, надо было максимально увеличить давление водорода в камере, чтобы обеспечить достаточное число остановок мюонов и приемлемый выход событий ddµ катализа, поскольку он растет квадратично с ростом давления.
Увеличение давления приводит также к пропорциональному уменьшению треков продуктов синтеза и, как следствие, к уменьшениювремени сбора их заряда, что повышает быстродействие камеры. Однако,с ростом давления уменьшается скорость дрейфа электронов и необходимо соответственно повышать напряженность электрического поля междукатодом, сеткой и анодом для сохранения быстродействия.
Кроме того, сростом давления растет рекомбинация зарядов, созданных частицами приих торможении в дейтерии, и здесь также необходимо обеспечить достаточно высокую напряженность электрического поля, чтобы не потерятьполностью сигналы от исследуемых частиц.Основным при конструировании новой камеры был вопрос о её быстродействии, необходимым для работы с мюонами, живущими только 2,2 мкс.Минимальное время регистрации сигнала в ИК задаётся временем дрейфаэлектронов ионизации между сеткой и анодом.
Поэтому, если реализоватьвремя формирования сигнала в ИК, равное ∼1/10 времени жизни мюона,т.е. около 200 нс, то этого будет достаточно для анализа временных распределений продуктов ddµ катализа в окне 8÷10 мкс после остановки мюона.Скорость процесса при температуре T=293 К составляла по результатампервых экспериментов в Дубне [1] ∼ 0, 85·106 ·φ c−1 , где φ – плотность дейтерия в единицах LHD. Принимая φ=0,1, получаем измеряемую скоростьпроцесса ddµ катализа ∼0,085·106 c−1 , что сопоставимо со скоростью распада мюона λ0 =0,455·106 c−1 . При выбранной плотности φ ∼0,1 (давление∼90 атм) пробеги всех продуктов dd-синтеза не превышают 0,5 мм (за исключением протонов с Ep =3 МэВ, у которых пробег составляет Lp =7,6 мм,см.
Табл. 2.1). Таким образом, малые пробеги частиц обеспечивали достижение требуемого быстродействия ИК.56Таблица 2.1 : Энергии частиц - продуктов dd-синтеза и их пробеги в водороде придавлении 90 атм.3ЧастицаHe 3 Heµ tpЭнергия, МэВ 0,82 0,80 1,01 3,02Пробег, мм0,09 0,30,5 7,6Следующими важными параметрами камеры были её размеры и напряжённость поля между катодом, сеткой и анодами. Для первого приближения мы использовали принцип подобия, уменьшив пропорциональновсе размеры камеры ИКАР при переходе от давления 10 атм к давлению100 атм.
При этом получены следующие значения:расстояние катод-сетка – 10 мм,расстояние сетка-аноды – 2 мм,диаметр проволоки сетки – 10 мкм,шаг намотки сетки – 150 мкм.После тестирования макета камеры расстояние сетка-аноды было уменьшено до 1 мм, что сократило время сбора зарядов. Диаметр сеточной проволоки был увеличен до 25 мкм, что сделало более стабильной подачу напряжения на сетку. Шаг намотки сетки был установлен равным 200 мкм.При таких параметрах сетки её коэффициент прозрачности σ, определяющий влияние положительных ионов на наведенный на аноде потенциал,не превышал ∼3% согласно формуле, приведенной в работах [110, 111].
Врезультате были реализованы следующие рабочие характеристики камеры:давление дейтерия ∼90 атм., напряжение на катоде -30 кВ, напряжение насетке – до -4,5 кВ.Следует отметить, что при давлении 90 атм мы смогли увеличить напряженность поля между катодом и сеткой в 20 раз, и между сеткой ианодами в ∼10 раз по сравнению с режимом работы камеры ИКАР придавлении 10 атм. Это связано с тем, что с ростом давления и водород идейтерий становятся более устойчивыми к пробоям. 11Отметим в этой связи, что при постановке эксперимента по µ-захвату на ядрах 3 He [20], проведенном в 1993 г.
в PSI (Швейцария), мы работали при давлении гелия-3 в ИК 120 атм, имея напряжениена катоде -40 кВ и на сетке -3,5 кВ. Эти данные подтверждают, что с ростом давления устойчивостьгелия к пробоям также повышается.572.1.3Временные характеристики ионизационной камерыДиффузия и скорость дрейфа электронов в различных газах детально исследовались в 50 - 60-е годы прошлого века с целью получения данных осечениях их упругого и неупругого взаимодействия с молекулярными и атомарными газами [112, 113].
Эти исследования были важны для различныхобластей атомной физики, в частности, и для конструирования газовыхдетекторов. При анализе зависимости скорости дрейфа электронов W отнапряжённости поля и давления предполагается, что при данной величинепараметра E/p (в/см·торр) скорость дрейфа W не зависит от абсолютнойвеличины давления газа. Это условие позволяет пользоваться данными, полученными в широком диапазоне давлений. Однако в 1963 г. было впервыеобнаружено [114], что в азоте значение W уменьшалось на ∼3% при увеличении давления от 50 до 500 торр. Последующие эксперименты с водородом[115] показали, что при увеличении давления от 1 атм до ∼40 атм скоростьдрейфа электронов уменьшается на 20÷25%. Правда, этот эффект наблюдался в области очень малых значений E/p ∼0,001÷0,01 в/см·торр, реально соответствующих тепловым энергиям электронов. В указанных работахбыл сделан вывод, что причиной уменьшения скорости дрейфа могли бытьпотери энергии электронов в неупругих соударениях с возбуждением низколежащих вращательных уровней молекул.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
