Диссертация (1145365), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Поскольку данных при болеевысоких давлениях не существовало, мы провели собственные измеренияскорости дрейфа электронов в водороде и дейтерии в диапазоне давленийp=15÷100 атм. Измерения проводились в двухэлектродной ионизационнойкамере, в которой измерялась длительность нарастания фронта импульсовот источника α-частиц 234 U , нанесённого на катоде камеры. Полученныезначения скорости дрейфа электронов 1/W в водороде и дейтерии приведены на Рис.
2.3. Результаты измерений показали, что в наиболее интереснойдля нас области значений параметра E/p ∼0,1÷1,0 в/см·торр уменьшениескорости дрейфа электронов составляло не более 5% в области давлений∼ 100 атм, и совпадало в пределах ошибок с данными, полученными вработе [113]. Временные характеристики камеры являются её важнейшими параметрами, позволяющими выделять требуемую область остановок58Рис. 2.3 : Результаты измерений скорости дрейфа электронов в водороде и дейтерииот напряженности электрического поля и давления газа в ИК.
Скорость дрейфа определялась по длительности нарастания фронта сигналов от α-источника, находящегосяна катоде двухэлектродной ИК.59между катодом и сеткой. Измеряя время дрейфа электронов ионизации каноду, мы можем, зная их скорость, определить координату остановки мюона и затем выделить ”чистую” область для анализа последующих событийсинтеза.
Начало отсчета времени дрейфа задается сигналом сцинтилляционных счетчиков, определяющим момент входа мюона в камеру. Предполагается, что мюоны входят в камеру параллельно поверхности катода исетки. Например, при указанных выше параметрах камеры, время дрейфа между катодом и сеткой составляет ∼2 мкс, а между сеткой и анодом∼180 нс (для параллельных аноду треков).
Отступая на 300 нс со стороны катода и сетки, мы тем самым уменьшаем чувствительную областьна 1,5 мм с каждой стороны, обеспечивая безфоновую регистрацию последующих продуктов синтеза. Таким образом, точное выделение областиостановок в новом детекторе позволяет проводить абсолютную нормировку измеряемых параметров мюонного катализа.
Здесь следует особо отметить, что мезоатомы дейтерия при своем образовании имеют энергию около∼1÷2 эВ и необходим ряд столкновений, чтобы они полностью термализовались. Оценки показывают, что высокие сечения рассеяния мезоатомов вдейтерии (∼10−19 см2 ) приводят к малой величине их среднеквадратичногорассеяния от точки остановки мюонов r ∼0,3 мм.2.1.4Влияние давления газа на работу ионизационной камерыВыбор высокого рабочего давления (Р∼100 атм.) потребовал исследованиявопроса о степени рекомбинации электрон-ионных пар, создаваемых мюонами и продуктами синтеза при их торможении в газе.
Имевшиеся в нашемраспоряжении данные о работе камер ИКАР указывали, что уже при давлениях 10 и 15 атм водорода амплитуды регистрируемых сигналов былиуменьшены за счёт рекомбинации на 2% и 6%, соответственно. Поэтомупервоначально не было ясно, можно ли вообще наблюдать сигналы с ионизационной камеры при давлении 100 атм и выше, и какой будет степень рекомбинации ионизационного заряда для различных продуктов dd-синтеза,предполагая её квадратичную зависимость от плотности. Для ответа наэтот вопрос нами были проведены измерения амплитуд импульсов от α-60частиц источника 234 U , нанесённого на катод, в зависимости от давлениядейтерия и напряжённости электрического поля в камере (см.
Рис. 2.4).Полученные результаты оказались очень обнадёживающими. Для исследуемых α-частиц (Eα =4,78 МэВ) при давлении 90 атм и напряжённости поляв камере 25 кВ/см степень рекомбинации составила ∼40%, т.е. регистрировалась остаточная энергия ∼2,8 МэВ. Дальнейшие измерения в экспериментах по dµd-катализу показали, что для ядер 3 He с начальной энергией0,82 МэВ эффект рекомбинации составляет ∼50%. Можно отметить также, что при исследовании dµt-катализа частицы 4 He с начальной энергией3,53 МэВ регистрировались в камере, работающей при давлении 160 атм., состаточной энергией 1,2 МэВ.
Таким образом можно утверждать, что хотярекомбинация и уменьшает на 50 ÷ 70% начальный ионизационный заряд,регистрация продуктов dµd и dµt-катализа при выбранных параметрах камеры возможна. Последующий анализ показал, что рекомбинация малозависит от ориенации треков в электрическом поле, и проявляется, в основном, в смещении наблюдаемых спектров в сторону меньших энергий.В заключение отметим, что приведенные на Рис. 2.4 кривые расположены на равных расстояниях друг от друга, что может служить указаниемна линейную зависимость рекомбинации с ростом давления в исследуемомдиапазоне.
Это демонстрирует Рис. 2.5, на котором показана зависимостьрекомбинации от давления при трех значениях напряженности электрического поля Е = 15, 25 и 33 кВ/см.Можно предположить, что в диапазоне давлений от 30 до 50 атм. ионизация в области Брегговского пика полностью рекомбинирует и при дальнейшем росте давления уже линейно рекомбинирует ионизация в той частитрека частиц, где удельные потери энергии ∆E/∆X≈const. Можно считать,что утверждения о квадратичной зависимости рекомбинации от плотностигаза делались на основе измерений лишь при малых давлениях (1÷10 атм.),когда первыми рекомбинировали заряды, связанные с высокой плотностьюионизации в Брегговском пике.Полученные нами данные однозначно указывают на возможность создания камер на большие давления и с большей напряженностью поляблагодаря высокой пробойной устойчивости водорода.
(Отметим, что для61Рис. 2.4 : Влияние электрон-ионной рекомбинации в дейтерии на величину собираемого ионизационного заряда в ИК. Изображена зависимость относительной амплитудыимпульсов от α-частиц 234 U в ИК с сеткой от напряженности поля. Увеличение рекомбинации при повышении давления смещает область насыщения сигнала в областьбольших напряженностей поля.о - измерения с α-частицами, Eα =4,78 МэВ,∆ - измерение выполнено с ядрами 3 He , E=0,82 МэВ в эксперименте по ddµ катализупри давлении 91,6 атм.• - измерение выполнено в PSI в 1989 г. в эксперименте по dtµ катализу. Регистрировались частицы 4 He , E=3,53 МэВ при давлении 160 атм.62Рис.
2.5 : Зависимость рекомбинации от давления при трех значениях напряженностиполя.исследования dtµ - катализа нами была создана и эксплуатировалась ионизационная камера с рабочим давлением до 220 атм).При написании данной работы автором была обнаружена публикация1948 года [116] о создании в Кавендишской лаборатории детектора нейтронов на основе стеклянной цилиндрической ионизационной камеры безсетки, наполненной водородом. Камера регистрировала протоны отдачи отнейтронов с энергией в диапазоне 2,4÷13 МэВ и работала при давлениях до90 атм в режиме электронного собирания.
Катод камеры на основе пасты"Aquadag"покрывал внешнюю поверхность цилиндрического корпуса длиной 12 см и диаметром 5 см, обеспечивая подачу высокого напряжениядо 4 кВ. Анодом служил проволочный электрод диаметром 0,2 мм, расположенный вдоль оси камеры. Была обеспечена необходимая очистка водорода от электроотрицательных примесей путем наполнения камеры черезпалладиевые трубки и тщательной предварительной термо-вакуумной тренировкой. Наблюдалась характерная для высоких давлений рекомбинацияионизационных зарядов, созданных протонами отдачи в водороде. При дав-63лении 60 атм собиралось 32% от первоначальной ионизации, а при 88 атм –только 18%.
Поскольку предполагалось, что газ в камере достаточно хорошо очищен от электроотрицательных примесей и отсутствует прилипаниеэлектронов в водороде, то наблюдаемая потеря заряда могла быть связана только с преимущественной (начальной) рекомбинацией. Автор статьиотмечает, что эффект рекомбинации оказался удивительно высок. С позиций сегодняшнего дня можно лишь заметить, что подаваемое на камерунапряжение было явно недостаточно для увеличения амплитуды сигналов.Тем не менее, достигнутая 17% эффективность в регистрации нейтроновdd- синтеза может рассматриваться как высокая для данного типа детекторов.Водород использовался и для наполнения время-проекционной камеры (Time Projection Chamber, TPC), работавшей при давлении 15 атм воFNAL (США) [117, 118]. TPC использовалась для регистрации протоновотдачи с энергиями в диапазоне от единиц до десятков МэВ.
Она имелацилиндрическую геометрию, с пучком, проходящим по оси камеры, аналогично камере ИКАР, но регистрация ионизационных зарядов происходилана проволочных электродах в режиме газового усиления. При конструировании ТРС авторы исследовали также свойства водорода при давлении15 атм.
Их данные для скорости дрейфа электронов приведены на Рис. 2.3. и неплохо совпадают с нашими измерениями.В качестве интересного исторического факта одного из первых применений водородной ионизационной камеры, можно сослаться на заметкув журнале ”Nature” от Февраля 1939 года, представленную О. Фришем[119] в связи с открытием процесса деления ядер О. Ганом и Ф. Штрассманном. В этой заметке приведены результаты первого измерения кинетической энергии осколков деления ядер урана под действием нейтроновиз Ra-Be источника. Поскольку ожидаемые заряды осколков находилисьв области Z∼40-50, а массы в области 100-150, было ясно, что несмотря на высокую кинетическую энергию осколков, их пробеги в воздухе непревысят нескольких миллиметров из-за высокой плотности ионизации. Стем, чтобы получить максимально достоверное значение энергий осколков,О.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
