Диссертация (1145365), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Как видно, оценка величины ε11 в нашем экспериментепрактически совпадает с результатом коллаборации PSI -Vienna, отличаясьлишь на 1 мэВ ! Это позволяет рассматривать возможность постановки совместных экспериментов по прецизионному измерению всех характеристикмюонного катализа в дейтерии с точностью ∼1% и измерению значения ε11на уровне < 1 мэВ.Принципиально новую информацию, недоступную для других методик,удалось получить в нашем эксперименте при анализе зависимости отношения выходов двух каналов dd-синтеза R = Y (3 He + n)/Y (3 H + p) оттемпературы среды. Если в первом эксперименте 1983 года нами была об-100Рис. 4.4 : Температурная зависимость скорости образованя ddµ молекул (метод ИК,steady state режим)наружена разница в выходах двух изотопически симметричных каналовR = 1,39 при Т=300 К, то измерения 1987-1990 гг. указали на ясно выраженную тенденцию - сохранение величины R∼1,4 в диапазоне температур293÷150 K и её падение до значения R≈1,0 при температурах T∼50 K.
Указанное поведение коррелирует с тем фактом, что при низких температурахосновной вклад в выход ddµ катализа дает нерезонансный механизм, приводящий мезомолекулу в состояние, из которого синтез возможен только вS-волне относительного движения ядер дейтерия.В этой связи нужно отметить, что измеренная нами ранее низкая скорость образования ddµ молекул на молекулах HD (λddµ = (0, 3 ± 0, 1) ·106 c−1 ) также может служить указанием на нерезонансный характер процесса катализа в этой системе. Наиболее прямым способом анализа HDсистемы было бы измерение параметра R в широком диапазоне температур, величина которого дала бы однозначный ответ на этот вопрос.
Следуетотметить, что теория нерезонансного механизма детально развита в работах М. Файфмана [48], и её экспериментальная проверка была бы важнымвкладом в описание всего процесса мюонного катализа. Однако, согласнотеории, скорость нерезонансного образования ddµ молекул очень мала и101слабо растет с температурой:λddµ (non − res) = 0, 03 · 106 c−1 (Edµ = 0, 003 эВ)λddµ (non − res) = 0, 10 · 106 c−1 (Edµ = 0, 040 эВ).Поэтому основной трудностью исследования процесса катализа в HD газе будет набор требуемой статистики, которую можно накопить только наболее интенсивном, чем в Гатчине, пучке, каким является, например, пучок мюонов в канале µE4 Швейцарской мезонной фабрики в PSI. Характеристики этого пучка, созданного на основе сверхпроводящего соленоида, можно считать уникальными, поскольку наряду с высокой интенсивностью ∼30 kГц при малом импульсе Pµ ≈40 МэВ/c, он имеет разрешение∆Pµ /Pµ ∼3% и размер пятна ∼2 см2 .
В итоге, выигрыш в числе остановок мюонов в газовой мишени в сравнении с синхроциклотроном ПИЯФпревышал два порядка.4.2Формирование программы исследований на пучкеPSI (Швейцария)Использование этого пучка для реализации физической программы ПИЯФначалось в 1989 году, когда был принят к постановке в PSI экспериментпо прямому измерению коэффициента прилипания мюонов ωdt в процессеdtµ катализа, выполняемый силами международной коллаборации ПИЯФ(Россия)-PSI (Швейцария)-IMEP (Австрия)-LBL (США)-TUM (Германия),или кратко – µCF коллаборацией. Метод измерения коэффициента прилипания был основан на том же принципе, что и при исследовании ddµкатализа: использовалось различие в рекомбинации ионизационных зарядов у ядер (4 He)++ и ионов (4 Heµ)+ . При этом рабочее давление в новой(тритиевой) ионизционной камере было повышено с 90 атм.
до ∼160 атм.с тем, чтобы уменьшить пробеги 4 He (4 Heµ) и сохранить требуемое быстродействие (∼200 нс) установки. Необходимое энергетическое разрешение(σ=70 кэВ) в каждом из 19 каналов камеры достигалось за счет малойконцентрации трития (∼0,036%) в составе газовой H/D/T смеси, за что102пришлось ”платить” очень низким выходом (∼1%) продуктов dt-синтезана один остановившейся мюон. Именно в этих условиях были реализованыуникальные параметры пучка PSI, когда удалось достичь скорости остановок мюонов ∼1000 c−1 в чувствительном объеме камеры, не превышавшем3 см3 .
В результате была накоплена достаточная статистика для определения с высокой точностью значения коэффициента прилипания мюоновωdt = (0, 58 ± 0, 04)%,которое является единственным в мире прямым измерением этого важногопараметра [141, 142].В экспериментальной установке ИК была окружена 20-ю пластиковыми нейтронными счетчиками, которые позволили исследовать начальнуючасть временного спектра нейтронов и обнаружить быстрый пик, связанный с образованием dtµ молекул эпитермальными tµ атомами, существующими в тройной H/D/T смеси. Все наши последующие эксперименты помюонному катализу или захвату мюонов также проводились с использованием нейтронных детекторов, что существенно повысило информативностьнакопленных данных.В 1993 году µCF коллаборацией на пучке PSI был проведен эксперимент по измерению скорости захвата мюонов ядрами гелия-3 по каналу3He+µ− → 3 H+νµ (70%). Тритоны с энергией 1,9 МэВ регистрировались вмодернизированной ионизационной камере с увеличенным чувствительнымобъемом (50 см3 ), задаваемым набором из 13 анодов, обеспечивающих регистрацию точки остановки вошедшего в камеру мюона и соответствующегомомента времени.
Тщательный анализ данных [20] позволил определитьскорость захвата мюонов с беспрецедентной точностьюλcap = (1496, 0 ± 4, 0) c−1 ,превысившей точность предыдущих измерений в десять раз.103Успешное проведение вышеуказанных экспериментов позволило сформулировать новую программу исследования мюонного катализа dd-синтезане только в D2 , но и в HD газах.Основной целью исследований было радикальное улучшение точностиизмерений всех характеристик процесса dµd-катализа для сравнения с последними предсказаниями теории.
Указанная программа была принята кпостановке в PSI и выполнялась силами µCF коллаборации в течение 1994- 1996 гг. по следующим направлениям:• измерение с точностью 1% и лучше скорости образования мезомолекул ddµ из спиновых состояний F=1/2 и F=3/2 dµ-атомов в диапазонетемператур 30÷350 К. Это позволит определить энергию слабосвязанного уровня ddµ-молекул с точностью ∆ε11 <1 мэВ и проверитьрезонансный характер их образования (до начала выполнения указанной программы эти скорости были известны лишь с точностью∼10%),• измерение температурной зависимости отношения выходов двух каналов реакции dd-синтеза R(Т) = Y (3 He + n)/Y (3 H + p),• измерение температурной зависимости скорости переворота спинаdµ-атомов в D2 и HD газах и определение вклада в неё скорости обратного распада мезомолекулярного комплекса,• измерение скорости образования молекул ddµ на молекулах HD ианализ эпитермального канала их образования• измерение с высокой точностью коэффициента прилипания мюоновωdd для сравнения полученных значений с теорией.Можно сформулировать основные требования к эксперименту для реализации указанной программы, используя Рис.
4.5, где приведена ожидаемая температурная зависимость λddµ (T) для трех значений слабосвязанного уровня ε11 . Видно, что изменение энергии уровня на 10 мэВ приводит к∼40% росту скорости образования мезомолекул, что указывает на высокую104Рис. 4.5 : Зависимость скорости образования λddµ (T) молекул от значений ε11 .чувствительность и возможность высокоточных измерений реальной энергии этого уровня. Оценки показывают, что ошибка в измерении энергииуровня на величину ∆ε11 = 1 мэВ эквивалентна сдвигу λddµ (T ) по температурной шкале на 6,5 K или изменению абсолютного значения λddµ на 7%в области максимального наклона температурной кривой.Поэтому при планировании эксперимента и проектировании новой установки были выбраны следующие рабочие параметры: точность поддержания температуры в камере не хуже ±0,2 K и точность абсолютных измерений скорости ddµ катализа на уровне 1 ÷ 2%.4.3Установка для комплексного исследования параметров мюонного катализа dd-синтеза в газах D2,HD и H2+D24.3.1Криогенная ионизационная камераПри разработке криогенного варианта ионизационной камеры для новойустановки мы опирались на опыт создания первой криогенной камеры, запущенной на пучке синхроциклотрона ПИЯФ в 1987 году [143].
В ней были успешно решены проблемы, связанные с соединением в одной установкевысокого давления, высокого напряжения и высокого вакума в охранном105Рис. 4.6 : Конструкция криогенной ионизационной камеры для эксперимента в PSI.объеме, где размещалась сама камера, при изменении температуры в интервале 50÷300 K.На Рис. 4.6 изображена криогенная ионизационная камера ПИЯФ совсеми подводящими к ней магистралями, размещенная в откачиваемомохранном объеме. Там же указаны основные узлы камеры. Наиболее сложной оказалась задача конструирования и изготовления съемной крышкикамеры, с вмонтированным в нее высоковольтным катодным вводом, конденсационным термометром и системой подачи и отвода хладоагента.
Вднище камеры был вварен керамический ввод для подачи напряжения насетку и многоштырьковый разъем для съема сигналов с анодов. При внутреннем диаметре камеры 126 мм (что было вызвано увеличением её чув-106ствительного объема) толщина стенок составляла 6 мм, а глубина камеры–100 мм. Соответственно толщины верхнего и нижнего фланцев были выбраны равными 22 мм, что обеспечивало их необходимую жесткость приработе с давлением до 120 атм.Сетка камеры изготавливалась из золоченой вольфрамовой проволокидиаметром 25 мкм, припаянной специальным припоем на рамку из ковара сшагом 200 мкм. Такое сочетание материалов с близкими коэффициентамирасширения позволяло сохранить необходимое натяжение проволоки в широком интервале температур и обеспечить подачу требуемого напряжения.Расстояние между сеткой и анодами составляло 1,0 мм, а между катодоми сеткой – 13,0 мм.
При этом в рабочих условиях напряженность электрического поля составляла около 16 кВ/см в зоне дрейфа между катодом исеткой, и 30 кВ/см в промежутке сетка-аноды. Время дрейфа электроновионизации от катода до сетки составляло 2 мкс.Наиболее важным элементом камеры является конструкция анодов, накоторых собирается заряд, оставленный мюонами или продуктами синтезав процессе их торможения в газе. При работе на пучке синхроциклотрона ПИЯФ мы стремились максимально увеличить площадь анодов, чтобыобеспечить большее число остановок и по возможности компенсировать падение выхода событий dd-синтеза при низких температурах. Использовалсянабор из 6 анодов, каждый размером 10×70 мм2 , которые распологалисьперпендикулярно направлению пучка мюонов. Это позволяло использоватькаждую пару анодов как ∆E - E детекторы при определении места остановки мюонов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
