Диссертация (1145365), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Однако принятая схема не выделяла координату входа мюонов в камеру и не имела вето-анодов по боковым сторонам, что приводилок появлению фоновых сигналов от проходящих мюонов на уровне ∼10%.Поэтому при создании новой установки для работы на пучке PSI мы переработали блок анодов, включив в него дополнительные элементы. Общаясхема сегментированного анода приведена на Рис.
4.7.Центральная его часть, задаваемая анодами B1 ÷B5 , определяет областьостановок мюонов 25×40 мм2 . Эта зона окружена тремя вето-анодамиA1 ÷A3 и пятью входными анодами C1 ÷C5 , определяющими положениепучка относительно центра чувствительного объема камеры. Общая зона107Рис.
4.7 : Сегментированный анод ИК (слева) и сигналы, оцифрованные FlashADC,(справа). Мюон остановился над анодом В4 и вызвал один синтез.анодов составляет 50×52 мм2 при диаметре катода 110 мм. Такая геометрия обеспечивала равномерное электрическое поле в промежутке междукатодом и сеткой над сегментированным анодом. Следует отметить, чторазмеры анодов, давление газа, величина высокого напряжения в камере иожидаемые амплитуды импульсов оптимизировались. Важно было обеспечить 100% эффективность счета остановившихся мюонов и четкое разделение по энергии событий с наложениями сигналов синтеза на мюоны. Болееподробно детали организации триггера и отбора мюонов будут приведеныниже.4.3.2Система охлаждения и контроля температурыПри выборе способа охлаждения газа в камере решено было охлаждатькрышку и дно, как наиболее массивные элементы.
Принципиальная схемасистемы охлаждения, созданной в ЛКСТ ПИЯФ, приведена на Рис. 4.8.Теплообменники размещались на медных фланцах, плотно прилегающих к крышке и дну камеры. В каждом из них были впаяны змеевик охлаждения и нагреватель. Для дополнительного выравнивая температуры боковая поверхность камеры была окружена медной рубашкой толщиной108Рис. 4.8 : Схема системы охлаждения криогенной камеры∼2 мм. Температура обоих фланцев камеры измерялась платиновыми термометрами Pt 1001 и Pt 1002 , прокалиброванными в диапазоне (12÷330) K сточностью ±0,01 K (фирма Lake Shore). Входной поток гелия через системуосуществлялся с помощью создания небольшого избыточного давления вгелиевом танке, которое постоянно контролировалось специальным датчиком.
Выходящий из установки гелий отогревался до комнатной температуры и его поток контролировался измерителем CV1 (при Т<70 K) или CV2(при Т>70 K). В эксперименте системы охлаждения и нагрева работалиодновременно. Поскольку система нагрева гораздо менее инерционна, чемсистема охлаждения, то она значительно уменьшала время установки требуемой температуры. Процедура установки начиналась с выбора гелиевогопотока, слегка превышающего требуемый для данной температуры. Избыток охлаждающей мощности компенсировался нагревателем. Затем, знаянеобходимую тепловую мощность, вводилась поправка в поток гелия и соответственно уменьшалась мощность нагревателя.
В итоге система нагреваиспользовалась для тонкой подстройки и стабилизации требуемой температуры, работая в режиме дискретного включения – выключения. Весьпроцесс управления был автоматизирован с помощью микропроцессора икомпьютера [143].Максимальная разрешенная скорость изменения температуры камеры,имеющей в сборе вес около ∼30 кг, не должна была превышать 5 K в минуту. При этом разница температур между верхним и нижним фланцами109не должна была превышать 3 K. С учетом этих ограничений, время, требуемое для достижения нужной температуры и её стабилизации на уровне±0,15 K, составляло около двух часов.4.3.3Система газового наполнения и контроля чистотыДля наполнения камеры использовались высокоочищенные газы (D2 , HDили смесь H2 + D2 ).
Очистка моноизотопных газов D2 и H2 проводиласьс использованием специально созданной системы, включающей набор очищающих колонок с цеолитами (СаА), работающими при температуре жидкого азота. Часть наполнений была сделана с помощью блока очистки с Pdфильтром.
Уровень очистки контролировался с помощью хроматографа счувствительностью на уровне 10−8 для примесей N2 и O2 с использованиемнакопительного устройства. Средний уровень примесей (по азоту) в процессе набора статистики не превышал значения 0,5÷0,7 ppm, что было напорядок лучше, чем в первых экспериментах в Гатчине.Благодаря тому, что камера регистрировала энергетические и временные спектры продуктов захвата мюонов на примесях, их вклад контролировался и учитывался затем при обработке. Очищенные газы D2 и H2использовались для приготовления неравновесных H2 + D2 и равновесныхсмесей H2 + 2HD + D2 . Основной трудностью работы с неравновеснымисмесями является постоянный изотопный обмен, приводящий к накоплению молекул HD. Его скорость возрастает при контакте газа с катализаторами, такими как Ni, Pd.
Первые наполнения криогенной камеры показалиинтенсивное накопление молекул HD со скоростью несколько процентов вдень. Исследование внутренних элементов камеры указало, что таким катализатором может быть коваровая рамка, на которой крепится сетка. После нанесения с помощью электролиза слоя серебра на рамку накоплениемолекул HD резко упало, оставаясь на уровне ∼1,0% в течении нескольких дней. Равновесная смесь была получена после пропуска неравновеснойсмеси через колонку с Ni катализатором.Отдельных усилий потребовало создание установки для производствачистого газа HD с концентрацией молекул HD близкой к 100% [144]. В уста-110Рис.
4.9 : Хроматограммы состава HD газа в течение двух недель работы на пучке.новке использовалась реакция взаимодействия дейтерида лития с водой:LiD + H2 O =⇒ LiOH + HD,обеспечивающая полный переход дейтерия в целевой продукт.Разработанный метод управления скоростью течения данной реакции был защищен Патентом РФ [145]. При выполнении экспериментовбыло наработано около 300 л газа HD со следующими параметрами:HD>98,0%,H2 <1,5%, D2 <0,7% (см.
Рис. 4.9). При этом доля примесей N2и O2 составляла менее 10−6 .Именно благодаря рекордно низкой примеси молекул D2 удалось вперыеизмерить основные характеристики ddµ катализа на молекулах HD.4.3.4Выбор рабочих условий экспериментаОбщая схема установки по исследованию характеристик ddµ катализа приведена на Рис. 4.10. Основным её элементом является криогенная ионизационная камера, размещенная в охранном объёме. Рабочее давление в камеревыбиралось равным 45 атм. при комнатной температуре, некоторые измерения были выполнены при давлении 78 атм. При охлаждении камеры до30 K давление падало до 4 атм.
В процессе эксперимента давление газа в111Рис. 4.10 : Схема экспериментальной установки 1994-96 гг.: 1 – катод ИК, 2 – сетка,3 – блок анодов, 4 – входное окно из бериллия, 5 – вакуумный объём, E, N – детекторыэлектронов распада и нейтронов, S1, S2 – входные сцинтилляционные счётчики мюонов,С – коллиматор пучка, PA – предусилители анодов ИК, PMT – фотоумножители.камере отслеживалось тремя цифровыми манометрами с рабочим диапазоном давлений до 100 атм. (точность 0,2 атм.), с диапазоном давлениемдо 50 атм. (точность 0,1 атм.) и с рабочим давлением до 20 атм. (точность0,02 атм.). Точность измерений менялась в итоге от ±0,5% при T=30 K(4 атм.) до ±0,2% при Т=300 K (45 атм). Знание давления с высокой точностью необходимо для определения плотности газа с учетом поправки наего неидеальность согласно формулеφ = 0, 341 · P · (1 − ξ · P ) · T −1 ,где Р – давление газа, Т– температура в K, ξ(H2 ) = 5, 9−4 и ξ(D2 ) = 5, 6−4 .Что касается температуры, то как упоминалось выше, она стабилизировалась с точностью ±0,15 K.
Абсолютная калибровка всего измерительногоканала была дополнительно проведена в процессе охлаждения ионизационной камеры до температуры жидкого дейтерия Т=29 K при плотности газа112∼0,05 LHD. Была измерена зависимость давления газа в камере от температуры и определена точка перехода в жидкую фазу. Точность абсолютного измерения температуры оценивалась на уровне ±0,15 K, а точностьотносительных измерений ±0,1 K. С учетом всех погрешностей в измерении давления, температуры и поправок на неидеальность газов можнозаключить, что плотность дейтерия определялась с точностью ±0,8% приТ=30 K и ±0,4% или лучше при Т>60 K.
Здесь надо отметить ещё однообстоятельство. Манометры находились вне камеры при комнатной температуре и были соединены с ней системой вентилей и трубок, имеющихобъём около 5% от объема камеры. Поэтому при охлаждении часть газа засчет перепада давления перетекала из трубок в объем камеры и плотностьгаза в ней соответственно возрастала, что учитывалось при обработке.Вокруг охранного объёма камеры размещались 20 пластиковых счетчиков для регистрации 2,45 МэВ нейтронов по каналу dd→3 He + n и 5 тонких(2,5 мм) вето счетчиков для регистрации электронов распада. Посколькунейтронные счетчики быстрые и не имеют мёртвого времени после остановки мюона, то они использовались для анализа начальной части (<400 нс)временного распределения продуктов синтеза.
Дополнительно, нейтронныесчетчики использовались для контроля ”нуля времени” во временных распределениях, измеренных ионизационной камерой. В отличии от первыхэкспериментов в ПИЯФ 1980 –1987 гг., использовавших аналоговые преобразователи сигналов, в эксперименте PSI регистрация токовых сигналовс каждого из 13 анодов камеры осуществлялась 8-битовыми Flash-ADCс частотой сканирования 100 МГц. Токовый сигналы оцифровывались сшагом 10 нс и записывались в компьютере. Последующий off-line анализпозволял определить время появления, длительность и заряд (энергию)всех сигналов, появившихся в течение 10 мкс окна у Flash-ADC.
Примерзарегистрированного камерой события показан на Рис. 4.7.4.3.5Отбор событий для анализаДля считывания информации с камеры была применена схема двух триггерных сигналов, использующая как сигналы сцинтилляционных детекто-113ров, так и сигналы с анодов камеры с двумя уровнями дискриминации поамплитуде. Такая схема позволяла отличать события с синтезами в ИК отсобытий, в которых регистрировались только вошедшие мюоны. Это позволило уменьшить время приема и записи данных за счёт отказа от оцифровки полного временного окна Flash-ADC. Стандартный триггер первогоуровня вырабатывался из сигналов телескопа счётчиков, расположенныхна пучке мюонов:T r1 = S1 · S2 · N OT (S1(−7µs, +9µs)).(4.1)Этот триггер выделяет мюон с дополнительным условием, что не было других мюоноов, зарегистрированных счётчиком S1 (его площадь 15×15 cм2 )во временном окне от 7 мкс до и 9 мкс после сигнала совпадения S1·S2.Для триггера второго уровня использовались сигналы В- и C-анодовкамеры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
