Диссертация (1145365), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Теоретическое описание многих упомянутых реакций потребовало развития высокоточных методов расчета системы трехтел с кулоновским взаимодействием, какими являются мезомолекулы. Былразработан новый метод – адиабатическое представление в задаче трех тел,позволивший в едином подходе рассчитывать структуру уровней мезомолекул, скорости образования молекул, сечения рассеяния мезоатомов [16].Благодаря этому методу при расчете энергии уровней у ddµ и dtµ - мезомолекул была достигнута точность 10−3 ÷ 10−4 эВ, что, в свою очередь,потребовало учета различных релятивистских поправок.За прошедшее время во всех упомянутых научных центрах были созданы физические установки, позволяющие исследовать процесс мюонного катализа в широком диапазоне температур, давлений и концентрацийизотопов водорода.
Так, в первом dt-эксперименте Дубны использоваласьгазовая мишень при давлении 40 атм. с малой концентрацией трития, чтопозволило измерить скорость перехвата мюона с дейтерия на тритий и датьнижний предел на скорость образования dtµ-молекул λdtµ >108 c−1 [5].В экспериментах LAMPF 1983-1986 гг. впервые использовались газовыемишени на высокое давление D/T смеси (∼500÷800 атм.) при температурах в диапазоне 125÷550 К. Был отмечен рост скорости образования dtµмолекул с температурой и впервые указано на высокий выход нейтроновdt-синтеза Yn ∼ 90±10 на один мюон [6].В экспериментах PSI [8] впервые использовались жидкие и твердые D/Tсмеси, на которых был обнаружен неожиданно высокий выход нейтронов10dt-синтеза 120±10 при столь низких температурах.
Это позволило датьпервую оценку величины коэффициента прилипания ωdt ∼ 0,45%, а такжеуказывало на дополнительный механизм тройных столкновений, обеспечивающий резонансный процесс dtµ-катализа именно на D2 молекулах приданных условиях.В коллаборации TRIUMF была развита методика криогенных мишенейна основе твердых H/D/T пленок, позволившая создавать пучки медленных мезоатомов и исследовать процессы кинетики pdµ , ddµ и dtµ-катализаметодикой времени пролета [17, 95, 96].В лаборатории KEK развивалась методика определения коэффициентаприлипания по мезорентгеновскому излучению возбужденных 3 Heµ и 4 Heµионов, регистрируемому в совпадении с нейтронами dt синтеза [18].Приведенные примеры показывают, что основным экспериментальнымметодом во многих лабораториях являлся метод регистрации нейтроновdd и dt- синтеза, выходы и временные распределения которых использовались для определения констант процесса.
Достоинствами этого методанаряду с его быстродействием являются возможность использования газовых мишеней высокого давления и работа с любой концентрацией трития вD/T смесях. Однако имеются и существенные ограничения метода: не регистрируется второй канал с выходом заряженных частиц в dd- синтезе, невыделяются каналы с прилипанием мюонов к ядрам 3 Не/4 Не, очень малаэффективность регистрации у нейтронных детекторов, которая обычно непревышает εn ∼1÷3%.
При этом серьезной проблемой является абсолютная калибровка нейтронных детекторов, что в итоге ограничивает точностьизмерений параметров мюонного катализа на уровне 7÷10%.Принципиально новый метод исследования явления мюонного катализа был предложен и реализован в Отделении Физики Высоких ЭнергийПИЯФ в процессе выполнения работ по указанной программе. Суть этого метода заключалась в использовании ионизационной камеры (ИК)высокого давления, наполненной водородом (дейтерием), в качестве ”активной” мишени для остановок мюонов и одновременно в качестве детектора заряженных продуктов синтеза, катализированного этими мюонами.Управление камерой сигналами от мюонов пучка позволило ре-11ализовать такой режим её работы, при котором для анализа отбиралисьтолько те мюоны, которые останавливались в центральной части чувствительного объема камеры, что позволило исключить влияние стенок наэффективность регистрации последующих продуктов синтеза.
При этомкамера, обладая 4π геометрией, обеспечивала 100% эффективность регистрации всех образующихся в реакциях синтеза заряженных частиц. Благодаря этому появилась возможность анализа последовательныхсобытий синтеза от одного мюона, что легло в основу широко используемого нами метода ”выжившего мюона”. В этом методе из массиванакопленных данных отбирались такие события, о которых было известно,что мюон после данного синтеза не исчез, а произвел еще последующиесинтезы. Возможность регистрации циклов катализа принципиально изменила методику анализа данных по сравнению с методикой интегральногосчета нейтронов синтеза.Еще одним следствием 100% эффективности камеры явиласьвпервые реализованная возможность регистрации двух каналов dd- синтеза, отношение выходов которых оказалось не равным единице, а составилоR=Y(3 He+n)/Y(3 H+p) ∼1,4 при температуре Т = 300 К.
Этот результатдолгое время рассматривался как указание на возможное нарушение изотопической симметрии ядерных реакций. Физическое объяснение этого явления будет приведено ниже, здесь лишь стоит отметить, что обнаруженнаянами в последующих экспериментах зависимость отношения R от температуры использовалась для определения вклада резонансного и нерезонансного каналов в суммарную скорость ddµ катализа, идущего на D2 и HDмолекулах. Важной особенностью нового метода явилось использование высокого (до∼200 атм.) давления газа в камере. Высокое давлениебыло необходимо для того, чтобы уменьшить пробеги продуктов синтеза(до долей мм.) и тем самым сократить время их регистрации, обеспечивтребуемое быстродействие прибора.
Следствием высокого давления газа вкамере оказалась существенная электрон-ионная рекомбинация в трекахчастиц. В результате регистрируемая энергия продуктов синтеза была на50-70% меньше исходной. Однако, именно благодаря рекомбинации,12был реализован уникальный метод прямого измерения коэффициента прилипания мюонов к ядрам гелия, описанный ниже.Уже в первых экспериментах, проведенных в 1980-1984 гг. в Гатчине,удалось измерить основные параметры процесса мюонного катализа в дейтерии при температуре Т = 300 К [19]:λddµ = (2,76 ± 0,08)·106 с−1 ,R=Y(3 He+n)/Y(3 H+p)=1,39 ± 0,04,ωdd =0,122 ± 0,003.(Здесь величина λddµ нормирована к плотности жидкого водорода ϕ =ρ/ρо ∼ 0,1, где ρo = 4,25·1022 ядер/см3 ).Следует отметить, что все приведенные величины были получены впервые и использовались для проверки расчетов энергии слабосвязанногоуровня в ddµ молекуле, уточнения скорости ядерных реакций dd - синтеза при различных состояниях мезомолекул и поиска более точных волновых функций ddµ-молекул.
Таким образом, метод ионизационной камерыоказался чрезвычайно эффективным при исследовании ddµ-катализа посравнению с методикой регистрации нейтронов синтеза. На основе новогодетектора было создано несколько вариантов установок для исследованияddµ, а также и dtµ -катализа.Исследования dtµ-катализа потребовали разработки ионизационной камеры, могущей работать в присутствии значительного количества трития вD/T-смеси (до 3%). Была разработана специальная многоканальная ионизационная камера, позволяющая работать при концентрациях трития до40 Ки в её чувствительном объеме за счет достижения большой скоростисъема сигналов с каждого анода.Благодаря высокой эффективности ионизационной камеры набраннаяна пучке синхроциклотрона ПИЯФ статистика dt-синтеза оказалась сравнимой с данными, полученными на мезонных фабриках LAMPF и PSI методикой счета нейтронов, несмотря на различие в сотни раз интенсивностеймюонных пучков. Позднее в экспериментах по измерению коэффициентаприлипания ωdt в dtµ-катализе, выполненных на пучке PSI, обе методики были объединены.
Новая камера с рабочим давлением H/D/T смеси∼200 атм была окружена годоскопом из 20-ти нейтронных счетчиков, счи-13тывание информации с которых происходило по сигналу с ионизационнойкамеры, что позволило обеспечить практически бесфоновую регистрациюнейтронов dt-синтеза и наблюдать события, происходящие непосредственноза остановкой мюонов в газе (т.е. при временах <200 нс). В результате такой организации измерений был обнаружен быстрый пик в начале временного спектра нейтронов, обязанный эпитермальному каналу образованияdtµ-молекул.
Этот результат указал на важность теоретического исследования быстрых процессов, вызванных нетермализованными мезоатомами,и необходимость учета высоколежащих резонансов в сечениях образованиямезомолекул.Автор диссертации принимал непосредственное участие ввыполнении программы ”Мю-катализ” на всех стадиях ее реализации, являясь ответственным исполнителем экспериментов по ней в ПИЯФ. Совместно с коллективом группы, а затем и лаборатории ”Мю-катализ”, автор участвовал в разработке установок на базеионизационных камер высокого давления, таких как:- тестовая установка на базе двухэлектродной ИК для измерения скорости дрейфа электронов в водороде и дейтерии при давлениях до 100 атм(1980 г.),- тестовая установка для исследования рекомбинации ионизационныхзарядов α-частиц в области давлений водорода 30÷100 атм (1980 г.),- установка для исследования ddµ-катализа при комнатной температуре(1980-1984 гг),- первая криогенная ИК объемом ∼1000 см3 для исследования ddµкатализа в диапазоне температур 50÷300 К (1985-1988 гг),- технологический комплекс для проведения работ с тритием в экспериментальном зале синхроциклотрона ПИЯФ, включающий многоканальнуюИК для измерения скоростей dtµ-катализа в тройных H/D/T смесях придавлении ∼90 атм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
